一種基于cRIO架構(gòu)的便攜式衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備

李 玲，劉思言，邢思瑞，刁國影，鮑大志，陳 悅，劉博婷

(長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林 長春 130000)

0 引 言

對衛(wèi)星狀態(tài)進行采集與監(jiān)測的設(shè)備在國內(nèi)早有研發(fā)，2015年，上海衛(wèi)星工程研究所開發(fā)了一種基于PXI架構(gòu)的大中型衛(wèi)星通用發(fā)射控制臺，采用PXI信號采集與控制工控機實現(xiàn)實時測試，包括模塊化信號調(diào)理機箱、大功率供電執(zhí)行器機箱和脫落分離電源模塊，系統(tǒng)體積比較龐大.隨著衛(wèi)星批量化生產(chǎn)，對于設(shè)備的測試效率、操作性、便攜性等的要求越來越高，為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，方便測試人員開展測試，完成了基于cRIO架構(gòu)的便攜式衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)，該設(shè)備體積小，能夠脫離上位機獨立運行，減少了對人員的依賴程度，與人力測試相比大大節(jié)省了測試時間.

1 cRIO架構(gòu)介紹

CompactRIO(cRIO)是美國國家儀器(NI)公司生產(chǎn)的一款可重新配置的嵌入式測控平臺[1，2]，運行NI Linux RealTime操作系統(tǒng)，集成可編程硬件邏輯(FPGA)和可重配置的I/O模塊，同時支持I/O模塊的熱插拔，具有工業(yè)級的隔離設(shè)計.cRIO嵌入式機箱提供了SDHC插槽和各種連接端口[3]，包括2個千兆以太網(wǎng)、2個USB主機、1個USB設(shè)備和2個串行端口，能夠通過接插件實現(xiàn)物理連接，且具有很寬的工作溫度范圍[4].嵌入式系統(tǒng)環(huán)境支持Labview編程，利用虛擬軟件可以輕松實現(xiàn)人機交互，快速完成數(shù)據(jù)的采集及控制，同時體積小，操作方便，能夠節(jié)省測試時間，降低開發(fā)成本[5].由于cRIO具有的諸多優(yōu)點，早有將cRIO應(yīng)用到測試采集的各個領(lǐng)域，王志偉等提出的基于cRIO嵌入式系統(tǒng)的捷聯(lián)慣性測量組合通用快速自動化測試系統(tǒng)，能夠自動完成位置標(biāo)定、速率標(biāo)定等慣性測試任務(wù)[6]；顧樹偉等設(shè)計了一種基于cRIO平臺的軌道車輛運輸中狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，可對公路運輸中軌道車輛的電機振動、運輸卡車的速度及行駛道路的路面質(zhì)量等參數(shù)進行關(guān)聯(lián)性監(jiān)測[7]；高國強提出了一種基于 NI cRIO嵌入式與Labview融合的采煤機故障預(yù)警系統(tǒng)，確保設(shè)備在交付客戶前及檢修時，能夠?qū)Σ擅簷C的各項故障進行有效診斷[8].

2 總體測試架構(gòu)

總體測試系統(tǒng)由1臺筆記本電腦，1臺服務(wù)器監(jiān)視終端，1個網(wǎng)絡(luò)交換機、1臺衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備以及被測對象衛(wèi)星脫插和星表信號組成，如圖1 所示.

圖1 衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the test system for satellite shedding socket monitoring equipment

筆記本電腦通過網(wǎng)口與衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備連接，完成衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備軟件的實現(xiàn)，監(jiān)視終端通過交換機實現(xiàn)與衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時接收以及指令交互響應(yīng).衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備通過物理接口與被測衛(wèi)星信號連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)處理實現(xiàn)對衛(wèi)星狀態(tài)的判讀，對衛(wèi)星狀態(tài)進行實時顯示及監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)信息采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式發(fā)送到監(jiān)視終端，并接收監(jiān)測終端的指令，根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行，控制星上部分狀態(tài).此外，筆記本電腦運行的脫插監(jiān)測設(shè)備軟件可以脫離上位機部署到衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備中，實現(xiàn)軟件的獨立采集監(jiān)測.

