基于微處理器的載人航天器地面測試設備環(huán)境參數監(jiān)視系統(tǒng)設計

張福生，于 峰，張 歡

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著航天科技的迅速發(fā)展，我國載人航天器類型不斷增多，其規(guī)模和功率呈明顯上升趨勢，與之配套的地面測試設備往往具有功率大、散熱要求高、環(huán)境控制要求高等特點[1-2]。在航天領域，測試技術水平很大程度上決定了型號性能的整體水平[3]，測試結果的定量、定性驗證對設計起到了很大的促進作用，而地面設備穩(wěn)定工作是精確測試開展的前提，因此需要進一步加強對設備環(huán)境參數的有效監(jiān)測。

目前，對于地面設備的溫度、濕度等環(huán)境參數的檢測主要使用通用溫濕度計測量、人工記錄的方式開展。測試點只能設置在視線可及位置，因而不能反映設備內部如功率二極管等關鍵發(fā)熱元器件的真實環(huán)境，不利于設備工作狀態(tài)的趨勢判讀；當發(fā)生極端燒灼現象時只能靠感官去判讀；具有主觀性，且存在著數據記錄實時性差，狀態(tài)記錄時間顆粒度大，無分析預警及閉環(huán)控制的缺點。本文提出了一種基于STC89C5X系列單片機和Arduino單元的遠程環(huán)境參數監(jiān)視系統(tǒng)設計方法[4-5]，該系統(tǒng)能夠對溫度、濕度、煙霧濃度等常用環(huán)境參數進行自動檢測、數據回傳、越限報警，且可以通過GSM消息形式遠程預警[6]，從而實現設備內部關鍵器件環(huán)境的自動、精細監(jiān)視，從環(huán)境參數角度對航天器綜合測試起到有效反饋作用。

1 系統(tǒng)設計

溫濕度等環(huán)境參數具有緩變的特征，對數據處理速度要求不高。系統(tǒng)選用基于單片機的解決方案，在滿足數據處理要求的前提下，可有效縮減系統(tǒng)規(guī)模和開發(fā)周期，并降低成本[7-9]。系統(tǒng)由傳感器單元、單片機處理單元、GSM消息發(fā)送單元、主控計算機、用戶客戶端5個部分組成，可實現8路溫度、濕度、煙霧濃度參數的同步實時監(jiān)測；用戶通過網絡從主控計算機訂閱數據。系統(tǒng)設計框架與各部分的通信關系如圖1所示。

圖1 環(huán)境參數監(jiān)視系統(tǒng)框架圖Fig. 1 Structure of the environmental parameter monitoring system

系統(tǒng)各模塊功能如下：

1）傳感器單元。采集環(huán)境溫度、濕度、煙霧以及越限的報警指示；傳感器端設固定卡，通過15 m電纜與處理單元連接，可根據用戶需求固定在包括設備內部在內的敏感測點[10-11]。

2）單片機處理單元（含網絡模塊）。驅動8路傳感器單元，并接收傳感器單元數據；驅動傳感器單元發(fā)出報警指示提示用戶；將數據通過串口協(xié)議和TCP/IP協(xié)議發(fā)送給主控計算機單元；如果數據越限，則驅動GSM短信發(fā)送單元發(fā)送短信消息。為便于系統(tǒng)調試和在網絡故障狀態(tài)下能夠繼續(xù)進行監(jiān)測，設計了LCD模塊將數據實時顯示在本地LCD1602液晶屏上[12-13]。

3）GSM短信發(fā)送單元。通過參數越限后向用戶發(fā)送短信預警提示實現遠程監(jiān)視，可增加系統(tǒng)的可靠性，使報警信息在無人監(jiān)視的情況下也可通知到用戶。本模塊作為系統(tǒng)可選模塊，能夠在管理允許的情況下配置進系統(tǒng)，實現系統(tǒng)無人監(jiān)視運行。

