Измерение уровня заправки жидкостной ракеты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерение уровня заправки жидкостной ракеты



Аннотация

Разработан новый метод измерения уровня заправки жидкостной ракеты. Метод характеризуется тем, что осуществляет измерение скалярных значений токов вычислением параметров импеданса емкостного датчика согласно его схеме замещения и последующим вычислением уровня заправки. Эта особенность придала методу новое качество в отличие от известных. А именно, возможность с высокой точностью измерять параметры импеданса емкостного датчика в условиях длинной линии связи и соответственно значений уровня заправки с относительной погрешностью±0,5%. Данная работа посвящена разработке и моделированию конфигурации ПЛИС фирмы Xilinx в графическом представлении.

A new method has been developed for measuring the level of refilling a liquid rocket. The method is characterized by measuring the scalar currents by calculating the impedance parameters of the capacitive sensor in accordance with its replacement circuit and then calculating the level of filling. This feature gave the method a new quality unlike the known ones. Namely, the ability to accurately measure the impedance parameters of a capacitive sensor in conditions of a long line of communication and, respectively, the level of filling with a relative error of ± 0.5%. This work is devoted to the development and modeling of the Xilinx FPGA configuration in a graphical representation.



Содержание

Сокращения

Введение

Глава 1. Методы измерения уровня компонентов топлива

1.1 Классификация методов измерения уровня

1.2 Поплавковый метод измерения уровня

1.3 Тепловой метод измерения уровня

1.4 Емкостный метод измерения уровня

1.5 Постановка задачи

Глава 2. Измерительный модуль системы контроля уровня заправки

2.1 Функциональная схема измерительного модуля

2.2 Инструментальные средства измерительного модуля системы

2.3 Конфигурация ПЛИС

Глава 3. Моделирование и отработка конфигурации ПЛИС

3.1 Моделирование ПЛИС на примере моделирования узла формирования масштаба

3.2 Отработка ПЛИС в составе системы измерения уровня заправки в испытательном центре

Заключение

Список используемой литературы



Сокращения

LS - Logic Simulator

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БВВ - блок ввода-вывода ()

БЗСЗ - блок задания схемы замещения

БП - блок переключения

БУИ - блок управления измерением

БУП - блок управления переключением

БУР - блок управления режимами

ВАС - вычислитель активного сопротивления

ВПП - вычислитель полного приращения электрической емкости

ВТП - вычислитель текущего приращения электрической емкости

ВУ - вычислитель уровня

ВЭЕ - вычислитель электрической емкости

ГСН - генератор синусоидального напряжения

ГТМ - главная трассировочная матрица

ГТР - глобальные трассировочные ресурсы

ДУЗ - датчик уровня заправки

ЕДУ - емкостный датчик уровня

КЛБ - конфигурируемые логические блоки

ЛТР - локальные трассировочные ресурсы

ЛЯ - логическая ячейка

МИУ - модуль измерения уровня

МТКС "Буран" - многоразовой транспортной космической системы "Буран"

МУ - масштабный усилитель

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ОКР - опытно-конструкторская работа

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема

ПО - программное обеспечение

ПТН - преобразователь ток-напряжение

РКК "Энергия" - Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королёва

СИУЗ - система измерения уровня заправки

СК - стартовый комплекс

СОБ - система опорожнения бака

СТР - специальные трассировочные ресурсы

СУРТ - система управления расходованием топлива

ТК - технический комплекс

ТРБ - трассировочные ресурсы для БВВ

ТРОН - трассировочные ресурсы общего назначения

ЭДС - электродвижущая сила



Введение

Ракетно-космическая отрасль затрагивает множество общих вопросов, встречающихся в различных сферах деятельности. Так точность заправки ракеты-носителя жидкостным топливом определяет массу гарантийных запасов топлива, и соответственно массу полезной нагрузки.

Эксплуатация изделий ракетно-космической техники (РКТ) для проведения измерения уровня топлива в баках ракеты имеет свои условия, в которых необходимо производить измерения параметров. Одним из таких условий является - удаленность до 400 метров объекта измерения от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика уровня заправки (ДУЗ), вмонтированного в бак ракеты, которая находится на техническом комплексе (ТК) при контрольных испытания ракеты или на стартовом комплексе (СК) во время её заправки компонентами топлива. При этом основные технические требования при измерении параметров емкостного ДУЗ должны быть следующими:

- диапазон измерения значений электрической емкости ДУЗ должен быть (400 - 1500) пФ с относительной погрешностью измерения не более ±0,5%.;

- указанная относительная погрешность измерения электрической емкости должна быть обеспечена в условиях наличия погонной электрической емкости (погонная электрическая емкость - емкость между проводником, подключающим ДУЗ к измерителю и экраном проводника) от 2500 до 30000 пФ.

Прежние системы измерения уровня топлива в баках ракеты, которые работали через длинные линии связи, были разработаны на основе мостовых методов измерения, построенных на переменном токе. Созданные на этих мостовых методах приборы представляли собой сложные устройства с автоматическим уравновешиванием по активной и реактивной составляющей сопротивления датчика уровня, обладали низким быстродействием и имели погрешность измерения ±(3 - 5) %. Такая точность измерения топлива в баках ракет соответственно приводила к существенной массе гарантийных запасов топлива.

Поэтому уменьшение массы гарантийных запасов топлива направлено на увеличение массы полезной нагрузки жидкостной ракеты.

В наше время существует множество методов измерения уровня топлива, однако точность данных методов составляет 5%, в следствие чего гарантийные запасы жидкостного топлива достигают существенных значений, что не соответствует тактико-техническим требованиям, предъявляемым к ракетам. Потому задача минимизации погрешности измерения уровня топлива, направленная на снижение массы гарантийных запасов топлива, является одной из актуальных в наше время при создании жидкостных ракет и разгонных блоков нового поколения.

Целью исследований, проведенных в данной работе, является снижение массы гарантийных запасов топлива, обусловленное повышением точности измерения уровня заправки жидкостной ракеты.

