談曾巧，陸正亮，張 翔

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

立方體衛(wèi)星（CubeSat）始于1999 年美國加州理工大學和斯坦福大學的一項科學研究，斯坦福大學學者提出了立方星的概念，并規(guī)定了一單元立方體衛(wèi)星的質量為1 kg，結構尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，使得立方體衛(wèi)星成為納衛(wèi)星的通用標準，如圖1 所示。隨著機械、電子等行業(yè)向著微型化、集成化方向發(fā)展以及空間任務的多樣化，立方體衛(wèi)星以其研制成本低、研制周期短、功能密度高、部署靈活等特點，逐漸成為國內外航天領域的研究熱點。

圖1 南理工1 號（2 單元立方體衛(wèi)星）

隨著空間技術的逐漸成熟，立方體衛(wèi)星可以實現大范圍軌道機動、編隊控制、交匯抵近、太空抓捕等復雜技術操作，使其廣泛應用通信（如圖2 所示）、遙感（如圖3所示）、環(huán)境監(jiān)測、科學試驗和空間攻防等空間任務中，而這些技術的實現都對衛(wèi)星姿態(tài)控制提出越來越高的要求。姿控計算機是姿態(tài)確定與控制系統（ADCS）中的控制中心，需要完成傳感器數據采集、數據處理、姿態(tài)確定、姿態(tài)控制等多個任務。目前，應用在大衛(wèi)星上的姿控計算機發(fā)展較為成熟，但在小型化的過程中存在著計算能力、控制能力與功耗、成本相互沖突等問題。因而，如何設計一個低成本、低功耗、高性能的姿控計算機成為一個亟需解決的問題。

圖2 SPACE?X 通信星座

圖3 鴿群衛(wèi)星遙感星座

目前，國內的姿控計算機有采用386、DSP、FPGA等芯片進行設計的：386 CPU 的運算速度較低，而且結構和功耗均不理想；DSP 雖然運算速度快，但是存在耦合松散、硬件調試周期長等問題；FPGA 雖然設計靈活，但由于沒有指令系統，所以其控制能力比較弱。相比之下，STM32芯片體積較小，集成度較高，低成本、低電壓、低功耗，有較強的數據處理能力和運算能力，且具有較強的控制能力。因此，本文基于STM32 芯片，設計了低成本、低功耗、高性能、外設接口豐富的適用于立方體衛(wèi)星的姿控計算機。文章首先基于立方體衛(wèi)星對姿控計算機的需求進行分析，進而完成對姿控計算機總體方案的設計；其次，完成姿控計算機各部分的硬件設計；最后，完成姿控計算機的硬件實現和測試。

1 總體方案設計

姿控計算機的功能主要是通過星上多個姿態(tài)敏感器的測量信息確定衛(wèi)星當前姿態(tài)，再根據當前姿態(tài)信息通過姿態(tài)控制算法控制執(zhí)行機構工作實現對衛(wèi)星姿態(tài)的控制。目前，對于立方體衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的姿控系統來說，姿態(tài)確定中姿態(tài)敏感器的主流配置是磁強計、陀螺儀、太陽敏感器和GPS，如果對姿態(tài)確定有高精度需求，還可以加入星敏感器來提高定姿精度；姿態(tài)控制中常用的執(zhí)行機構有磁力矩器和動量輪?；谧丝叵到y的這些配置，本文所設計的姿控計算機總體方案如圖4所示。

圖4 總體方案圖

圖4 中：姿控計算機主要負責衛(wèi)星姿態(tài)的確定及控制；磁強計用來測量衛(wèi)星所在位置的地球磁場，通過IC通信協議與姿控計算機進行數據傳輸，并采用冷備份的方式設計；太陽敏感器用于測量衛(wèi)星表面與太陽光夾角并產生對應的四象限電流，通過采集芯片轉化成IC信號輸入姿控計算機，共需3 路IC；陀螺儀用于測量衛(wèi)星的三軸角速度，通過SPI 與姿控計算機進行數據傳輸；星敏感器通過星圖比對確定衛(wèi)星當前姿態(tài)，通過RS 422與姿控計算機進行數據傳輸；GPS 模塊用于向姿控計算機提供UTC 時間、位置及速度等信息，通過UART與姿控計算機進行數據傳輸；動量輪通過輸出力矩來抵消星上擾動力矩，從而實現衛(wèi)星的姿態(tài)控制，姿控計算機通過1路SPI控制動量輪的驅動芯片來實現對動量輪轉速的控制；磁力矩器主要用于星箭分離后衛(wèi)星的角速度阻尼和三軸穩(wěn)定時對動量輪的卸載，姿控計算機I/O 口輸出PWM 波控制磁力矩器驅動芯片，從而實現對磁力矩器輸出力矩的控制。由于衛(wèi)星姿控系統涉及多個姿態(tài)敏感器，要進行大量、快速的姿態(tài)信息讀取，對數據的傳輸和處理的實時性要求很高，此外還涉及復雜的姿態(tài)確定和控制算法的解算以及執(zhí)行機構的控制。因此，要求姿控計算機具有很高的數據運算能力和控制能力，外設接口具有很快的數據傳輸速度。綜合衛(wèi)星任務需求分析，提出姿控計算機的性能要求：運算速度≥150 MHz，SRAM=2 MB，FLASH=1 MB，質量≤0.5 kg，功耗≤2 W（長期三軸穩(wěn)定）；接口需求主要包括：12 路12 位A/D，2 路12 位D/A，4 路IC，2路SPI，1路RS 422，4路RS 232。

