基于CAN總線的衛(wèi)星電源地面測試系統(tǒng)

孫金懿,葉衛(wèi)東(.上海第二工業(yè)大學(xué)教務(wù)處,上海009;.上海第二工業(yè)大學(xué),高等職業(yè)技術(shù)(國際)學(xué)院,上海009)

基于CAN總線的衛(wèi)星電源地面測試系統(tǒng)

孫金懿1,葉衛(wèi)東2
(1.上海第二工業(yè)大學(xué)教務(wù)處,上海201209;2.上海第二工業(yè)大學(xué),高等職業(yè)技術(shù)(國際)學(xué)院,上海201209)

摘要:隨著衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展,對衛(wèi)星電源系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性和可靠性,尤其對瞬間抗干擾能力等性能提出了愈來愈高的要求,因此衛(wèi)星電源系統(tǒng)的測試和評估是一項重要的工作。提出了一種基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)總線的衛(wèi)星電源地面測試系統(tǒng)設(shè)計方案,該測試系統(tǒng)既可對衛(wèi)星電源系統(tǒng)性能進(jìn)行精確測試,并能滿足不同型號衛(wèi)星電源系統(tǒng)的測試要求。系統(tǒng)利用上位機通過CAN總線與地面電源系統(tǒng)進(jìn)行通信,可實現(xiàn)對地面電源系統(tǒng)的多路工程參數(shù)遙測量的實時采樣、對電源系統(tǒng)發(fā)送遙控指令測試。還可通過A/D通信端口實現(xiàn)對均衡功能的測試、工程參數(shù)的報警、數(shù)據(jù)各類報表的輸出打印、歷史數(shù)據(jù)的顯示和數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。

關(guān)鍵詞:CAN總線;衛(wèi)星電源;地面測試系統(tǒng)

0　引言

衛(wèi)星電源系統(tǒng)對于飛船、衛(wèi)星等航天設(shè)備來說,就如人體心臟,它為航天設(shè)備提供連續(xù)的能量[1]。如今,航空航天事業(yè)的騰飛速度超乎人們的想象,電源系統(tǒng)對航天器至關(guān)重要,要求也越來越高,供電功率也在逐步提高[2]。衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星上的主要系統(tǒng)之一,它的主要功能是產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)節(jié)和分配衛(wèi)星上的電能[3],為衛(wèi)星各個分系統(tǒng)的設(shè)備供給安全可靠的能源,是衛(wèi)星系統(tǒng)中一個必不可少的保障系統(tǒng)[4]。在衛(wèi)星技術(shù)迅猛發(fā)展的如今,人們對衛(wèi)星星上電源的輸出穩(wěn)定性、可靠性,特別是對瞬間抗干擾能力提出了更高的要求[5],這完全是由于星上負(fù)載的工作狀態(tài)、工作模式的復(fù)雜性所形成的,因此,對衛(wèi)星電源系統(tǒng)進(jìn)行測試和評估是一項重要的工作[6]。為了精確測試衛(wèi)星電源系統(tǒng)性能,并能滿足不同型號衛(wèi)星電源系統(tǒng)的測試要求,需要建立一套功能全、性能好、自動化程度高、可擴展性強的通用性的地面電源測試系統(tǒng)[7]。

本文主要設(shè)計基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)總線的衛(wèi)星電源地面測試系統(tǒng),通過CAN總線來采集衛(wèi)星電源的工程參數(shù)和遙控指令,并實時監(jiān)控、測試以及遙控指令的發(fā)送和控制。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控并采集電源分系統(tǒng)55路工程參數(shù),可在任意時間選擇若干路遙控指令發(fā)送給電源分系統(tǒng);針對150路模擬信號實時監(jiān)控并完成錯誤報警與顯示;根據(jù)用戶需求打印所有采集得到的模擬信號數(shù)據(jù);收集系統(tǒng)采集的150路模擬信號的歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)并予以顯示;自行對選定的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和維護(hù)。

1　衛(wèi)星電源地面測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

衛(wèi)星電源地面測試系統(tǒng)在進(jìn)行測試前,首先要利用各種地面設(shè)備搭建一套地面電源系統(tǒng),用于模擬電源在衛(wèi)星上的工作環(huán)境,如蓄電池的充電和放電等狀態(tài)。在地面電源系統(tǒng)搭建完成后,測試系統(tǒng)基于CAN總線的多主方式的串行通信實時控制能力強[8]和控制分布廣[9]等優(yōu)點與地面電源系統(tǒng)進(jìn)行通信,采集遙測參數(shù)和發(fā)送遙控指令,系統(tǒng)還利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號從而使系統(tǒng)實時監(jiān)測均衡電壓,測試系統(tǒng)還可輸出各類報表,使用戶對數(shù)據(jù)的匯總、存儲及分析變得更加方便。圖1所示即為系統(tǒng)框圖。