Предметом исследований в данной работе является метод измерения уровня заправки топливом, реализованный в ПЛИС измерительного канала системы.

Проанализировав методы измерения уровня раздела жидкого вещества и паро-газовой подушки над ним можно определить более точный метод, который будет соответствовать жестким требованиям космической отрасли.

Выбрав метод измерения уровня топлива, необходимо подробно рассмотреть алгоритм измерения. Поскольку все методы и алгоритмы измерения являются известными, перед нами встает главная задача - усовершенствовать алгоритм так, чтобы он минимизировал погрешность измерения, которая появляется вследствие использования данного устройства в ракетно-космической отрасли.

Использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в уровнемерной системе позволяет ускорить и автоматизировать работу устройства измерения уровня жидкостного топлива. Выбор платы обуславливается быстродействием и частотой внутри кристалла, объемом конфигурационной последовательности и памяти.

Для конфигурирования выбранной ПЛИС существуют программные пакеты, поддерживающие тот или иной кристалл, которые отличаются способами проектирования - на языке описания аппаратуры или же в схематичном представлении.

Конфигурация в схематичном виде может быть представлена узлами, которые взаимодействуют между собой и имеющими конкретное назначение. Каждый узел необходимо проработать как структурно, так и логически.

Работоспособность созданной конфигурации может быть проверена непосредственно выбранным нами программным обеспечением (ПО) посредством моделирования работы каждого узла в отдельности и всей схемы в целом.

В данной работе был проведен анализ методов и систем измерений топлива жидкостных ракет, определен наиболее точный из методов, усовершенствован существующий алгоритм измерения с учетом использования измерительного устройства в космической отрасли, выбрана ПЛИС и программное обеспечение для ее конфигурирования, разработана конфигурация кристалла, в соответствии с доработанным алгоритмом, а также произведено моделирование ПЛИС для проверки ее работоспособности.



Глава 1. Методы измерения уровня компонентов топлива

1.1 Классификация методов измерения уровня

Проблема точного измерения уровня компонентов топлива жидкостных ракет [6] возникла еще в середине XX века, когда была создана первая межконтинентальная ракета Р-7. Существует множество методов измерения уровня в жидкостно-газовой среде.

При создании во АО "РКЦ -ПРОГРЕСС" ракеты "Союз-2" в рамках проведения опытно-конструкторских работ "Русь" к уровнемерным системам было предъявлено требование по обеспечению высокой точности измерения уровня. Исходя из этого требования, система измерения уровня заправки ракеты "Союз-2" должна измерять уровень с относительной погрешностью не более ±0,5 %. Выполнение измерения уровня с такой погрешности измерения имела большое значение, так как приводила к существенному свыше сотни килограммов высвобождению массы гарантийных запасов топлива, что особенно актуально для третьей ступени (блока "И") ракеты "Союз-2".

Согласно [17] методы измерения уровня классифицируются исходя из физических свойств веществ, образующих поверхность раздела. Таким образом, все методы можно разделить на шесть групп:

1) методы, использующие различия плотностей: весовой, гидростатический, радиоизотопный, буйковый, поплавковый;

2) методы акустические: локационный, диссипативный, резонансный;

3) методы тепловые: дилатометрический, терморезисторный, термо-ЭДС;

4) методы электромагнитные: кондуктометрический, индуктивный, емкостной, радиоволновый;

5) методы оптические: фотоэлектрические и визуальные, использующие такие свойства как преломление, поглощение, отражение света;

6) методы механические: с гибким щупом, маятниковый, лотовый, с вращающимся телом, с колеблющимся телом.

Однако в космической отрасли существуют специфические условия и факторы, вследствие чего список можно сократить до основных трех методов, которые были применены в различных ракетах-носителях: поплавковый, терморезисторный и емкостный.

Каждый измеритель уровня жидкости по своей сути представляет собой совокупность измерительных преобразователей - устройств, осуществляющих однозначную функциональную зависимость одного параметра от другого, которые обеспечивают определенный вид выходной характеристики уровнемера и обладают соответствующими характеристиками. Конструктивно преобразователи можно объединить в блоки, соединенные линиями связи: датчик, измерительное устройство и сигнализатор или показывающее устройство.

1.2 Поплавковый метод измерения уровня

Принцип действия поплавкового уровнемера [18] построен на использовании выталкивающей силы жидкости. Чувствительным элементом устройства является плавающее на поверхности жидкости произвольной формы тело с постоянной осадкой. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, потому для определения уровня жидкости используют измерительные схемы как с механической связью с самим поплавком, так и немеханической связью. Чувствительность уровнемера к измерению физических свойств жидкости и газа может быть сведена к минимуму лишь при значительных габаритах поплавка. Сила сопротивления, действующая на поплавок, состоит из силы сопротивления в устройстве, преобразующем положение поплавка в выходной сигнал уровнемера, которая определяется примененным способом связи поплавка с измерительной схемой, и силы сопротивления, возникающей в местах контакта поплавка с неподвижными элементами датчика, что свойственно любому типу поплавковых уровнемеров. При соблюдении некоторых условий влияние силы сопротивления минимизируется, что помогает создавать малогабаритный поплавковый уровнемер с высокой точностью измерения. Один из вариантов уменьшения действия силы определяемой выбором связи с измерительной схемой - применение немеханической связи.

Большинство поплавков с немеханической связью имеют электрический выход, то есть измерительная схема определяет текущее значение уровня по электрическому сопротивлению датчика. Такие датчики подразделяют на индуктивные, кондуктометрические и емкостные.

В роли активной части индуктивного поплавка уровнемера может выступать любой элемент, способный изменить индуктивность катушки при прохождении через ее электромагнитное поле, выходным параметром датчика при этом является индуктивность катушки, определенным образом связанная с положением относительно нее активной части поплавка. Основной проблемой данного поплавкового уровнемера является получение линейной характеристики и обеспечение при этом требуемого диапазона измерения уровня, однако это возможно только при малом диапазоне измерения уровня. Потому применяют дискретно-непрерывный способ измерения, при котором датчик представляет собой набор малых по высоте катушек, который перекрывает весь диапазон измерения.