2 姿控計算機硬件設計

2.1 核心微控制器選型

STM32 系列微控制器是由ST（意法半導體）推出的基于ARM Cortex?M為內核的32位微控制器，它支持32位廣泛的應用，文獻[13]利用STM32F1 系列芯片設計了基于光纖陣列的高精度太陽跟蹤系統；文獻[14]基于STM32F4 系列芯片完成了X型四旋翼無人機的設計。STM32F4 系列芯片是基于超低功耗的ARM Cortex?M4內核的高性能微控制器，該系列的STM32F407 工作頻率高達168 MHz，擁有140個快速I/O端口和多達15個標準的通信接口（2個CAN接口，4個USART，2 個UART，3 個IC 接口，3 路SPI，1 個SDIO 接口），可在低電壓下（1.8～3.6 V）工作?；赟TM32F407 的這些資源和特點，滿足姿控計算機對控制器低功耗、高性能以及接口豐富的要求，此外，該芯片的正常工作溫度范圍在-40～+85 ℃，滿足衛(wèi)星上的工作條件。因此，本文選用STM32F407 作為主芯片，加上外圍電路來實現姿控計算機的設計。

2.2 基礎外圍電路設計

2.2.1 時鐘電路

使用CC5V?TIA?32.768 芯片給系統提供32.768 kHz 頻率作為外部時鐘，通過鎖相擴頻和預分頻器可配置兩個AHB 總線，高速APB（APB2，最高頻率可達84 MHz）和低速APB（APB1，最高頻率可達42 MHz）。

2.2.2 供電電路

為了簡化供電電路，在選用傳感器和執(zhí)行器等部件時，盡可能地挑選供電電壓在同一范圍的器件，因此整個姿控系統只需要兩種供電標準：5 V和3.3 V。外部母線供電電壓為7.4 V，因此需要通過轉壓芯片來實現，本文分別使用了ADP3303和LMZ12001 兩個芯片來實現5 V 和3.3 V 的供電。為了輸入輸出穩(wěn)定，不受其他信號干擾，在輸入輸出引腳與地之間串聯了電容。

2.2.3 復位電路

TPS382X 系列監(jiān)控器主要為DSP 和基于處理器的系統提供電路初始化和定時監(jiān)控。該系列器件由內部分壓器設置一個固定的檢測門限電壓，當電源電壓高于門限電壓時，產生復位信號，當電源電壓低于門限電壓時，保持----------RESET 有效。本文選用該系列的TPS3823?3.3芯片，該芯片還包括一個手動復位輸入引腳----MR，---MR 為低電平時激活----------RESET，如圖5 所示。

圖5 復位電路

2.3 姿控部組件接口設計

2.3.1 磁力矩器驅動電路

磁力矩是由通電線圈在磁場中產生的安培力而來，可通過控制線圈中的電流大小來調節(jié)磁力矩的大小。立方體衛(wèi)星上使用驅動芯片輸出電流來驅動磁力矩器，驅動芯片由主芯片STM32F407 的I/O 口輸出PWM 波控制，通過控制PWM 波的占空比可控制輸出電流的大小。磁力矩器工作所需的驅動電流大小在1 A 以下，主芯片I/O 口的輸出電壓范圍是0～3.3 V。因此，本文選用DRV8839 芯片作為磁力矩器的驅動芯片，該芯片可提供高達1.8 A 的電流輸出，具有較強的驅動能力，滿足磁力矩器的驅動需求；工作電壓范圍在1.8～7 V，可由主芯片的I/O 口直接控制。磁力矩器的驅動電路設計如圖6 所示。