4）主控計算機單元。接收單片機處理單元（含網絡模塊）的數據，并顯示在主控計算機顯示器上，同時轉發(fā)至用戶客戶端單元，如果數據越限，則進行顏色、聲音報警。

5）用戶客戶端單元。通過TCP/IP協(xié)議訂閱主控計算機單元發(fā)送的數據，并顯示在客戶端計算機的顯示器上，具有曲線監(jiān)視功能——如果數據越限，則進行顏色、聲音報警。

2 功能模塊設計

2.1 傳感器單元

溫濕度傳感器使用AM2302，該傳感器為數字式傳感器，其溫度測量精度為±0.2 ℃、濕度測量精度為±2%。煙霧濃度采集功能采用MQ2傳感器，該傳感器輸出為模擬量，可探測煙霧顆粒物占空氣比重范圍10-5～10-2mg/L。

傳感器單元設計外圍信號調理電路，實現采集信號的初步處理和越限報警。電路設計中使用78L05作為穩(wěn)壓芯片，利用555定時器，分別制作2個記憶電路，用于溫度、濕度與煙霧傳感器的越限報警指示，一旦采集數值越限，將點亮電路中的發(fā)光二極管。選用LM393作電壓比較器，用于判斷煙霧傳感器輸出的模擬電壓是否越限：越限則輸出高電平，否則輸出低電平。

2.2 單片機處理單元

基于單片機處理單元的可靠性與擴展性，同時兼顧傳輸速率與測試網絡的匹配，系統(tǒng)采用51單片機與Arduino單元結合的方式實現數據處理與網絡傳輸[14]。

單片機采集單元的處理器采用STC89C5X系列單片機；液晶顯示采用LCD1602；3塊8路模擬開關芯片采用CD4051芯片，其中1塊用于采集8路溫濕度信息、另1塊用于采集8路煙霧濃度信息、最后1塊為傳輸溫濕度越限報警信號（高電平報警、低電平正常）；A/D信號轉換芯片采用ADC0832，該芯片與采集煙霧濃度信息的CD4051相連接，將煙霧傳感器采集的模擬量轉換為數字量；與計算機串口通信采用MAX232芯片；配8個RJ11接口，分別與CD4051相連接，最多可以外接8個傳感器單元。

STC89C5X系列單片機內部程序共有6個模塊，程序工作流程如圖2所示。

圖2 單片機程序工作流程Fig. 2 Programming process of the micro controller unit

1）LCD模塊

該模塊有LCD初始化函數、LCD寫數據函數、LCD寫命令函數、LCD檢測函數、LCD延時函數、LCD位置顯示函數、正常顯示界面函數、報錯顯示界面函數共8個函數。

2）CD4051模塊

該模塊包含1個函數，用于驅動CD4051芯片，使其可以導通需要選擇的某一路模擬開關。

3）ADC0832模塊

該模塊有ACD0832延時函數和驅動ADC0832工作函數2個函數。

4）ADC2302模塊

該模塊有讀傳感器函數、讀單個字節(jié)函數、顯示溫度函數、顯示濕度函數、串口發(fā)送函數、校驗失敗函數、清空數據函數、傳感器延時函數共8個函數。

5）GSM模塊

該模塊包含1個函數，為AT初始化函數，發(fā)送AT指令控制GSM模塊進行短信發(fā)送。

6）串口輸出模塊

該模塊有串口初始化函數、串口輸出單個函數，串口輸出字符串函數共3個函數。

7）網絡模塊

采用數據傳輸速率高的Arduino開發(fā)板和Arduino庫函數進行開發(fā)，就像是在對一個類似于物理的計算平臺進行相應的連線，所用函數在龐大的資源庫中調用即可[15-16]。網絡模塊程序流程見圖3。