При емкостном способе связи поплавка с измерительной схемой элементы датчика уровня жидкости представляют собой электрические конденсаторы, емкость которых определяется положением поплавка. В простейшем случае неподвижные элементы датчика образуют цилиндрический конденсатор, в зазор которого входит активная часть поплавка, который представляет собой подвижную обкладку - экран, меняющий при своем перемещении емкость датчика.

Основываясь на этом методе, были созданы дискретного типа поплавковые индуктивные датчики уровня жидкостного топлива в ракета-носителях "Протон-М" [2] и "Зенит" [4].

Ракеты-носители семейства "Протон" в системе контроля заправки оснащались поплавковыми индуктивными датчиками уровня дискретного типа, также они были оборудованы емкостными дискретными датчиками уровня системы опорожнения бака (СОБ), которая при внедрении на РН "Протон-М" цифровой системы управления была преобразована в систему управления расходованием топлива (СУРТ). Достаточно подробное описание этих датчиков представлено в книге [14].

Датчики, установленные в каждом баке первой и второй ступеней ракеты-носителя "Зенит", являются поплавковыми датчиками уровня дискретного типа с индуктивной связью поплавка с измерительной схемой. При этом датчики системы СУРТ и датчики системы контроля заправки представлены отдельными, не связанными между собой узлами. Датчики СУРТ установлены вдоль оси баков, их чувствительные элементы распределены по высоте бака.

1.3 Тепловой метод измерения уровня

Тепловые уровнемеры построены на использовании различия теплопроводности в жидкости и парогазовой меси над ней [16]. Явление теплопроводности возникает при разности температур между различными участками тела и заключается в переносе внутренней энергии между этими участками.

Чувствительным элементом терморезисторного уровнемера является резистор, электрическое сопротивление которого определяется его температурой. Принцип работы уровнемера построен на использовании различной интенсивности передачи тепла от нагретого чувствительного элемента к жидкости и к газу, что приводит к тому, что участки чувствительного элемента, находящиеся в жидкости и в газе, имеют различную температуру и различное электрическое сопротивление, по величине суммарного сопротивления можно определить текущее значение уровня.

На рис. 1 представлено схематичное изображение датчика такого уровнемера, питание которого происходит от источника тока I = const. Выходным параметром датчика является изменение падения напряжения на резисторе или изменение сопротивления резистора:

Рис. 1. Датчик терморезисторного уровнемера

(1)

где R_h - сопротивление резистора погруженного на высоту h,

R₀ - начальное сопротивление резистора при температуре окружающей среды t₀,

r₀ - погонное сопротивление резистора при температуре,

б_t - температурный коэффициент сопротивления материала резистора,

t₁ - температура сухого участка резистора,

t₂ - температура погруженного резистора.

Чувствительность датчика уровнемера к изменению уровня тем выше, чем больше значения погонного сопротивления резистора, температурного коэффициента его материала и разности температур погруженного и сухого участка датчика. Значения первых двух величин определяются выбором материала резистора, поскольку удельное электрическое сопротивление и его температурный коэффициент являются электрическими характеристиками материала. Минимальная величина площади поперечного сечения резистора ограничивается механической прочностью материала, а это приводит к тому, что чувствительность уровнемера обеспечивается выбором рабочих температур элементов датчика, которые тесно связаны с величиной тока проходящего через резистор.

Таким образом каждый из 24 сигнализаторов уровня топлива Space Shattle [1] представляют собой датчики, содержащие чувствительный элемент из платиновой проволоки, натянутой в керамической рамке, который находится в в алюминиевый корпус. Изменение сопротивления фиксируется электронным преобразователем и преобразуется в сигналы "Погруженный" или "Сухой" [3].

Сигнализаторы уровня, контролирующие заправку, устанавливались на следующих уровнях:

- 5% объема компонента в баке (по 1 сигнализатору на бак водорода и бак окислителя);

- 98% объема компонента в баке (по 2 сигнализатора);

- "100% минус" (по 1 сигнализатору);

- 100% объема компонента в баке (по 2 сигнализатора);

- "100% плюс" (по 1 сигнализатору);

- "Перелив" (по 1 сигнализатору).

Сигнализаторы окончания горючего в количестве 4-х штук устанавливались в нижней части бака водорода. В системе окислителя 4 сигнализатора устанавливались за пределами подвесного бака, а именно - в расходной магистрали окислителя на борту челнока. Команда на выключение двигателя формировалась по срабатыванию двух из четырех сигнализаторов.

1.4 Емкостный метод измерения уровня

Также для измерения уровня жидкости могут быть использованы электрические свойства жидкости и парогазовой смеси над ней, такие как диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ. Относительно электропроводности жидкости и газы подразделяются на диэлектрики и проводники. Электрические свойства диэлектрика характеризуются относительной диэлектрической проницаемостью, которая показывает во сколько раз, по сравнению с вакуумом, уменьшается в данном веществе сила взаимодействия между электрическими зарядами. Диэлектрическая проницаемость зависит от вида поляризации, присущего веществу, которая определяется его атомно-молекулярным строением. Поляризация бывает электронной, ионной и дипольно-релаксационной. Диэлектрики обладают определенной электропроводностью, то есть при приложении к диэлектрику электрического напряжения через него протекает ток.

Датчик емкостного уровнемера (рис.2) [7] в общем случае можно представить в виде коаксиального цилиндрического конденсатора, у которого центральная обкладка покрыта изоляцией. Датчик представляет собой металлический зонд, расположенный по оси металлической трубы, которая является наружной обкладкой датчика. Зазор между внешней поверхностью изоляции зонда и наружной обкладкой является рабочим зазором, сообщающимся через отверстия в нижней центровочной втулке и в наружной трубе с сосудом, в котором замеряется уровень. При составлении эквивалентной электрической схемы считалось, что утечка через изоляцию и заполненный парогазовой смесью зазор отсутствуют, а жидкость обладает как конечным удельным электрическим сопротивлением, так и диэлектрической проницаемостью.

