單片機在衛(wèi)星等效器設(shè)計中的應用

楊 勇，孫 奎

0 引言

衛(wèi)星負載等效器是用于衛(wèi)星地面綜合測試的專用設(shè)備，主要用于地面有線測試網(wǎng)絡狀態(tài)變動后，衛(wèi)星加電前，對地面有線測試網(wǎng)絡與星上接口的部分功能進行檢查，同時對用于衛(wèi)星的有線測試設(shè)備進行間接檢查，確保有線測試設(shè)備各項功能正常。衛(wèi)星負載等效器就是用于等效衛(wèi)星負載的設(shè)備，從外面看上去，其功能和衛(wèi)星的部分有線測試功能一致，其在衛(wèi)星的各個測試階段都有著廣泛的應用。本文就如何應用單片機作為衛(wèi)星負載等效的核心控制部件實現(xiàn)衛(wèi)星等效功能進行論述，最終實現(xiàn)衛(wèi)星的各項等效功能。

1 設(shè)備需實現(xiàn)的功能

由于衛(wèi)星負載等效是用來等效衛(wèi)星的，也就是說在真實的衛(wèi)星未具備狀態(tài)時，該等效器要以衛(wèi)星的身份參加測試網(wǎng)絡的檢查工作，因此，該設(shè)備需要具備與衛(wèi)星相同功能和性能的有線測試接口。根據(jù)測試網(wǎng)絡的需求，衛(wèi)星負載等效器需要具備以下功能。

1）信號模擬功能

根據(jù)任務需求，負載等效器需要模擬輸出電壓信號、通斷狀態(tài)信號。

2）信號采集及顯示功能

根據(jù)任務需求，需要對模擬量信號進行 A/D采集，并在顯示裝置上進行顯示，根據(jù)任務總需求，需要采集和顯示的信號全部為電壓信號。部分電流信號通過信號轉(zhuǎn)換，最終以電壓信號的形式輸出供采集。

3）信號接收功能

根據(jù)任務需求，等效器需接收其他設(shè)備發(fā)送的開關(guān)控制信號，并模擬開關(guān)進行動作。

4）客戶端功能

等效器具有手動和程控兩種方式，以客戶端（client）的身份接入測試網(wǎng)絡，并按時間順序，以 0.5s為周期將自身的狀態(tài)信息及測量參數(shù)發(fā)送至測試服務器（server）。

2 設(shè)備功能架構(gòu)

根據(jù)設(shè)備的任務和功能需求，基本上確定設(shè)備的架構(gòu)以單片機為控制核心，外加控制類模擬電路完成。單片機主要完成對模擬信號產(chǎn)生的控制、模擬信號的采樣以及網(wǎng)絡通信功能，而外圍模擬電路主要完成信號的調(diào)理、處理，以及按要求模擬開關(guān)動作。為了實現(xiàn)設(shè)備在網(wǎng)絡中的client功能，系統(tǒng)采用單片機實現(xiàn) RS232的對外通信接口，然后通過通用的232-TCP/IP轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)client功能?；镜募軜?gòu)圖，如圖1所示：

圖1 設(shè)備體系架構(gòu)圖

3 單片機核心功能的實現(xiàn)

本設(shè)計方案涉及到繼電器、信號調(diào)理電路、單片機控制等諸多功能，本文重點就單片機在系統(tǒng)中的功能實現(xiàn)作重點介紹。

3.1 模擬量信號A/D采樣功能的實現(xiàn)

負載等效器共有15路模擬信號需要采集，A/D轉(zhuǎn)換采用 dsPIC30F6014A單片機內(nèi)部集成的 10位 A/D實現(xiàn)。dsPIC30F6014A單片機具有16個A/D采樣通道，但為了節(jié)省單片機的I/O資源，采用單片機的第1路模擬采樣通道外加16選1模擬開關(guān)74HC4067實現(xiàn)15路模擬信號的采集功能。通過單片機的4個I/O口控制模擬開關(guān)進行通道選擇。模擬信號采集，如圖2所示：

圖2 模擬信號采集

系統(tǒng)上電后，啟動A/D采集功能，對15路模擬量進行循環(huán)采樣。A/D轉(zhuǎn)換包括初始化配置、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)讀取、處理及數(shù)據(jù)發(fā)送等部分程序。在系統(tǒng)主程序中查詢 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志，判斷 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后調(diào)用數(shù)據(jù)讀取、處理程序，并切換模擬量通道進行下一輪的采樣。如果負載等效器與測試服務器處于連接狀態(tài)并且通信正常，每隔0.5s將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果等參數(shù)上傳到測試服務器。

3.2 有線測量信號模擬功能的實現(xiàn)

