溫星曦,殷聰如,桑尚銘,張 顯,周 楠

(北京東方計量測試研究所，北京 100094)

0 引言

隨著航天型號任務(wù)越來越多，型號并行測試現(xiàn)象成為常態(tài)，對地面測試設(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)測試設(shè)備更是如此，供配電地面測試設(shè)備為航天器各階段電性能綜合測試提供設(shè)備支持，為整器測試提供能源通路。同時也為其它分系統(tǒng)(測控、控制等)提供信號通道，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]。早期的供配電測試設(shè)備功能單一，專用性強，一個機箱可能只有某種特定功能；通用性差，針對不同的型號，需要設(shè)計不同的硬件電路，很難迅速構(gòu)建測試系統(tǒng)[3]；可維修性與互換性程度較低，不能方便地在測試現(xiàn)場進行更換維修，針對這些問題，本文給出了一種通用的，配置靈活、可靠性高的供配電測試設(shè)備設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

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

圖1 整體架構(gòu)圖

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

硬件采用嵌入式計算機—STM32—FPGA結(jié)合的方式，如圖2所示。嵌入式計算機負責(zé)運行前端軟件，與用戶進行交互；STM32位于母板上，負責(zé)處理嵌入式計算機的消息，并管理各個功能模塊的地址；每個模塊賦予一個硬件地址，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

2.1 硬件通用化

考慮各型號對供配電測試系統(tǒng)的典型需求以及后續(xù)發(fā)展的趨勢，加強設(shè)備的通用性和互換性，進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；測量模塊，包括狀態(tài)量測量、模擬量測量、時間測量；電源模塊。各功能子板的結(jié)構(gòu)和尺寸統(tǒng)一[4]、對母板接口統(tǒng)一、數(shù)字部分統(tǒng)一，可任意插接至機箱中的任意位置。尺寸為360 mm×144.45 mm，與母板連接端為兩個CPCI-J1連接器，尾端為對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

用來實現(xiàn)功率通路的通斷控制功能，并對通路狀態(tài)進行監(jiān)測。同時提供電源功率通路的遠端采樣功能。功率通路的導(dǎo)通與斷開采用磁保持繼電器控制，用戶通過前端計算機控制進而驅(qū)動繼電器；繼電器的通斷狀態(tài)信號反饋至FPGA，并在前端軟件上予以顯示[5-6]。

配電子板設(shè)計原理如圖4所示。主控芯片F(xiàn)PGA輸出電平信號，通過UNL2803用以控制繼電器的通斷。當(dāng)繼電器接通后，主觸點以及輔助觸點會同時閉合。此時，主觸點為功率通路，輔助觸點通過3.3 V信號電壓發(fā)送至FPGA，用于檢測繼電器的通斷狀態(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航天器控制指令信號的發(fā)送功能，如分系統(tǒng)加斷電控制、放電開關(guān)控制等。指令模塊根據(jù)脈沖與電平信號的區(qū)別，設(shè)計兩種型號，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 測量模塊

1)狀態(tài)量測量：針對有源狀態(tài)量和無源狀態(tài)量兩種原理，其測量方法本質(zhì)上相同，僅5 V電源供給方式不同，本方案設(shè)計了一種通用的電路，可通過跳線進行手動切換，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，5 V電壓由地面端提供，當(dāng)連接BC端子時，地面5 V斷開，電源由航天器提供，由此可實現(xiàn)有源無源狀態(tài)量測量的兼容。后端都為進入光耦， FPGA檢測光耦是否導(dǎo)通，進而給出結(jié)果。

圖5 有源無源狀態(tài)量兼容電路示意圖

2)模擬量測量：主要用來測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，采用隔離運放進行隔離設(shè)計。航天器下行模擬量經(jīng)過分壓電阻后，進入隔離運放，然后在進入AD進行采集。如圖6所示，這里為了保證通用化設(shè)計適應(yīng)不同的輸入電壓，分壓電阻通過繼電器切換，以及后級信號調(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 模擬量測量示意圖

3)時間測量：時間測量板卡實現(xiàn)航天器下行信號的采集、邏輯判斷及時間記錄功能，最終轉(zhuǎn)換成接通、斷開的開關(guān)狀態(tài)信號及其動作時間。測時信號到達后，先經(jīng)過電阻分壓，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)后的信號送FPGA進行計時。原理如圖7所示。

圖7 測時信號測量示意圖

DA輸出為0～5 V可調(diào)，根據(jù)DA輸出，比較被測信號與DA輸出參考電平的高低，可實現(xiàn)0～30 V內(nèi)的任意電平觸發(fā)。由于信號經(jīng)過電纜網(wǎng)傳輸后，存在一定干擾。這里設(shè)計了濾波算法，將干擾信號濾掉，保證采集到準確的觸發(fā)時間。

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

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

軟件設(shè)計也采用了模塊化、可配置思想。每種功能板卡對應(yīng)一個功能模塊，根據(jù)實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程序界面來生成，采用交互式對話框來錄入所有配置信息。所有配置文件采用加密的方式進行存儲，保證使用者只能通過程序修改配置信息，無法手動修改配置，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：供配電測試系統(tǒng)設(shè)備軟件使用TCP協(xié)議和嵌入式下位機以及MTP進行通信。