圖1　系統(tǒng)框圖Fig.1　System diagram

2　衛(wèi)星電源地面測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1系統(tǒng)軟件的主要功能

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的主要任務(wù)為:通過CAN總線采集一次電源工程參數(shù);對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行顯示打印;發(fā)送遙控指令、允許系數(shù)設(shè)定、報警、曲線顯示;通過A/D通信端口,完成對均衡功能的測試。具體功能描述如下:

(1)實現(xiàn)對一次電源55路工程參數(shù)的采集,全部為0～5 V的模擬信號,5 V電壓的采集精度為(5±0.025)V、采樣速率為1s/次;

(2)實現(xiàn)對參數(shù)的實時顯示、實時打印;

(3)實現(xiàn)對一次電源發(fā)送30路遙控指令;

(4)實現(xiàn)工程參數(shù)K系數(shù)設(shè)定、狀態(tài)區(qū)間判讀及參數(shù)偏差報警、曲線顯示等功能;

(5)實現(xiàn)對30路均衡功能的測試(14路單體電壓、16路均衡電流);

(6)開發(fā)演示系統(tǒng)平臺,綜合完成工程參數(shù)顯示、指令發(fā)送、電源和負(fù)載控制,實現(xiàn)一次電源產(chǎn)品總體演示功能。

2.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

圖2　系統(tǒng)功能模塊Fig.2　System modules

系統(tǒng)功能包含了7個模塊,分別是系統(tǒng)設(shè)置平臺、實時監(jiān)控平臺、遙控輸出平臺、報警數(shù)據(jù)平臺、歷史數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)備份平臺、數(shù)據(jù)維護(hù)平臺,如圖2所示。

遙控輸出平臺顯示所有的可控制電路,并可自定義發(fā)送遙控指令;實時監(jiān)控平臺以顯示數(shù)據(jù)與狀態(tài)圖標(biāo)的方式對多路模擬信號實時監(jiān)控;報警數(shù)據(jù)平臺顯示每一路模擬信號的實時與歷史報警信號;歷史數(shù)據(jù)平臺可提供歷史數(shù)據(jù)的查詢與顯示;數(shù)據(jù)備份與維護(hù)平臺可對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份與維護(hù)。

系統(tǒng)對遙測信號的采集,要求能夠依據(jù)用戶設(shè)定的采樣頻率實現(xiàn)對0～5 V的電壓模擬信號的采集。對遙控指令的發(fā)送,要求能夠依據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的或?qū)嶋H運行的邊界條件,實現(xiàn)指定格式的指令的發(fā)送。對采集數(shù)據(jù)的按指定形式的實時顯示和定時打印,初步確定顯示形式為3種,分別為表格顯示、曲線顯示和電拓?fù)鋱D顯示,并可按用戶設(shè)定好的打印周期自動打印采集數(shù)據(jù)。對采集數(shù)據(jù)狀態(tài)的判讀和報警顯示:對采集數(shù)據(jù)的狀態(tài)進(jìn)行判讀,當(dāng)超過預(yù)期的范圍時,數(shù)據(jù)顯紅提示用戶。在沒有外部模擬設(shè)備的狀態(tài)下,借助軟件模擬系統(tǒng),完成對相關(guān)操作人員的培訓(xùn)和系統(tǒng)演示。

2.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

對于數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的模型分析,根據(jù)用戶需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象,形成一個獨立于具體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。主要采用實體-聯(lián)系模型的方法來研究和分析其主要的屬性和模型,然后將其轉(zhuǎn)換為已選好的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的一組關(guān)系模式并為其選取一個適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu),包括存儲結(jié)構(gòu)和存取方法。實體-聯(lián)系方法簡稱為E-R(Entity-Relationship)方法,它是描述現(xiàn)實世界概念結(jié)構(gòu)模型的有效方法,是表示概念模型的一種方式,如圖3所示。其中:讀入信號序號、讀取信號值、讀取的時間等實體屬性用橢圓形表示;遙測參數(shù)和遙控指令等實體名用矩形表示;接受數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)在實體間有所聯(lián)系用菱形表示,實體間的聯(lián)系可以是一對一、一對多或者是多對多的方式。