В основу функционирования измерительной части прибора может быть положен любой метод измерения электрической емкости, но в основном применяют четыре метода: импульсный, частотный, фазоёмкостный и мостовой.

Процесс преобразования датчиком емкостного уровнемера уровня жидкости в электрическую емкость можно представить в виде совокупности двух операций. Первой операцией является преобразование уровня жидкости в сосуде в уровень жидкости в рабочем зазоре датчика. Вторая операция представляет собой преобразование уровня жидкости в зазоре в электрическую емкость.

Высокая чувствительность датчиков к изменению уровня жидкости может быть обеспечена лишь при малых размерах рабочего зазора. Существуют конструкции датчиков, в которых зазор составляет всего лишь десятые доли миллиметра.

Рис. 2. Датчик емкостного уровнемера:

1 - металлический зонд;

2 - изоляция;

3 - металлическая труба;

4 - рабочий зазор

Так в ракета-носителе "Энергия" [9], предназначенной для выведения орбитального коробля-ракетоплана советской МТКС "Буран", измерение уровня топлива проводилось для следующих целей:

- заправка баков окислителя и горючего 4-х блоков А, водородного блока Ц ракеты-носителя "Энергия" и орбитального корабля "Буран";

- управление расходования топлива посредством работы блоков А в количестве четырех штук и блока Ц;

- определения окончания компонентов топлива (Блок Ц);

- сбор данных для послеполетного анализа (Блок Ц).

Система контроля заправки (СКЗ) ракеты-носителя "Энергия" представляла собой единую систему. В баках всех ступеней были установлены емкостные датчики уровня двух типов: непрерывные и дискретные. Непрерывные датчики с электрической емкостью 500-600 пФ обеспечивали измерение уровня в ограниченном переделами диапазоне, находящемся в верхней части баков. Дискретные датчики содержали набор чувствительных элементов, распределенных по всей высоте баков, и давали информацию о достижении зеркалом жидкости определенного фиксированного уровня. Для определения текущего значения высоты уровня компонента топлива в баках ракеты в дополнение к информации от дискретных датчиков уровня в автоматизированную систему управления подготовкой и пуском использовалась информация от датчиков давления в дренажных и заправочных магистралях: промежуточное количество топлива между фиксированными точками определялось по разности показаний указанных датчиков. И непрерывные, и дискретные датчики уровня были дублированы, имея в своем составе основной и дублирующий каналы. Каждому каналу каждого датчика в системе контроля заправки был выделен отдельный канал измерения. Точность заправки топливных отсеков второй ступени составила +0,6 % по баку окислителя и +0,7 % по баку горючего. Все датчики контроля уровня заправки, как и СКЗ в целом, были разработаны РКК "Энергия". Детальное описание СКЗ приведено в работе [8]

1.5 Постановка задачи

Предшествующие ракеты носители были оснащены уровнемерными системами, которые измеряют уровень компонентов топлива с точность в районе 3-5%, что соответствует гарантийным запасам топлива жидкостной ракеты, средняя масса которого достигает 90 - 120 кг.

Эксплуатация изделий ракетно-космической техники для проведения измерения уровня топлива емкостным методом посредством проведения измерения параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков уровня весьма специфична, и потому перед разработчиками возникают определенные требования. Наиболее характерными требованиями можно считать:

- датчик уровня удален от измерительной части на расстояние 500 метров;

- максимально-возможная точность измерения параметров емкостного ДУЗ, поскольку от этого зависят объемы гарантийного запаса топлива (чем меньше гарантийных запасов топлива, тем больше полезная нагрузка самой ракеты);

- полная автономность подготовки к заправке и самой заправки перед стартом ракеты;

- быстродействие измерительного модуля, позволяющее расширить функционирование системы управления расходом топлива ракеты.

Предшествующие ракеты, в частности ракета-носитель "Союз" была оснащена уровнемерными системами, которые измеряли уровень топлива с точность в районе 3-5%, что соответствовало гарантийным запасам топлива, средняя масса которого достигает 90 - 120 кг. Новый метод измерения, разрабатываемый РКК "Энергия", осуществляет измерение скалярных значений токов с последующим вычислением комплексного сопротивления емкостного датчика согласно его схеме замещения, что, в отличие от ранее известных методов, обеспечило измерение уровня топлива с относительной погрешностью ±0,5 %, что в свою очередь снижает массы гарантийных запасов топлива до 50-70 кг.

Задачей проводимых исследований является снижения массы гарантийных запасов топлива ракеты, которое достигается путем увеличения точности измерения уровня её заправки. За счет снижения массы гарантийных запасов топлива увеличивается масса полезной нагрузки, выводимой ракетой.

В процессе проводимых исследований также рассматривался вопрос исключения влияния длинной линии связи на результат измерения уровня заправки.

Для реализации нового метода измерения будет использована технология проектирования с применением ПЛИС (программируемых логических интегральных схем) Xilinx. Данная технология позволит значительно уменьшить само измерительное устройство, а также ускорить расчетную часть измерения уровня.



Глава 2. Измерительный модуль системы контроля уровня заправки

2.1 Функциональная схема измерительного модуля

Представлена функциональная (структурная) схема устройства измерения[12],

Первый измерительный вход подключен к второму выходу эталона и выходу генератора синусоидального напряжения (ГСН), а измерительные входы с второго по (n+1)-ый подключены к соответствующим входам многоканального блока переключения (БП). ГСН подключен через управляющий вход к первому выходу блока управления по частоте (БУЧ). Выход БП через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение (ПТН), масштабный усилитель (МУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) подключен к первым выходам вычислителя электрической емкости(ВЭЕ) и вычислителя активного сопротивления (ВАС), а также к первому входу блока управления измерением (БУИ). Выходы БУИ подключены соответственно к управляющим входам БП, МУ и АЦП, а также к первому входу БУЧ и к вторым входам ВЭЕ и ВАС. Управляющий вывод БУИ подключен к управляющему выводу блока управления режимами (БУР). Выходы БУР подключены соответственно к второму входу БУЧ, к входу блока задания схемы замещения (БЗСЗ), к первому входу вычислителя полного приращения электрической емкости (ВПП), к первому входу вычислителя уровня (ВУ), к первому входу вычислителя текущего приращения электрической емкости (ВТП) и к входу блока управления переключением (БУП). Выход БУП подключен к второму управляющему входу БП. Выход ВЭЕ подключен к второму входу ВТП и к второму входу ВПП. Выход ВПП подключен к второму входу ВУ. Третий и четвертый входы ВЭЕ и ВАС подключены соответственно к выходу БЗСЗ и к второму выходу БУЧ. Выход ВТП подключен к третьему входу ВУ. В свою очередь выход ВУ, а также выходы ВАС и БУП являются выходами устройства.