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。

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

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)庫中，每次開機便會進行實時更新與存儲。

MTP遙控模塊：主要包括遙控指令執(zhí)行和測量數(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，測量值的配置，所有配置文件通過程序配置界面進行編輯修改。而該模塊也是實現(xiàn)靈活性的重要手段之一。具體功能如下：

程序配置通過XML來實現(xiàn)，用戶通過編輯XML來完成程序運行的各種設(shè)置包括網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)配置、數(shù)據(jù)庫IP配置、界面顯示配置等配置。

指令配置通過Access的方式實現(xiàn)，用戶通過修改Access配置文件對繼電器開關(guān)所在板卡、地址和名稱、通道號等信息進行修改。

測量值配置，用戶通過修改Access配置文件對測量所在板卡、通道號和解析使用的公式、地址和名稱等信息進行配置。

顯示配置參數(shù)，采用Access中表的方式進行配置，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。每個表代表一個窗口，和每個通道所在板卡無關(guān)，只和指令配置項所在表有關(guān)。

配置方法非常簡單便捷，如圖10中舉例所示，只需要將表名和界面上的按鈕名稱對應(yīng)即可，按鈕名稱也是通過表“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改變配置即可。對于單張配置表，表中的功能為同一類型，表中的行數(shù)受限制，軟件會分頁顯示該類型對應(yīng)的表格的定義。比如配置指令模塊，可以根據(jù)實際型號需求配置通道號，指令脈寬、指令名稱、是否檢測指令發(fā)出狀態(tài)等。這樣，針對被測型號的不同需求，用戶只需配置軟件對應(yīng)關(guān)系，調(diào)整功能板卡的組合即可實現(xiàn)整個設(shè)備的通用化，無需更改電路設(shè)計，極大提高了測試靈活性與通用性。

圖10 配置界面圖

3 可靠性提升措施

供配電地面測試設(shè)備是衛(wèi)星測試系統(tǒng)的重要組成部分，完成對衛(wèi)星的供電、有線指令發(fā)送、狀態(tài)信號采集等功能。其穩(wěn)定實時準確的測量與控制是型號任務(wù)準確、安全、可靠的保障[10]。

為了提升設(shè)備的可靠性，測試系統(tǒng)中采取了以下一系列措施：加入設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測功能，并對測試數(shù)據(jù)進行存儲與分析處理，預(yù)測設(shè)備自身的健康狀態(tài)，實現(xiàn)壽命預(yù)估功能、故障預(yù)處理功能。如針對直接影響整個型號供電可靠性的關(guān)鍵器件—大功率繼電器，加入了對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)測與報警，降低該類器件發(fā)生質(zhì)量問題的頻率；針對設(shè)備內(nèi)部容易發(fā)熱部位加入了溫度檢測與風(fēng)扇調(diào)節(jié)功能，防止因溫度過熱造成器件失效；加入設(shè)備自身各個模塊工作電壓、電流等參數(shù)的采集分析功能，通過這些測試數(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，如針對測試網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外擁堵，造成測試數(shù)據(jù)傳輸錯誤丟幀等情況，測試系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)，對錯誤數(shù)據(jù)包進行拼接、拋棄等處理，保證測試數(shù)據(jù)的完整性準確性，以此提高設(shè)備的可靠性、可維修性、保障性。

另外，針對航天器信號傳輸過程中出現(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)計增加濾波電路外，在采集算法上也進行了可靠性設(shè)計。如回收測時濾波算法：濾波算法默認設(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個周期數(shù)據(jù)，判斷如果有超過225個周期為高，則認為正常觸發(fā)信號到來，記錄第一次出現(xiàn)高電平的時刻為觸發(fā)時間?？紤]到在正常信號觸發(fā)時可能會隨機疊加負脈沖干擾，如圖11所示的情況，所以沒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對電路造成的誤觸發(fā)現(xiàn)象。同時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)實現(xiàn)與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

通過硬件功能模塊化、軟件功能配置化設(shè)計，形成功能統(tǒng)一、接口統(tǒng)一的測試設(shè)備。根據(jù)不同型號對地面供配電測試設(shè)備不同功能的要求，首先通過在通用的機箱插入不同的功能板卡進行功能組合，快速將硬件系統(tǒng)搭建起來，其次通過上位機軟件根據(jù)實際需求進行靈活配置，實現(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，每種功能板卡對應(yīng)一個操作界面與一個配置文件，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)計后，單機配套數(shù)量減少為傳統(tǒng)方案的三分之一，研制費用與傳統(tǒng)方案大大降低，設(shè)備功能和性能完全可以覆蓋后續(xù)項目的測試需求，綜合費效比明顯優(yōu)越。經(jīng)實際產(chǎn)品研制和系統(tǒng)測試與型號使用，能夠滿足航天器從綜合試驗到靶場測試發(fā)射的全生命周期測試需求，功能擴展靈活，通用性、可靠性有較大提高，已在兩個項目中實現(xiàn)產(chǎn)品共用，經(jīng)濟效益明顯。

5 結(jié)束語

通過模塊化的功能子板，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，實現(xiàn)了通用化，配置靈活的高可靠性供配電測試設(shè)備。優(yōu)化了地面供配電測試設(shè)備的研制流程，減少設(shè)計人員的重復(fù)性勞動，大大提高了研制效率，降低了系統(tǒng)開發(fā)的人力成本和時間成本，延長了測試系統(tǒng)的生命周期。目前已在多個型號中成功應(yīng)用，其可靠性、靈活性、通用性得到了驗證。