通用化、高可靠性航天器供配電測(cè)試設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

溫星曦,殷聰如,桑尚銘,張 顯,周 楠

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100094)

0 引言

隨著航天型號(hào)任務(wù)越來(lái)越多，型號(hào)并行測(cè)試現(xiàn)象成為常態(tài)，對(duì)地面測(cè)試設(shè)備的研制周期、通用性、可靠性提出了新的更高要求。供配電分系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備更是如此，供配電地面測(cè)試設(shè)備為航天器各階段電性能綜合測(cè)試提供設(shè)備支持，為整器測(cè)試提供能源通路。同時(shí)也為其它分系統(tǒng)(測(cè)控、控制等)提供信號(hào)通道，完成地面供電配電通路控制、有線指令發(fā)送、有線參數(shù)采集等任務(wù)，其重要性不言而喻[1-2]。早期的供配電測(cè)試設(shè)備功能單一，專用性強(qiáng)，一個(gè)機(jī)箱可能只有某種特定功能；通用性差，針對(duì)不同的型號(hào)，需要設(shè)計(jì)不同的硬件電路，很難迅速構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)[3]；可維修性與互換性程度較低，不能方便地在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更換維修，針對(duì)這些問(wèn)題，本文給出了一種通用的，配置靈活、可靠性高的供配電測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

設(shè)備采用機(jī)箱-板卡式架構(gòu)，如圖1所示。設(shè)備中的母板、嵌入式計(jì)算機(jī)和前面板都與機(jī)箱集成在一起，形成通用化的母體機(jī)箱。該架構(gòu)中各功能子板通過(guò)CPCI連接器

圖1 整體架構(gòu)圖

接入母板上的總線，用于實(shí)現(xiàn)具體功能。根據(jù)不同的需求進(jìn)行自由組合，一個(gè)機(jī)箱最多可以插接1塊電源板和7塊功能子板，功能子板可方便地進(jìn)行互換，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通用化。

硬件采用嵌入式計(jì)算機(jī)—STM32—FPGA結(jié)合的方式，如圖2所示。嵌入式計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)行前端軟件，與用戶進(jìn)行交互；STM32位于母板上，負(fù)責(zé)處理嵌入式計(jì)算機(jī)的消息，并管理各個(gè)功能模塊的地址；每個(gè)模塊賦予一個(gè)硬件地址，并使用FPGA管理板卡上的各條通路[1]。

2 系統(tǒng)通用化設(shè)計(jì)

2.1 硬件通用化

考慮各型號(hào)對(duì)供配電測(cè)試系統(tǒng)的典型需求以及后續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，加強(qiáng)設(shè)備的通用性和互換性，進(jìn)行了深入分析與歸納[2-3]，將功能子板分為以下幾類：配電模塊，包含集中供電和分陣供電；指令模塊，包括脈沖指令、電平指令；測(cè)量模塊，包括狀態(tài)量測(cè)量、模擬量測(cè)量、時(shí)間測(cè)量；電源模塊。各功能子板的結(jié)構(gòu)和尺寸統(tǒng)一[4]、對(duì)母板接口統(tǒng)一、數(shù)字部分統(tǒng)一，可任意插接至機(jī)箱中的任意位置。尺寸為360 mm×144.45 mm，與母板連接端為兩個(gè)CPCI-J1連接器，尾端為對(duì)外連接器接口和板卡助拔器，如圖3所示。

圖3 子板結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 配電模塊

用來(lái)實(shí)現(xiàn)功率通路的通斷控制功能，并對(duì)通路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)提供電源功率通路的遠(yuǎn)端采樣功能。功率通路的導(dǎo)通與斷開(kāi)采用磁保持繼電器控制，用戶通過(guò)前端計(jì)算機(jī)控制進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器；繼電器的通斷狀態(tài)信號(hào)反饋至FPGA，并在前端軟件上予以顯示[5-6]。

配電子板設(shè)計(jì)原理如圖4所示。主控芯片F(xiàn)PGA輸出電平信號(hào)，通過(guò)UNL2803用以控制繼電器的通斷。當(dāng)繼電器接通后，主觸點(diǎn)以及輔助觸點(diǎn)會(huì)同時(shí)閉合。此時(shí)，主觸點(diǎn)為功率通路，輔助觸點(diǎn)通過(guò)3.3 V信號(hào)電壓發(fā)送至FPGA，用于檢測(cè)繼電器的通斷狀態(tài)。