Признаки, характеризующие подключение емкостных датчиков уровня (ЕДУ) через измерительные входы, с одной стороны, через БП к входу ПТН, с другой стороны, к выходу ГСН, обеспечивают исключение влияние длинной линии связи на результат измерения. Это объясняется тем, что ПТН, имеющий нулевое входное сопротивление, шунтирует со своей стороны паразитную емкость кабельной линии связи, которая не оказывает влияние на процесс определения параметров. С другой стороны, ГСН имеет очень малое выходное сопротивление и паразитная емкость линии связи также не оказывает влияния на ток через рабочую ЕДУ. Указанные признаки придают устройству новое качество, позволяющее проводить измерения параметров датчика, удаленного от средства измерения через линию связи. Совокупность признаков, характеризующих соединение БУЧ с ГСН и с ВЭЕ, а также соединение последнего блока через БУР с ВПП обеспечивает автоматизацию процесса настройки средств измерения и достижение повышения технологичности, ЕДУ при этом должен быть полностью погруженным.

Устройство имеет два режима работы: режим настройки устройства и непосредственно режим измерения уровня топлива.

Оба режима работы основаны на измерении электрической емкости ЕДУ, однако, прежде чем приступать к любому из режимов необходимо:

- задать количество необходимых измерений в БУИ, поскольку ЕДУ является двухэлементным двухполюсником, то задается по два измерения для каждого датчика;

- в БУЧ задать частоты щ1, щ2 на которых производятся измерения параметров;

- задать значения диэлектрических проницаемостей окислителя и горючего в ВППЭЕ, а также диэлектрические проницаемости газовой среды;

- из БЗСЗ в ВЭЕД и ВАСД, соответственно, задаются расчетные зависимости следующего вида:

; (2)

, (3)

где: щ1, щ2,- заданные значения частот,

R_ЭТ - значение сопротивления эталона,

I_щ1, I_щ2 - значение токов;

- задать количество ЕДУ подключенных к устройству в БУПК, при этом подается сигнал, по которому через БП БУПК управляет подключением ПТН второго измерительного входа к измерительной цепи.

После приведения устройства в исходное состояние, начинается процесс настройки.

Режим настройки устройства начинается с того, что БУИ измеряет и фиксирует ток через ЕДУ и эталон, в качестве которого может быть использован резистор с заданным сопротивлением R_ЭТ.

После этого в ВЭЕД и ВАСД происходит вычисление и фиксация электрической емкости и активного сопротивления сухого ЕДУ, заданные выражениями (2) и (3). Данные значения передаются ВППЭЕ и ВТПЭЕ для дальнейших преобразований.

Затем ВППЭЕ вычисляется и фиксируется полное приращение электрической емкости ЕДУ, полностью погруженного в диэлектрического вещество, которое можно выразить следующей зависимостью:

, (4)

где: С_СУХ - электрическая емкость сухого ЕДУ;

е_Ж - диэлектрическая проницаемость компонента топлива;

е_Г - диэлектрическая проницаемость газовой подушки, расположенной в баке ракеты над топливом.

Все данные вышеизложенных вычислений сохраняются в ячейке памяти ВУ соответствующей номеру измерения (измеряемого входа, иначе номеру ЕДУ).

Затем, пока число измерений не будет равно заданному, алгоритм настройки (вычисление токов, емкостей сухих и погруженных в жидкостное топливо ЕДУ, и активное их сопротивление, а также сохранение их в памяти устройства) будет повторяться с каждым ЕДУ. После всех измерений процесс настройки считается завершенным и алгоритм переходит к непосредственному измерению уровня компонентов топлива. Вычисленные при настройке значения электрической емкости полностью погруженных ЕДУ будут использоваться при вычислении уровня по каждому ЕДУ в режиме измерения уровня.

Первый шаг измерений уровня топлива полностью совпадает с первым шагом при настройке ЕДУ, т.е. измеряется и фиксируется ток, проходящий через ЕДУ и эталон. После этого в ВЭЕД и ВАСД происходят вычисление и фиксация текущей электрической емкости ЕДУ и в ВТПЭЕ вычисляется значение приращения, вычисляемого следующим образом:

, (5)

где С_ТЕК - вычисленное на текущее значение электрической емкости ЕДУ заполняемого топливом. Данное значение приращения сохраняется в памяти ВУ.

Затем происходит непосредственное измерение уровня компонентов топлива в ВУ. Аналитическая зависимость электрической емкости заполняемого ЕДУ может быть представлена выражением

(6)

где h - текущая высота погружения ЕДУ;

H - полная высота погружения датчика.

Из (6) следует, что вычисление уровня топлива производится из зависимости:

. (7)

Совокупность признаков, характеризующих соединение ВЭЕД с ВППЭЕ и ВТПЭЕ, а также соединение этих вычислителей с ВУ, обеспечивают реализацию выражения (7).Следует учесть, что вычисление электрической емкости сухого ЕДУ, полного приращения электрической емкости и текущего приращения электрической емкости произведено одним и тем же средством измерения с учетом влияния длинной ЛС, что обеспечивает исключение влияния ЛС на результат вычисления уровня компонентов топлива, поскольку из упомянутые в зависимости (7) С_СУХ, С_ПР и С_ТЕК определялись с учетом влияния, что практически исключеет влияние ЛС при решении выражения (7), что характеризует инвариантную работу устройства по отношению к ЛС.