圖3　E-R圖Fig.3　E-R diagram

2.4系統(tǒng)測試實例

系統(tǒng)測試是把數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中實時監(jiān)控平臺、遙控輸出平臺、報警數(shù)據(jù)平臺等7大平臺融合成一個整體系統(tǒng)來進(jìn)行測試。此系統(tǒng)運用了“強力測試”,以驗證軟件的性能在各種極端的環(huán)境和系統(tǒng)條件下是否還能正常工作和承受能力,比如,在最普通的硬盤驅(qū)動空間或系統(tǒng)記憶容量條件下,程序不間斷地運行幾周時間后不會出現(xiàn)崩潰或死機現(xiàn)象,并且采集數(shù)據(jù)不出現(xiàn)延遲或丟失現(xiàn)象。

(1)系統(tǒng)主界面,主要是系統(tǒng)參數(shù)初始化、各設(shè)備的連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫狀態(tài)等基礎(chǔ)狀態(tài)的顯示,系統(tǒng)主界面如圖4所示。

(2)遙控指令發(fā)送界面,對30路信號端口的狀態(tài)和遙測指令進(jìn)行選擇與發(fā)送,遙控指令發(fā)送界面如圖5所示。

(3)實時監(jiān)控界面,系統(tǒng)實時監(jiān)控過程中能將采集到的數(shù)據(jù)以表格和曲線圖2種形式顯示,遙測參數(shù)顯示界面如圖6所示。

圖4　系統(tǒng)主界面Fig.4　Main interface

圖5　遙控指令發(fā)送Fig.5　Send remote commands

圖6　實時監(jiān)控曲線Fig.6　Real-timemonitoring of the curve

3　結(jié)語

本文設(shè)計了基于CAN總線的衛(wèi)星電源地面測試系統(tǒng),可以有效地對衛(wèi)星電源系統(tǒng)進(jìn)行性能參數(shù)測試。建立了一套功能全、性能好、自動化程度高、擴展性強、具有一定通用性的地面電源測試系統(tǒng),經(jīng)過用戶測試使用,該系統(tǒng)功能合理、運行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn):

[1]MA S J.Satellite pow er technology[M].Beijing:China Astronautics Publishing House,2001.

[2]褚桂柏.宇航技術(shù)概論[M].北京:航空工業(yè)出版社, 1996.

[3]侯聰玲,吳捷,李金鵬,等.蓄電池充電方法的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2004(02):118-121.

[4]王建華.航天器一次電源控制技術(shù)研究[C]//中國宇航學(xué)會空間能源專業(yè)委員會第9屆學(xué)術(shù)年會論文集.上海:宇航出版社,2005:63-72.

[5]FUJIWARAM,SANO T,SUZUKIK,etal.Thermalanalysis and fundamental tests on heat pipe receiver for solar dynam ic space power system[C]//Intersociety Energy Conversion Engineering Conference.NJ,USA:American Society ofMechanical Engineers,1988:195-200.

[6]閆蕾,王宇.衛(wèi)星電源測試評估系統(tǒng)的初步研究[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報,2005,22(1):100-105.

[7]王殉,鞏巍,王海鵬,等.微小衛(wèi)星電源分系統(tǒng)設(shè)計[C]//中國宇航學(xué)會空間能源專業(yè)委員會第9屆學(xué)術(shù)年會論文集.上海:宇航出版社,2005:29-35.

[8]杜培明.CAN總線在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(22):50-51.

[9]邱愛兵,陳三寶.CAN總線技術(shù)在變電站綜合自動化系統(tǒng)的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2005(11):69-71.

中圖分類號:TH7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-4543(2015)01-0051-05

收稿日期:2014-06-25

通訊作者:孫金懿(1986–),男,上海人,助理工程師,學(xué)士,主要研究方向為設(shè)備的監(jiān)控與測試。電子郵箱sunjinyi@sspu.edu.cn。

Satellite Power Ground Testing System Based on CAN Bus

SUN Jin-yi1,YEWei-dong2
(1.Academ ic A ffairsOffice,ShanghaiSecond Polytechnic University,Shanghai201209,P.R.China;2.Collegeof InternationalVocational Education,ShanghaiSecond Polytechnic University,Shanghai201209,P.R.China)

Abstract:With the rapid developmentof satellite technology,the satellite power system outputstability and reliability of performance, especially themomentanti-interferenceability raisehigherand higher requirements,so the testand evaluation of satellite powersystem is an importantwork.A design scheme of satellite power testsystem based on CAN(Controller Area Network)bus is presented,the testing system can accurately teston the performance of satellite power system,and canmeet the test requirements of different types of satellite power system.System uses PC(Personal Com puter)to communicate through the CAN bus and the ground power supply system,and can realize the real-timesampling,teston thepower system remote control instructionmulti-parameter remotemeasurement for ground power system.Italso can be realized on thebalance function test through the A/D communication port,alarm,data output, all kindsof statementsof historical data display and datamaintenance function engineering parameters.

Keywords:CAN bus;satellite power;ground testsystem