圖4 配電板卡原理示意圖

2.1.2 指令模塊

指令模塊主要提供對(duì)航天器控制指令信號(hào)的發(fā)送功能，如分系統(tǒng)加斷電控制、放電開(kāi)關(guān)控制等。指令模塊根據(jù)脈沖與電平信號(hào)的區(qū)別，設(shè)計(jì)兩種型號(hào)，分別為脈沖指令子板和電平指令子板，分別提供脈沖雙線輸出控制通路和磁保持雙線輸出控制通路。具體控制原理與配電模塊類似，不再重復(fù)[7]。

2.1.3 測(cè)量模塊

1)狀態(tài)量測(cè)量：針對(duì)有源狀態(tài)量和無(wú)源狀態(tài)量?jī)煞N原理，其測(cè)量方法本質(zhì)上相同，僅5 V電源供給方式不同，本方案設(shè)計(jì)了一種通用的電路，可通過(guò)跳線進(jìn)行手動(dòng)切換，如圖5所示。圖中A、B、C、D為跳線端子，當(dāng)連接AB和CD端子時(shí)，5 V電壓由地面端提供，當(dāng)連接BC端子時(shí)，地面5 V斷開(kāi)，電源由航天器提供，由此可實(shí)現(xiàn)有源無(wú)源狀態(tài)量測(cè)量的兼容。后端都為進(jìn)入光耦， FPGA檢測(cè)光耦是否導(dǎo)通，進(jìn)而給出結(jié)果。

圖5 有源無(wú)源狀態(tài)量兼容電路示意圖

2)模擬量測(cè)量：主要用來(lái)測(cè)量航天器下行模擬量數(shù)據(jù)，為了保證星地隔離以及通路之間的隔離，采用隔離運(yùn)放進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)。航天器下行模擬量經(jīng)過(guò)分壓電阻后，進(jìn)入隔離運(yùn)放，然后在進(jìn)入AD進(jìn)行采集。如圖6所示，這里為了保證通用化設(shè)計(jì)適應(yīng)不同的輸入電壓，分壓電阻通過(guò)繼電器切換，以及后級(jí)信號(hào)調(diào)理電路放大系數(shù)也為程控可設(shè)，保證了采集精度以及電壓輸入范圍的靈活切換。

圖6 模擬量測(cè)量示意圖

3)時(shí)間測(cè)量：時(shí)間測(cè)量板卡實(shí)現(xiàn)航天器下行信號(hào)的采集、邏輯判斷及時(shí)間記錄功能，最終轉(zhuǎn)換成接通、斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)及其動(dòng)作時(shí)間。測(cè)時(shí)信號(hào)到達(dá)后，先經(jīng)過(guò)電阻分壓，得到5 V以內(nèi)的電壓值，在與DA產(chǎn)生的參考電平做比較，觸發(fā)后的信號(hào)送FPGA進(jìn)行計(jì)時(shí)。原理如圖7所示。

圖7 測(cè)時(shí)信號(hào)測(cè)量示意圖

DA輸出為0～5 V可調(diào)，根據(jù)DA輸出，比較被測(cè)信號(hào)與DA輸出參考電平的高低，可實(shí)現(xiàn)0～30 V內(nèi)的任意電平觸發(fā)。由于信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜網(wǎng)傳輸后，存在一定干擾。這里設(shè)計(jì)了濾波算法，將干擾信號(hào)濾掉，保證采集到準(zhǔn)確的觸發(fā)時(shí)間。

2.1.4 電源模塊

電源子板屬于本套設(shè)備的供電模塊，為各個(gè)功能子板提供所需要的電源，功能如圖8所示，輸入為220 V市電，輸出通過(guò)CPCI連接器供給至母板，輸出包括28 IV、28 VII、12 V、5 V I、5 V II、3.3 V等電源，其中除12 V和3.3 V為數(shù)字系統(tǒng)供電需共地外，其它路電源均相互隔離。

圖8 功能示意圖

2.2 軟件通用化設(shè)計(jì)

為了保證軟件的通用性與靈活性，開(kāi)發(fā)出通過(guò)更改配置文件即可以實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)或重構(gòu)的地面供配電測(cè)試設(shè)備應(yīng)用程序，與硬件配合實(shí)現(xiàn)供配電地面測(cè)試設(shè)備在同類型號(hào)或不同類型號(hào)之間的延用或重用，而不需要軟件開(kāi)發(fā)人員在編譯環(huán)境重新修改代碼[8]。

軟件設(shè)計(jì)也采用了模塊化、可配置思想。每種功能板卡對(duì)應(yīng)一個(gè)功能模塊，根據(jù)實(shí)際需求可以任意配置需要使用的模塊[9]。如圖9所示，在設(shè)備使用過(guò)程中，母板主控芯片根據(jù)前端軟件的指令，尋找相應(yīng)地址的功能模塊并對(duì)其FPGA發(fā)送指令。反之，各功能模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)由FPGA發(fā)送至母板主控芯片，再由主控芯片轉(zhuǎn)發(fā)給前端軟件。