Значение уровня заполнения ЕДУ (h/H) подается на выход устройства, с которым сопрягается аппаратура стартового комплекса. Аппаратура стартового комплекса управляет подачей через наземное технологическое оборудование компонентов топлива в баки ракеты.

Затем алгоритм переходит к анализу условия i=n. Условие не будет выполнено, пока не будут вычислены значения уровня заполнения каждого ЕДУ. При выполнении условия i=n БУР присвоит i в БУПК значение единица, в результате чего последний через БП подключит первый ИВ и процесс измерения уровня заполнения каждого ЕДУ повторится вновь. Процедура циклического измерения заполнения каждого ЕДУ будет продолжаться до тех пор, пока каждый бак ракеты не будет заправлен до требуемого уровня, согласно полетному заданию.

Первоначальные алгоритмы были почерпнуты из [5] и [11].

2.2 Инструментальные средства измерительного модуля системы

1 ПЛИС семейства Spatran-II фирмы Xilinx

Семейство Spatran-II [10] - второе поколение ПЛИС, предназначенных для использования в крупно серийных проектах. Данные ПЛИС применяются в проектах как альтернатива специализированным не перепрограммируемым интегральным схемам емкостью до 200 тысяч вентилей и системным быстродействием до 200 МГц, частотах внутри кристалла, превышающих 350МГц, с напряжением питания ядра кристалла 2,5 В.

Каждый кристалл данного семейства состоит из матрицы конфигурируемых логических блоков (КЛБ), которая окружена программируемыми блоками ввода-вывода (БВВ), соединение которых осуществляется с помощью набора иерархических высокоскоростных программируемых трассировочных ресурсов.

Рис. 4. Структура архитектуры Spartan-II

ПЛИС производится на основе статического операционного запоминающего устройства, поэтому функционирование кристаллов определяется загруженными во внутренние ячейки памяти конфигурационными данными, которые загружаются из внешнего постоянного запоминающего устройства и загружаются в ПЛИС сразу после включения питания автоматически или принудительно, количество загрузок при этом является неограниченным. Конфигурационные данные создаются пользователем при помощи ПО проектирования Xilinx Foundation или Alliance Series.

Из рис. 4 видно, что основными элементами являются матрица КЛБ, блочная память, локальные трассировочные ресурсы VersaBlock, ББВ и четыре модуля автоподстройки задержек (DLL).

На основе КЛБ реализуется вся логика. Базовым элементом блока является логическая ячейка (ЛЯ), состоящая из функционального генератора, логики ускоренного переноса и запоминающего элемента. Каждый КЛБ содержит четыре ЛЯ, организованные в виде двух одинаковых секций. В дополнение к четырем ЛЯ каждый блок содержит логику, позволяющую реализовывать функций от пяти или шести переменных.

В FPGA Spartan-II встроена особая блочная память большой емкости, созданная в дополнение к распределенной памяти небольшой емкости. Блоки памяти организованы в два столбца, расположенных вдоль каждой вертикальной стороны кристалла, при этом каждый блок памяти по высоте равен четырем КЛБ. Блок является полностью синхронным двухпортовым ОЗУ с независимым управлением для каждого порта.

В состав программируемой трассировочной матрицы входят локальные трассировочные ресурсы (ЛТР), трассировочные ресурсы общего назначения (ТРОН), трассировочные ресурсы для БВВ (ТРБ), специальные трассировочные ресурсы (СТР) и глобальные трассировочные ресурсы (ГТР). Первые позволяют реализовывать три типа соединений: связи между таблицами преобразования, триггерами и главной трассировочной матрицей (ГТМ - матрица переключателей); внутренние обратные связи КЛБ с таблицами преобразования в рамках одного КЛБ; прямые трассы для высокоскоростного соединения с соседними по горизонтали КЛБ. Большинство же связей в кристаллах реализуются с помощью ТРОН, расположенные в виде вертикальных и горизонтальных трассировочных каналов и расположенные в непосредственной близости от строк и столбцов матрицы КЛБ. ТРБ улучшают возможности закрепления сигналов за контактами и переназначения уже сделанного закрепления. СТР создавались для следующих видов сигналов: для реализации шин с тремя состояниями горизонтальные трассировочные ресурсы и для распространения сигналов быстрого переноса к прилегающему КЛБ две специальные линии в вертикальном направлении. ГТР распределяют сигналы с большим коэффициентом разветвления по выходу на всем пространстве кристалла, а также тактовые сигналы.

Поскольку БВВ поддерживает широкий спектр стандартов сигналов ввода-вывода, существуют возможности сопряжения кристаллов с большинством элементов памяти и шинных интерфейсов. БВВ содержит три запоминающих элемента, которые функционируют как триггеры-защелки или D-триггеры. Каждый БВВ имеет входной сигнал синхронизации, распределенный на три триггера и независимые сигналы разрешения тактирования. Для каждого из триггеров также заведен сигнал Сброса/Установки, который может быть сконфигурирован независимо, как синхронная установка, синхронный сброс, асинхронная предустановка или асинхронный сброс.

Входной сигнал БВВ может быть протрассирован через входной триггер или непосредственно к блокам внутренней логики. Каждый входной буфер может быть сконфигурирован таким образом, чтобы удовлетворять одному из стандартов ввода-вывода, поддерживаемых устройством. Выводной сигнал проходит через буфер с тремя состояниями, который подсоединен непосредственно к выводу микросхемы. Сигнал может быть протрассирован на вход буфера через выходной триггер блока ввода-вывода либо непосредственно от внутренней логической структуры.

В микросхему встроено четыре глобальных буфера, два - в середине верхней части микросхемы, два - в середине нижней части, которые проводят сигналы синхронизации на любой тактовый вход. Для каждого такого буфера имеется примыкающий к нему контакт микросхемы. На вход глобального буфера сигнал подается как с контактов, так и от сигналов ТРОН. Автоподстройка задержки (DLL) устраняет перекос задержек между сигналом на входном контакте микросхемы и сигналами на тактовых входах внутренних схем устройства.