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括內(nèi)部處理器、用戶可編程FPGA高性能功能控制器機箱和工業(yè)級I/O模塊3個部分組成.衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備通過I/O模塊實現(xiàn)對衛(wèi)星狀態(tài)的采集，在處理器中完成對信號的分析處理.系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)勢在于NI提供的cRIO嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺可靠[9，10]，硬件無需設(shè)計，可通過接插件直接連接，提高了開發(fā)的效率；多種工業(yè)級I/O模塊可實現(xiàn)不同信號功能的需求；多種外圍接口電路適合系統(tǒng)集成[11].本文設(shè)計的衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備控制器機箱選用NI公司的cRIO-9038-01A46F61型號的機箱，具有1.33 GHz 雙核Intel Atom處理器、8 GB非易失性存儲，Xilinx Kintex-7 160T FPGA可實現(xiàn)高速控制、在線處理和自定義定時和觸發(fā)，2個千兆以太網(wǎng)，2個USB高速主機，1個USB設(shè)備和2個串行端口連接選項，具有嵌入式Web和文件服務(wù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶遠(yuǎn)程連接.硬件示意圖如圖2 所示.

圖2 脫插監(jiān)測設(shè)備硬件示意連接圖Fig.2 Ematic connection diagram of the hardware of the shedding socket monitoring equipment

脫插信號采集處理器需與衛(wèi)星脫插和自動化測試系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備連接.脫插信號采集處理器需采集衛(wèi)星的脫插信號和星表插座信號，對星上主要狀態(tài)進行監(jiān)視，并在自動化測試系統(tǒng)的控制下，向衛(wèi)星發(fā)送一些OC直接指令；同時，脫插信號采集處理器通過LAN接口與自動化測試系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備相連，采用網(wǎng)絡(luò)通信，將采集到的星上狀態(tài)發(fā)送給自動化測試系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備，并接收自動化測試系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的指令，根據(jù)指令內(nèi)容向星上發(fā)送相應(yīng)的OC直接指令.

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

脫插監(jiān)測設(shè)備的軟件主要包括cRIO數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交互以及指令執(zhí)行.軟件程序最初運行在筆記本電腦中，在調(diào)試過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示及狀態(tài)監(jiān)測.

cRIO的開發(fā)模式包括掃描模式與FPGA模式，運用I/O掃描模式可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將編寫好的程序部署到RT機箱中即可，該模式可支持的最大掃描速率為 1 kHz；FPGA模式能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集(大于1 kHz)，數(shù)據(jù)吞吐率大，訪問靈活[10]，主要由于FPGA的特定數(shù)字化功能可以支持高達40 MHz的計數(shù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖信號脈寬的準(zhǔn)確測量.本文設(shè)計的衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備采用掃描模式與FPGA模型并行.

2.2.1 掃描模式

掃描模式主要實現(xiàn)衛(wèi)星脫插及星表上所有模擬量的采集、衛(wèi)星指令的接收判讀及指令的執(zhí)行，并將采集到的的數(shù)據(jù)按照一定的格式組幀通過UDP通信上傳給服務(wù)器，以完成衛(wèi)星狀態(tài)的實時監(jiān)測.本系統(tǒng)中采用的掃描模式的軟件流程圖如圖3 所示.

圖3 掃描模式下的軟件流程圖Fig.3 Software flow chart in scan mode

步驟如下：①衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備啟動，開始采集衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)；②檢測是否有來自監(jiān)測終端的指令；③如有指令，判斷指令是否正確，如果正確，控制衛(wèi)星執(zhí)行指令內(nèi)容并完成應(yīng)答；④如果沒有指令，進行狀態(tài)判讀，將采集到的衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)按照協(xié)議組成數(shù)據(jù)幀傳送給監(jiān)測終端.圖4 和圖5 為掃描模式下的部分程序框圖.