圖6 磁力矩器驅動電路

2.3.2 動量輪驅動電路

本文選用的動量輪是福爾哈貝公司的2610012B 型動量輪，該動量輪在12 V 電壓下工作，最大轉速為6 400 V/min，最大轉矩3.1 mN·m，額定轉矩2.85 mN·m，轉速常數為543 min/V，轉速由驅動芯片輸出電壓的大小控制，驅動芯片通過SPI 接收姿控計算機的控制指令并轉換成電壓輸出驅動動量輪。AD5664 是一款低功率、16 位的DACs，工作電壓在2.7～5.5 V，與標準SPI 接口兼容，符合上述要求。

2.3.3 太陽敏感器、磁強計接口電路

太陽敏感器和磁強計都是通過IC 與姿控計算機進行通信的。本文考慮在立方體衛(wèi)星三個面上安裝太陽敏感器，每個面上安裝一個，每個太陽敏感器產生四象限電流，由兩塊電流采集芯片INA3221Q1 采集并轉換成數字信號，通過IC 接口與姿控計算機進行數據交換；磁強計產生的信號通過放大電路和A/D 轉換芯片ADS1115 進行數據轉換后，通過IC 與姿控計算機進行數據交換。主芯片STM32F407 內部集成了3 路IC，不滿足系統需求，且片內集成的IC 不夠穩(wěn)定，因此本文設計利用擴展芯片對片內IC 進行擴展。TCA9544A 是一款四通道雙向轉換IC 多路復用器，最高頻率可達400 kHz，本文利用TCA9544A 將1 路IC 擴展成4 路，供3 個太陽敏感器和磁強計使用。擴展電路如圖7 所示。

圖7 I2C 擴展電路

2.3.4 陀螺儀接口電路

2.3.5 星敏感器接口電路

本文選用的星敏感器是天銀星際（TY?SPACE）的納型星敏感器NST?4，該型星敏感器體積小、質量輕（＜200 g）、功耗低（＜0.6 W）、精度高（5″，3）、具有高動態(tài)性能（2（°）/s）、高抗雜光性能，通信接口是RS 422。主芯片STM32F407 片內沒有集成RS 422 通信接口，因此需要選用轉換芯片將1 路串口轉換成RS 422 電平供星敏感器通信。MAX3488 是用于RS 485 和RS 422 通信的低功率收發(fā)器，工作電壓3.3 V。這款芯片的特點是它的slew?rate 限制驅動器能最大限度地減少電磁干擾和減少由不正確的電纜端引起的反射，允許無錯誤的數據傳輸速率高達250 Kb/s，滿足本文需求。因此，本文選用MAX3488 完成RS 422 的電平轉換。

2.3.6 GPS 接口電路

GPS 模塊是基于STM32F205 設計的，與姿控計算機通過UART 進行通信，STM32F205和主芯片STM32F407都有UART 通信接口，本文使用STM32F205 的USART1（PA9，PA10）和STM32F407 的UART4（PC10，PC11）進行通信。

3 硬件實現與測試

3.1 硬件實現

根據上述的總體設計方案和硬件電路的設計，姿控計算機的最終實物如圖8 所示，與星上其他部組件之間通過PC104 連接，與姿控各部組件的硬件接口通過Molex 連接器連接。姿控計算機的各項性能指標如表1所示，滿足姿控系統對姿控計算機的要求。

圖8 姿控計算機實物圖

表1 主要性能指標

3.2 測試結果與分析

將姿控計算機接入衛(wèi)星總體進行系統測試，如圖9所示。

圖9 測試實物圖

圖中左側部分為姿控系統，包括磁棒板、姿控計算機和磁強計板，動量輪通過轉接板引出；中間部分為電源系統和星務計算機，分別負責星上供電和星上任務管理；右側是通信模塊，負責遙控遙測信息的收發(fā)。測試結果如圖10 所示。

圖10 測試結果顯示

由測試結果可知，姿控系統各敏感器讀數正常，執(zhí)行機構工作正常，姿控計算機工作狀態(tài)良好，滿足設計要求。

4 結語

本文基于STM32F407 芯片設計了立方體衛(wèi)星姿控計算機，主要包括主芯片的一些基礎的外圍電路和姿控計算機與姿控部組件之間的接口設計。設計方案考慮了立方體衛(wèi)星上常用的多種姿態(tài)敏感器和執(zhí)行機構，使之可以適應多種姿控配置模式的要求；主芯片的超強運算能力和控制能力能夠滿足復雜的姿控算法實時性需求以及系統多任務處理能力。經過實際測試應用表明，本方案所設計的姿控計算機具有很強的實用性、可靠性和穩(wěn)定性，低成本、低功耗，可作為立方體衛(wèi)星姿控系統的標準組件。