Spartan-II поддерживает четыре режима конфигурирования: подчиненный последовательный, ведущий последовательный, подчиненный параллельный, периферийного сканирования.

Семейство состоит из шести кристаллов. В данной работе был использован XC2S200-PQ208. Характеристики данной ПЛИС представлены на табл. 1.

Таблица 1

Характеристики кристалла XC2S200-PQ208

Количество логических ячеек	5 292
Количество системных вентилей	200 000
Матрица КЛБ	28Ч42
Количество КЛБ	1 176
Число блоков памяти	14
Общий объем блочной памяти (бит)	57 344
Пользовательские блоки ввода-вывода	284
Объем конфигурационной последовательности (бит)	1 335 840
Вариант корпуса - максимальное число пользовательских контактов	PQ-208 - 140

2 Программное обеспечение Foundation Series

Среда программирования Foundation Series (FS) фирмы Xilinx [15] позволяет производить полный цикл операций по разработке ПЛИС от ввода и отладки до программирования. Она поддерживает два способа проектирования: на языках описания аппаратуры (HDLs, Text-Based Entry) или схематично (Schematic, Schematic Entry) (Рис. 5).

В потоке HDL Flow проект содержит описания на VHDL ,Verilog или описания на схемотехническом уровне, включающие модули написанные на VHDL или Verilog. Файлы на языках описания аппаратуры (HDL files) создаются с помощью встроенных редакторов: HDL Editor и Finite State Machine (FSM) Editor, также HDL-файл создается с помощью любого текстового редактора.

Необходимо отметить, что в данном потоке проектирования также используются модули на еще одном языке описания аппаратуры - XABEL (Xilinx ABEL). Эти модули, также как и LogiBLOX, CORE Generator (известные многим как XNF-файлы), используются для реализации проектов по методу черного ящика.

По способу реализации проекта (с помощью FPGAs или CPLDs ) данный поток проектирования имеет два варианта, приведенные на рис. 6 и 7.

Отсюда видно, что языки описания аппаратуры в среде FS используются на следующих стадиях проектирования:

1. описание проектов (Design Entry);

2. моделирование с целью верификации проектов (Checkpoint Verification):

- Функциональное моделирование трассировки - Gate-Level Functional Simulation;

- Поведенческое моделирование HDL - Behavioral HDL Simulation;

- Симуляция синхронизации по времени и времени трассировки - Post-Place&Route Gate-Level Timing Simulation;

- Имитационное моделирование после этапа реализации трассировки - Post-Implementation Gate-Level Timing Simulation (опционально).

Основные пакетные модули FS:

- Project Manager - графическое средство управления файлами проекта и основными модулями FS;

- Synthesis Constraints Editor - редактор ограничений, накладываемых на проект, написанный на VHDL/Verilog, перед синтезом;

- Synthesis Timing Analyzer - анализатор временных параметров синтезированных проектов;

- Synopsys FPGA Express Synthesis - программа синтезирования проектов, написанных на VHDL/Verilog;

- HDL Design Tools - набор утилит для упрощения ввода проекта на языках высокого уровня VHDL/Verilog, который включает в себя текстовый редактор, проверку синтаксиса, мастер готовых шаблонов основных конструкций языка, редактор диаграмм состояний;

- ABEL Synthesis - модуль синтеза проектов, написанных на Abel;

- Schematic Editor - графический редактор для ввода проектов в схемном виде на основе библиотек логических элементов;

- Simulator - графический редактор, который позволяет моделировать до трассировки и после;

- Design Manager - интерфейсный модуль для управления всеми средствами автоматической трассировки и дающий пользователю доступ к ним;

- Flow Engine - модуль для отображения и выполнения этапов по размещению проекта в кристалл, которые состоят из трансляции входного файла универсального формата во внутренний формат, разбиения логики по конфигурируемым логическим блокам, размещения по кристаллу элементов логики и связей, создания конфигурационного файла для загрузки в кристалл, создания отчета о статических временных параметрах и создания файла для моделирования с учетом временных задержек в форматах VDHL, Verilog, EDIF или XNF;

- LogiBLOX - графическое средство, позволяющее создавать параметризованные и оптимизированные под конкретную архитектуру логические элементы;

- CORE Gen - модуль, который генерирует параметризованные и оптимизированные под конкретную архитектуру модули, выполняющие сложные функции;

- Floorplanner - графическое средство для контроля процесса автоматического размещения логики в кристалл FPGA;

- FPGA Editor - графическое средство для просмотра и редактирования результатов размещения логики и связей, а также проектирования вручную кристалла FPGA на уровне конфигурируемого логического блока и линий связи;

- Hardware Debugger - программа загрузки и верификации проекта с компьютера;

- PROM Files Formatter - программа создания конфигурационного файла для хранения в последовательных или параллельных ПЗУ.



2.3 Конфигурация ПЛИС

Конфигурирование - это процесс загрузки битовой последовательности, полученной с помощью программного обеспечения проектирования, во внутреннюю конфигурационную память кристаллов. Данные конфигурации при выключенном питании должны храниться во внешнем устройстве статической памяти.

Конфигурация ПЛИС для работы измерительного модуля была спроектирована на схемотехническом уровне. Общий вид конфигурации представлен в Приложении 1. Основными узлами являются:

- узел формирования управляющих сигналов;

- узел управления АЦП;

- узел формирования масштаба;

- узел синхронизации работы измерительных каналов;

- цифро-аналоговым преобразователь.

Узел формирования управляющих сигналов предназначен:

- для управления режимами измерения токов, протекающих через емкостный датчик;

- для инициирования начала цифро-аналогового преобразования;

- для формирования временных интервалов, исключающих влияние переходных процессов при переключении режимов измерения;

- для формирования кода режима работы и передачи его в общую шину данных. запас топливо интегральный программируемый

Структурная схема узла

Частота 40 МГц от внешнего кварцевого генератора поступает на делитель частоты (Н8) где делится на 40. Далее импульсы частотой 1 МГц поступают на 16-ти разрядный двоичный счетчик, формирующий тактовые импульсы для узла управления режимами измерения и стартовый импульс для начала аналого-цифрового преобразования.