圖4 數(shù)據(jù)采集部分程序Fig.4 Part of the data acquisition program

圖5 指令接收及執(zhí)行部分程序Fig.5 Part of the command receiving and executing program

數(shù)據(jù)采集部分利用NI9229模擬量采集卡及NI9401數(shù)字量采集卡實現(xiàn)信號的采集，同時將采集的信號根據(jù)設(shè)定的閾值進行狀態(tài)判讀，按照衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式組成完整數(shù)據(jù)幀發(fā)送給衛(wèi)星服務(wù)器，實現(xiàn)衛(wèi)星狀態(tài)的實時狀態(tài)監(jiān)測.

指令的完成及執(zhí)行部分利用NI9482板卡實現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星發(fā)送指令給衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備時，首先判讀指令的正確性，若正確，則判讀并選擇特定端口完成指令的響應(yīng)，同時返回應(yīng)答幀給服務(wù)器端；若不正確，則返回指令錯誤應(yīng)答給服務(wù)器端.

2.2.2 FPGA模式

FPGA模式主要解決當(dāng)衛(wèi)星服務(wù)器沒有響應(yīng)時，對衛(wèi)星進行緊急斷電的功能，防止衛(wèi)星出現(xiàn)燒壞、失控等重大問題.此時需要一個緊急斷電開關(guān)實現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生，通過FPGA下位機程序準(zhǔn)確讀取開關(guān)的脈沖寬度來判讀是否需要進行斷電.利用FPGA對脈沖沿計數(shù)的準(zhǔn)確性，保存數(shù)據(jù)至控制器，上位機通過調(diào)用讀取FPGA 比特流實現(xiàn)數(shù)據(jù)的判讀，通過繼電器脈沖開關(guān)實現(xiàn)衛(wèi)星的緊急斷電.采用FPGA模式下位機程序軟件流程圖如圖6 所示.

圖6 FPGA下位機軟件流程圖Fig.6 FPGA lower computer software flow chart

步驟如下：

① 首先判斷緊急斷電開關(guān)是否按下，如果按下，啟動計數(shù)器開始計數(shù)，記錄脈寬；

② 判斷緊急斷電開關(guān)是否松開，如果松開，利用計數(shù)器計算產(chǎn)生的脈寬寬度；

③ 判斷產(chǎn)生的脈寬寬度是否大于設(shè)定的需要斷開關(guān)的閾值；

④ 如果大于閾值，賦值狀態(tài)量為T，否則賦值F.

圖7 為FPGA下位機部分程序框圖.

圖7 FPGA下位機程序Fig.7 FPGA lower computer program

利用NI9435板卡完成緊急斷電開關(guān)的狀態(tài)脈沖采集，通過判讀采集到的脈沖寬度判讀是否需要衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備執(zhí)行衛(wèi)星緊急斷電，如通過狀態(tài)判讀，需要衛(wèi)星完成狀態(tài)判讀，通過賦予狀態(tài)值完成標(biāo)記作用；脫插監(jiān)測設(shè)備上位機根據(jù)讀取的狀態(tài)值控制4通道繼電器開關(guān)板卡完成對衛(wèi)星的緊急斷電，從而實現(xiàn)在衛(wèi)星失控的狀態(tài)下起到保護的作用.

采用FPGA模式上位機程序軟件流程圖如圖8 所示.

圖8 FPGA模式上位機軟件流程圖Fig.8 FPGA host computer software flow chart

步驟如下：①首先讀取狀態(tài)值；②判斷狀態(tài)值是T還是F；③如果狀態(tài)值為T，控制衛(wèi)星執(zhí)行緊急掉電；④如果狀態(tài)值為F，則繼續(xù)判讀.

圖9 為FPGA上位機部分程序框圖.