圖9 軟件關(guān)系圖

所有的配置文件均通過(guò)程序界面來(lái)生成，采用交互式對(duì)話框來(lái)錄入所有配置信息。所有配置文件采用加密的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，保證使用者只能通過(guò)程序修改配置信息，無(wú)法手動(dòng)修改配置，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

軟件的主要功能包括：網(wǎng)絡(luò)通信模塊；指令生成模塊；測(cè)量解析模塊；參數(shù)配置模塊；日志記錄模塊；MTP遙控模塊。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊：供配電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備軟件使用TCP協(xié)議和嵌入式下位機(jī)以及MTP進(jìn)行通信。

指令生成模塊：指令生成模塊根據(jù)調(diào)用，將指令通過(guò)配置文件生成符合嵌入式協(xié)議的數(shù)據(jù)包，然后傳遞給網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

測(cè)量解析模塊：將嵌入式程序發(fā)送來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)包根據(jù)測(cè)量通道的配置文件解析為符合任務(wù)要求的測(cè)量值。

日志記錄模塊：日志主要包括數(shù)據(jù)傳輸日志、繼電器壽命、自身工作狀態(tài)的記錄。這些數(shù)據(jù)記錄在Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中，每次開(kāi)機(jī)便會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新與存儲(chǔ)。

MTP遙控模塊：主要包括遙控指令執(zhí)行和測(cè)量數(shù)據(jù)更新。

參數(shù)配置模塊：參數(shù)配置模塊主要包括程序的配置，指令的配置，測(cè)量值的配置，所有配置文件通過(guò)程序配置界面進(jìn)行編輯修改。而該模塊也是實(shí)現(xiàn)靈活性的重要手段之一。具體功能如下：

程序配置通過(guò)XML來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶通過(guò)編輯XML來(lái)完成程序運(yùn)行的各種設(shè)置包括網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)配置、數(shù)據(jù)庫(kù)IP配置、界面顯示配置等配置。

指令配置通過(guò)Access的方式實(shí)現(xiàn)，用戶通過(guò)修改Access配置文件對(duì)繼電器開(kāi)關(guān)所在板卡、地址和名稱、通道號(hào)等信息進(jìn)行修改。

測(cè)量值配置，用戶通過(guò)修改Access配置文件對(duì)測(cè)量所在板卡、通道號(hào)和解析使用的公式、地址和名稱等信息進(jìn)行配置。

顯示配置參數(shù)，采用Access中表的方式進(jìn)行配置，主要配置程序所包含的界面、數(shù)量、界面名稱和界面所顯示的內(nèi)容。每個(gè)表代表一個(gè)窗口，和每個(gè)通道所在板卡無(wú)關(guān)，只和指令配置項(xiàng)所在表有關(guān)。

配置方法非常簡(jiǎn)單便捷，如圖10中舉例所示，只需要將表名和界面上的按鈕名稱對(duì)應(yīng)即可，按鈕名稱也是通過(guò)表“主按鈕”配置的，這就意味著更換板卡或者改變板卡功能只需要通過(guò)改變配置即可。對(duì)于單張配置表，表中的功能為同一類型，表中的行數(shù)受限制，軟件會(huì)分頁(yè)顯示該類型對(duì)應(yīng)的表格的定義。比如配置指令模塊，可以根據(jù)實(shí)際型號(hào)需求配置通道號(hào)，指令脈寬、指令名稱、是否檢測(cè)指令發(fā)出狀態(tài)等。這樣，針對(duì)被測(cè)型號(hào)的不同需求，用戶只需配置軟件對(duì)應(yīng)關(guān)系，調(diào)整功能板卡的組合即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的通用化，無(wú)需更改電路設(shè)計(jì)，極大提高了測(cè)試靈活性與通用性。

圖10 配置界面圖

3 可靠性提升措施

供配電地面測(cè)試設(shè)備是衛(wèi)星測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，完成對(duì)衛(wèi)星的供電、有線指令發(fā)送、狀態(tài)信號(hào)采集等功能。其穩(wěn)定實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量與控制是型號(hào)任務(wù)準(zhǔn)確、安全、可靠的保障[10]。