Фильтрация переходных процессов при переключении режимов работы осуществляется благодаря задержке между появлением тактового импульса (разряд 2 шины Q[15;0]) для переключения режима измерения и появлением стартового импульса, запускающего аналого-цифровое преобразование (разряд 14 шины Q[15;0]). Для частоты 1 МГц время задержки составляет 16 мс.

Переключение режимов измерения и формирование кода режима работы происходит циклически в соответствии с табл. 2. Формирование кода режима осуществляется элементом U28 DCADR из комбинации управляющих сигналов на выходах управления аналоговыми ключами, затем код режима поступает на шину данных.

Таблица 2

Режимы измерения и их коды

Номер тактового импульса	Режим измерения	Код режима измерения МЗР >СЗР
1	Измерение по каналу "О" на частоте 5 кГц	1000
2	Измерение по каналу "Г" на частоте 5 кГц	0100
3	Измерение эталона на частоте 5 кГц	1100
4	Измерение по каналу "О" на частоте 1,25 кГц	0010
5	Измерение по каналу "Г" на частоте 1,25 кГц	1001
6	Измерение эталона на частоте 1,25 кГц	0101
7	Измерение шума по каналу "О"	1101
8	Измерение шума по каналу "Г"	0011
9	Измерение шума эталона	1011

Узел управления аналого-цифровым преобразователем предназначен для управления АЦП, работающего по принципу двойного интегрирования.

Структурная схема узла управления приведена на рисунке 9.

Интегратор АЦП работает в следующих режимах:

- коррекция 0 (интегрирующий конденсатор разряжается через контакты аналогового ключа);

- интегрирование входного напряжения;

- интегрирование опорного напряжения.

Описание сигналов:

- Start - сигнал запускающий процесс аналого-цифрового преобразования;

- Korr0 - сигнал, по которому аналоговый ключ разряжает конденсатор интегратора;

- Fintuin - сигнал по которому на вход АЦП подается измеряемое напряжение;

- Term_cnt - сигнал переполнения счетчика;

- Finturef - сигнал по которому на вход АЦП подается опорное напряжение;

- Fincomp - сигнал от аналогового компаратора о достижении напряжения на выходе интегратора нулевого значения.

Алгоритм работы приведен на рисунке 10.

Рис. 10. Алгоритм работы интегратора АЦП

После каждого аналого-цифрового преобразования в буферный регистр АЦП записывается 14 разрядный цифровой код (далее по тексту именуемый А - параметр).

В десятичном представлении значения А-параметров могут находиться в диапазоне от 0 до 16384.

Перечень А-параметров приведен в табл. 3.

Таблица 3

Параметры А АЦП

Наименование	Физический смысл
А1	Результат измерения тока по каналу "О" на частоте 5 кГц
А2	Результат измерения тока по каналу "Г" на частоте 5 кГц
Аэт	Результат измерения тока через эталон на частоте 5 кГц
А1щ2	Результат измерения тока по каналу "О" на частоте 1,25 кГц
А2щ2	Результат измерения тока по каналу "Г" на частоте 1,25 кГц
Аэтщ2	Результат измерения тока через эталон на частоте 1,25 кГц
А1ш	Результат измерения шума канала "О"
А2ш	Результат измерения шума канала "Г"
Аэтш	Результат измерения шума эталона

Узел формирования масштаба предназначен для формирования цифрового кода, который подается на усилитель с изменяемым коэффициентом усиления. Зависимость коэффициента усиления от цифрового кода представлена в табл. 4.

Таблица 4

Зависимость коэффициента усиления от цифрового кода

Коэффициент усиления	Цифровой код ММЗР>СЗР
1	000 (М1)
2	100 (М2)
4	010 (М4)
8	110 (М8)
16	111 (М16)

Структурная схема приведена на рисунке 11.

Алгоритм работы представлен на рисунке 12.

В связи с тем, что напряжение на входе АЦП изменяется в широких пределах для повышения точности аналого-цифрового преобразования необходимо его масштабирование. Для схемы АЦП применяемой в МИУ наилучшие результаты получаются, если его входное напряжение находится в диапазоне от 5 до 10 В.

Всего формируется шесть кодов масштаба в соответствии с числом режимов измерения. Каждый код записывается в ОЗУ по уникальному адресу и при переходе к соответствующему режиму измерения передается на общую шину данных.

При измерении Ашэт, А1ш и А2ш коду масштаба принудительно присваивается значение 16.

Узел синхронизации работы измерительных каналов предназначен для исключения одновременного измерения токов, протекающих через одноименные датчики ("О" или "Г") основного и дублирующего каналов.

Узел состоит из передающей и приемной части. На выходе передающей части канала "О" формируется логическая 1 при измерении параметров А1 и А1щ2, сигнал на выходе передающей части канала "Г" формируется при измерении параметров А2 и А2щ2, при измерении остальных параметров синхронизирующие сигналы (SYNC) не формируются. Синхронизирующие сигналы поступают на вход приемной части соседнего канала (с основного на дублирующий и с дублирующего на основной).

Алгоритм работы приемной части канала "О" представлен на рисунке 13.

Приемная часть канала "Г" работает по аналогичному алгоритму.

Для исключения нарушения работы измерительных каналов при неисправностях в цепях синхронизации, длительность синхроимпульсов, приходящих с соседнего канала контролируется таймером. Если длительность импульса превышает 60 мс, МИУ переходит в асинхронный режим работы, при восстановлении работоспособности МИУ возвращается в синхронный режим.

Синусоидальное напряжение, подаваемое на датчики уровня заправки, формируется цифро-аналоговым преобразователем, в соответствии с кодами, поступающими с узла функциональная схемы которого приведена на рисунке 14.

...