圖9 FPGA上位機程序Fig.9 FPGA host computer program

上位機程序通過讀取FPGA狀態(tài)值判斷是否需要完成緊急斷電，如需要斷電，則通過控制4通道繼電器開關(guān)板卡產(chǎn)生脈沖發(fā)送至星上，從而實現(xiàn)衛(wèi)星的緊急斷電功能.

2.3 系統(tǒng)具體實施方式

對衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備的具體實施方式結(jié)合圖10 做進一步的說明.

圖10 衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備具體連接結(jié)構(gòu)圖Fig.10 The specific connection structure diagram of the satellite shedding socket monitoring equipment

設(shè)備通電后，cRIO控制器通過兩塊4通道模擬輸入模塊實時采集衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將采集的衛(wèi)星脫插與星表插座信號的數(shù)據(jù)在cRIO控制器中處理并以100 ms/次的速率按照一定的協(xié)議格式將數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀，通過UDP網(wǎng)絡(luò)上傳給服務(wù)器監(jiān)測終端，同時，cRIO控制器實時檢測是否有來自服務(wù)器監(jiān)測終端發(fā)送的指令，當(dāng)衛(wèi)星根據(jù)實際需求需要實現(xiàn)指令響應(yīng)功能時，由監(jiān)測終端向脫插監(jiān)測設(shè)備發(fā)送指令，cRIO控制器控制執(zhí)行模塊4通道繼電器輸出模塊執(zhí)行指令，cRIO控制器執(zhí)行指令的同時，返回一個應(yīng)答幀給服務(wù)器監(jiān)測終端，告知服務(wù)器監(jiān)測終端指令已執(zhí)行.此外，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)緊急狀況或衛(wèi)星服務(wù)器監(jiān)測終端出現(xiàn)故障無法工作時，可手動按動衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備的緊急斷電開關(guān)，此時4通道通用漏極/源極數(shù)字輸入模塊完成緊急斷電開關(guān)的脈沖讀取，進而通過上位機給衛(wèi)星緊急斷電，該方法既方便又迅速，可保障衛(wèi)星的安全性，避免損失.通過服務(wù)器監(jiān)測終端可以直觀地看到完整的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容包括脫插信號和星表插座信號的狀態(tài)，可實現(xiàn)對衛(wèi)星脫插信號和星表插座信號的采集與監(jiān)測功能；編寫好的軟件還可以部署到機箱里，脫離上位機獨立運行，掉電不丟失，減少測試過程中對測試人員的依賴度，提高了測試效率.

3 實驗結(jié)果

系統(tǒng)基本測試主要分為兩個階段，第一階段利用外接測試源測試驗證，第二階段連接衛(wèi)星得到最終實驗結(jié)果，完成設(shè)備的可靠性驗證.

3.1 外接信號源測試結(jié)果

外接測試源主要完成模擬量采集、指令幀、應(yīng)答幀的測試.測試儀器為PXI機箱、PC機、Keysight示波器、萬用表.測試設(shè)備連接關(guān)系如圖11 所示.

圖11 衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備測試設(shè)備連接關(guān)系示意圖Fig.11 Schematic diagram of the connection relationship of the test equipment of the satellite shedding socket monitoring equipment

脫插監(jiān)測設(shè)備與PC機之間通過LAN接口進行數(shù)據(jù)的傳遞，PXI 4305輸出卡為脫插監(jiān)測設(shè)備提供4路模擬電壓，脫插監(jiān)測設(shè)備對以上信號進行監(jiān)測與采集，通過LAN網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機.同時脫插監(jiān)測設(shè)備接收PC機發(fā)送的指令并做出相應(yīng)應(yīng)答.

3.1.1 模擬量采集測試

圖12 和圖13 為測試中連入脫插設(shè)備的模擬電壓示波器抓取圖，信號源是由PXI 4305提供的4路模擬電壓信號.