圖3 網絡模塊程序流程Fig. 3 Program process of network module

2.3 GSM信息發(fā)送單元

采用TC35I芯片進行短信的發(fā)送，選擇主板型號為GTM900C的GSM短信發(fā)送模塊，通過RS232串行接口與單片機處理單元連接。

2.4 主控計算機單元

主控計算機可使用地面測試系統(tǒng)中的普通PC機實現，配置串口和2塊以上網卡。主控軟件界面如圖4所示，可對傳感器測量結果進行實時顯示，并顯示網絡、串口通信信息。

圖4 上位機軟件主界面Fig. 4 Host software control panel

主控計算機單元軟件采用Visual Studio MFC開發(fā)，工作流程如圖5所示，其主要功能如下：

1）主界面功能：包括串口數據接收、停止選擇，網絡數據接收、停止選擇，網絡設置選擇，數據的顯示。2）串口接收功能：接收單片機處理單元通過串口發(fā)送的信息。該功能使用開源的CSerialPort實現。3）網絡接收功能：使用SOCKET接收網絡中的數據，由異步SOCKET編程實現。4）網絡發(fā)送功能：使用SOCKET向網絡中發(fā)送數據，由異步SOCKET編程實現。5）配置文件讀取功能：讀取配置文件，為網絡發(fā)送與接收功能提供默認信息；配置文件采用XML文件形式，使用TinyXml進行XML文件解析。6）日志生成功能：將接收到的溫度、濕度、煙霧濃度信息存入日志中，以供查看。該功能采用CFile類實現。7）數據處理功能：將接收到的數據解碼處理，當數據越限時發(fā)出報警顯示提示用戶，同時具有報警解除功能。

2.5 用戶客戶端

用戶客戶端單元軟件同樣采用Visual Studio MFC開發(fā)，具有網絡接收、顯示、日志生成、數據處理、讀取配置文件等功能，設計方法同主控軟件。程序讀取配置文件，接收采集數據，然后經處理生成日志，并用于生成測試曲線進行趨勢判讀?？蛻舳塑浖缑嫒鐖D6所示，用戶通過連接主控機進行傳感器數據訂閱及實時觀測。

圖6 客戶端單元軟件界面Fig. 6 Client software control panel

3 系統(tǒng)指標與測試

溫濕度和煙霧濃度的測量精度以及傳感器響應時間如表1所示。

表1 環(huán)境參數監(jiān)視系統(tǒng)工作指標Table 1 Specifications of environmental parameter monitoring system

為驗證系統(tǒng)性能，分別開展了溫度、濕度、煙霧濃度監(jiān)視與報警試驗。試驗初始環(huán)境溫度為21.7 ℃，相對濕度32.1%，煙霧含量為0 mg/L；分別設置各參數報警閾值為30.0 ℃、75.0%RH、10-3mg/L。試驗結果表明，當傳感器靠近激勵源后，系統(tǒng)采集與數據回傳正常，濕度和煙感實施激勵后立即觸發(fā)報警，溫度參數經過一段溫升過程后成功觸發(fā)報警，并分別完成短消息發(fā)送。

4 結束語

針對載人航天器地面測試設備環(huán)境參數監(jiān)視要求，基于STC89C5X系列單片機和Arduino單元，提出了一種小型化的遠程參數監(jiān)視系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)可以實現溫度、濕度、煙霧濃度的同步實時監(jiān)測，可以對設備內部敏感測點進行監(jiān)測，具有測點分布靈活、數據連續(xù)可追溯、系統(tǒng)體積小、性價比高的特點。

這種基于單片機的遠程環(huán)境參數監(jiān)視系統(tǒng)具有良好的移植性，系統(tǒng)支持標準模擬量及數字量傳感器接入，支持TCP/IP設備接入，具備多路采集功能。不僅可用于地面設備環(huán)境測試與集成，也可以擴展至對航天器不同設備所處環(huán)境的溫濕度測量。無線傳輸模塊為后續(xù)推動自動化測試和測試模式的轉型進行了技術積累，便于在機房等噪聲干擾較大的環(huán)境或人力難以到達的檢測點進行遠程監(jiān)視與反饋，對降低人力要求和提高測試自動化程度有很大作用。

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