為了提升設(shè)備的可靠性，測(cè)試系統(tǒng)中采取了以下一系列措施：加入設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析處理，預(yù)測(cè)設(shè)備自身的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)估功能、故障預(yù)處理功能。如針對(duì)直接影響整個(gè)型號(hào)供電可靠性的關(guān)鍵器件—大功率繼電器，加入了對(duì)該類繼電器閉合狀態(tài)、使用次數(shù)、導(dǎo)通電阻等參數(shù)的監(jiān)測(cè)與報(bào)警，降低該類器件發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題的頻率；針對(duì)設(shè)備內(nèi)部容易發(fā)熱部位加入了溫度檢測(cè)與風(fēng)扇調(diào)節(jié)功能，防止因溫度過(guò)熱造成器件失效；加入設(shè)備自身各個(gè)模塊工作電壓、電流等參數(shù)的采集分析功能，通過(guò)這些測(cè)試數(shù)據(jù)可以預(yù)估設(shè)備的健康狀態(tài)及工作情況；加入故障預(yù)處理功能，如針對(duì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外擁堵，造成測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤丟幀等情況，測(cè)試系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包進(jìn)行拼接、拋棄等處理，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的完整性準(zhǔn)確性，以此提高設(shè)備的可靠性、可維修性、保障性。

另外，針對(duì)航天器信號(hào)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的雜波干擾造成誤采集觸發(fā)等現(xiàn)象，除了在電路設(shè)計(jì)增加濾波電路外，在采集算法上也進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)。如回收測(cè)時(shí)濾波算法：濾波算法默認(rèn)設(shè)置為240階低通數(shù)字濾波器，每0.655 36 ms作為每一階濾波的周期，連續(xù)采集240個(gè)周期數(shù)據(jù)，判斷如果有超過(guò)225個(gè)周期為高，則認(rèn)為正常觸發(fā)信號(hào)到來(lái)，記錄第一次出現(xiàn)高電平的時(shí)刻為觸發(fā)時(shí)間。考慮到在正常信號(hào)觸發(fā)時(shí)可能會(huì)隨機(jī)疊加負(fù)脈沖干擾，如圖11所示的情況，所以沒(méi)有將判斷高電平次數(shù)設(shè)置為240次。這樣可有效避免干擾信號(hào)對(duì)電路造成的誤觸發(fā)現(xiàn)象。同時(shí)增加了該模塊濾波脈寬可設(shè)功能，提高了不同干擾環(huán)境下的適應(yīng)性。

圖11 濾波算法示意圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)硬件功能模塊化、軟件功能配置化設(shè)計(jì)，形成功能統(tǒng)一、接口統(tǒng)一的測(cè)試設(shè)備。根據(jù)不同型號(hào)對(duì)地面供配電測(cè)試設(shè)備不同功能的要求，首先通過(guò)在通用的機(jī)箱插入不同的功能板卡進(jìn)行功能組合，快速將硬件系統(tǒng)搭建起來(lái)，其次通過(guò)上位機(jī)軟件根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活配置，實(shí)現(xiàn)特定的功能，最后根據(jù)不同航天器接口定義，制作不同的轉(zhuǎn)接電纜，實(shí)現(xiàn)供配電設(shè)備的通用化。具體轉(zhuǎn)接電纜和背板連接如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)接電纜和背板連接圖

4.2 結(jié)果分析

軟件操作界面與配置文件操作界面分別如圖13、14所示，由圖可以看出，每種功能板卡對(duì)應(yīng)一個(gè)操作界面與一個(gè)配置文件，方便操作人員使用與重新配置。

圖13 軟件界面示意圖

圖14 軟件配置表界面

使用該通用化設(shè)計(jì)后，單機(jī)配套數(shù)量減少為傳統(tǒng)方案的三分之一，研制費(fèi)用與傳統(tǒng)方案大大降低，設(shè)備功能和性能完全可以覆蓋后續(xù)項(xiàng)目的測(cè)試需求，綜合費(fèi)效比明顯優(yōu)越。經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品研制和系統(tǒng)測(cè)試與型號(hào)使用，能夠滿足航天器從綜合試驗(yàn)到靶場(chǎng)測(cè)試發(fā)射的全生命周期測(cè)試需求，功能擴(kuò)展靈活，通用性、可靠性有較大提高，已在兩個(gè)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品共用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模塊化的功能子板，靈活配置的軟件，轉(zhuǎn)接電纜的互相配合以及設(shè)備自身可靠性的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了通用化，配置靈活的高可靠性供配電測(cè)試設(shè)備。優(yōu)化了地面供配電測(cè)試設(shè)備的研制流程，減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性勞動(dòng)，大大提高了研制效率，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的人力成本和時(shí)間成本，延長(zhǎng)了測(cè)試系統(tǒng)的生命周期。目前已在多個(gè)型號(hào)中成功應(yīng)用，其可靠性、靈活性、通用性得到了驗(yàn)證。