圖12 PXI提供的4 V模擬電壓Fig.12 4 V analog voltage provided by PXI

圖13 PXI提供的5 V模擬電壓Fig.13 5 V analog voltage provided by PXI

通過判斷脫插監(jiān)測設(shè)備采集到的模擬量大小與設(shè)備供應(yīng)的大小是否相等完成模擬量采集的測試.為了證明本文的脫插監(jiān)測設(shè)備在電壓測試下的準(zhǔn)確性，本實驗進行4.51 V和5 V電壓各100次.表1 為隨機選取的10組實驗數(shù)據(jù).

表1 模擬量采集測試Tab.1 Analog quantity acquisition test

從表1 的實驗數(shù)據(jù)中可以得出，本文的脫插監(jiān)測設(shè)備在4路模擬電壓實驗中實測結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的總體誤差在0.2%左右.在100次實驗數(shù)據(jù)中，電壓的誤差穩(wěn)定在0.015 V左右，完全符合脫插檢測設(shè)備對于監(jiān)測電壓準(zhǔn)確性的要求.

3.1.2 指令幀測試

使用UDP串口發(fā)送指令幀及查看應(yīng)答結(jié)果，分別發(fā)送以下4條指令1 000次：

1) 電源下位機主開備關(guān)指令編號：EB90 017C.

2) 電源下位機備開主關(guān)指令編號：EB90 027D.

3) 蓄電池A放電開關(guān)斷指令編號：EB90 0580.

4) 蓄電池B放電開關(guān)斷指令編號：EB90 0681.

查看以上指令的各1 000次應(yīng)答數(shù)據(jù)，通過判斷脫插監(jiān)測設(shè)備UDP指令接收與應(yīng)答是否滿足協(xié)議要求完成測試.測試結(jié)果如表2 所示.

表2 指令幀測試結(jié)果Tab.2 Test result of command frame

在開關(guān)指令的接收與檢測中，對指令幀處理的準(zhǔn)確性關(guān)系到整個衛(wèi)星的穩(wěn)定性，為了保證脫插設(shè)備接收和應(yīng)答能夠符合衛(wèi)星高質(zhì)量的要求，對每一個指令都進行了1 000次的實驗.在本文的脫插監(jiān)測設(shè)備中，實測結(jié)果與預(yù)期結(jié)果完全一致，可以保證指令的正確執(zhí)行，從而實現(xiàn)衛(wèi)星狀態(tài)的可控.

3.2 衛(wèi)星實物連接實驗結(jié)果

經(jīng)過外接測試源測試，確定不存在燒毀設(shè)備的危險，連接衛(wèi)星脫落插座及星表插座信號，與測試人員開展衛(wèi)星上電連試，完成設(shè)備的最后可靠性驗證.

實驗結(jié)果表明：采集的衛(wèi)星母線電壓、負(fù)載電流、蓄電池電壓、放電開關(guān)狀態(tài)等模擬量與衛(wèi)星遙測值基本吻合；接收衛(wèi)星指令正常，執(zhí)行無誤且應(yīng)答正確；緊急斷電開關(guān)執(zhí)行可給衛(wèi)星斷電；狀態(tài)解析處理正確；可清晰地看到采集到的每一幀數(shù)據(jù)，可根據(jù)用戶需要截取，驗證了整個鏈路的完整性.圖14 為衛(wèi)星連試測試時的監(jiān)測界面.

圖14 衛(wèi)星脫插監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測界面Fig.14 Monitoring interface of satellite shedding socket monitoring equipment

4 結(jié) 論

多次試驗證明該設(shè)備可靠性好、穩(wěn)定度高，已成功應(yīng)用到吉林一號衛(wèi)星的衛(wèi)星研制測試過程中，脫插監(jiān)測設(shè)備體積是以往龐大的PXI測試設(shè)備的四十分之一，便于攜帶，同時可脫離上位機獨立運行，大大解放了人力.目前存在的問題是隨著研發(fā)衛(wèi)星數(shù)目越來越多，設(shè)備的需求量越來越大，接下來會繼續(xù)研究如何能節(jié)省更多的資源，實現(xiàn)設(shè)備的復(fù)用.