衛(wèi)星有線測量信號模擬，顧名思義就是模擬衛(wèi)星送到地面測試系統(tǒng)的電壓信號。有線就是相對無線信號而言的。

在接通供電陣建立母線電壓時，模擬產(chǎn)生+42V、+28V兩個母線電壓和母線電流信號（實際為電壓信號）及A、B組蓄電池的電壓信號。采用單片機檢測供電陣電壓狀態(tài)，在供電陣接通后，單片機通過ULN2803控制電磁繼電器接通模擬量輸出，即輸出有線測量信號。其中母線電壓為 42V和28V，蓄電池電壓為30V，都是采用電阻分壓的方式直接輸出。42V母線電流和28V母線電流采用電阻分壓設(shè)計，共4檔可調(diào)，可以通過設(shè)備面板的分檔旋鈕控制，也可以通過單片機切換雙路模擬開關(guān) CD4052和單刀雙擲電磁繼電器實現(xiàn)。

3.3 TCP/IP通信功能的實現(xiàn)

在衛(wèi)星測試的TCP/IP網(wǎng)絡中，負載等效器以網(wǎng)絡客戶端（client）的身份與測試服務器通信。操作人員在由總控終端發(fā)出地面設(shè)備控制指令至測試服務器，由測試服務器TCP/IP轉(zhuǎn)發(fā)至負載等效器控制器，進行負載等效器的參數(shù)設(shè)置。負載等效器在接收到指令后，譯碼并執(zhí)行指令，并且每隔 0.5s負載等效器控制器將自身的工作狀態(tài)發(fā)送至測試服務器，由測試服務器組播至監(jiān)視終端進行負載等效器工作參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)視。

TCP/IP轉(zhuǎn)換采用專用網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換模塊NETCOM-100IE實現(xiàn)，NETCOM-100IE與單片機之間采用UART接口設(shè)計，NETCOM-100IE與測試服務器采用TCP/IP接口設(shè)計，可以實現(xiàn)UART與TCP/IP的無縫鏈接。通過專用開發(fā)軟件設(shè)置好NETCOM-100IE的232通信速率等信息和TCP/IP的網(wǎng)址及服務器地址，并且使NETCOM-100IE工作于客戶端模式。

負載等效器作為客戶端，工作流程包括：登陸測試服務器、申請數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集與控制以及發(fā)送數(shù)據(jù)。

單片機首先發(fā)送登陸測試服務器請求，在登錄成功后發(fā)送數(shù)據(jù)申請請求，數(shù)據(jù)申請成功后進入正常通信模式。在正常通信模式可以接收測試服務器轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令并上傳狀態(tài)參數(shù)。

3.4 繼電器及狀態(tài)顯示功能的實現(xiàn)

通過電磁繼電器模擬衛(wèi)星上的各種觸點信號。分為程控和手動控制兩種工作方式。

在程控模式通過單片機接收測試服務器的控制指令并譯碼，單片機控制ULN2803驅(qū)動電磁繼電器，繼電器的一付觸點作為觸點信號送到發(fā)控臺，另一付觸點控制前面板的EOA指示燈來指示狀態(tài)信息，同時單片機通過 74HC4067檢測繼電器狀態(tài)，并將狀態(tài)信息上傳測試服務器，測試服務器將狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)視終端顯示。

在手動控制模式，單片機控制ULN2803輸出高阻狀態(tài)，通過前面板的EAO開關(guān)控制繼電器的通斷。

通過磁保持繼電器模擬衛(wèi)星的重要開關(guān)機功能，磁保持繼電器采用ULN2803驅(qū)動。發(fā)控臺控制發(fā)送關(guān)機指令，單片機通過定時器控制I/O引腳輸出80ms的脈沖信號控制磁保持繼電器的接通和斷開，也可以通過前面板的EAO開關(guān)控制。與電磁繼電器一樣，前面板的EAO指示燈指示狀態(tài)信息，同時單片機檢測磁保持繼電器狀態(tài)并通過TCP/IP接口將狀態(tài)信息上傳測試服務器用于狀態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié)論

本設(shè)計以單片機為核心，完成了衛(wèi)星測試工程中衛(wèi)星負載等效器的設(shè)計實現(xiàn)。單片機在設(shè)備中實現(xiàn)了模擬信號的A/D采樣功能、信號控制功能、RS232串口通信功能以及顯示驅(qū)動功能，使衛(wèi)星負載等效器作為測試網(wǎng)絡中的client之一，與衛(wèi)星的其他測試設(shè)備組成有機體，實現(xiàn)了衛(wèi)星測試的信息化和智能化，為后續(xù)衛(wèi)星測試負載等效設(shè)備的設(shè)計提供了參考。

[1]著作：徐瑋 沈建良，單片機快速入門[M]，北京航空航天大學出版社，2008

[2]著作：張宏偉，李德新，單片機應用技術(shù)實訓[M]，北京理工大學出版社，2010.

[3]著作：楊居義，單片機課程設(shè)計指導[M]，清華大學出版社，2009