單片機在衛星等效器設計中的應用

楊 勇，孫 奎

0 引言

衛星負載等效器是用于衛星地面綜合測試的專用設備，主要用于地面有線測試網絡狀態變動后，衛星加電前，對地面有線測試網絡與星上接口的部分功能進行檢查，同時對用于衛星的有線測試設備進行間接檢查，確保有線測試設備各項功能正常。衛星負載等效器就是用于等效衛星負載的設備，從外面看上去，其功能和衛星的部分有線測試功能一致，其在衛星的各個測試階段都有著廣泛的應用。本文就如何應用單片機作為衛星負載等效的核心控制部件實現衛星等效功能進行論述，最終實現衛星的各項等效功能。

1 設備需實現的功能

由于衛星負載等效是用來等效衛星的，也就是說在真實的衛星未具備狀態時，該等效器要以衛星的身份參加測試網絡的檢查工作，因此，該設備需要具備與衛星相同功能和性能的有線測試接口。根據測試網絡的需求，衛星負載等效器需要具備以下功能。

1）信號模擬功能

根據任務需求，負載等效器需要模擬輸出電壓信號、通斷狀態信號。

2）信號采集及顯示功能

根據任務需求，需要對模擬量信號進行 A/D采集，并在顯示裝置上進行顯示，根據任務總需求，需要采集和顯示的信號全部為電壓信號。部分電流信號通過信號轉換，最終以電壓信號的形式輸出供采集。

3）信號接收功能

根據任務需求，等效器需接收其他設備發送的開關控制信號，并模擬開關進行動作。

4）客戶端功能

等效器具有手動和程控兩種方式，以客戶端（client）的身份接入測試網絡，并按時間順序，以 0.5s為周期將自身的狀態信息及測量參數發送至測試服務器（server）。

2 設備功能架構

根據設備的任務和功能需求，基本上確定設備的架構以單片機為控制核心，外加控制類模擬電路完成。單片機主要完成對模擬信號產生的控制、模擬信號的采樣以及網絡通信功能，而外圍模擬電路主要完成信號的調理、處理，以及按要求模擬開關動作。為了實現設備在網絡中的client功能，系統采用單片機實現 RS232的對外通信接口，然后通過通用的232-TCP/IP轉換裝置實現client功能。基本的架構圖，如圖1所示：

圖1 設備體系架構圖

3 單片機核心功能的實現

本設計方案涉及到繼電器、信號調理電路、單片機控制等諸多功能，本文重點就單片機在系統中的功能實現作重點介紹。

3.1 模擬量信號A/D采樣功能的實現

負載等效器共有15路模擬信號需要采集，A/D轉換采用 dsPIC30F6014A單片機內部集成的 10位 A/D實現。dsPIC30F6014A單片機具有16個A/D采樣通道，但為了節省單片機的I/O資源，采用單片機的第1路模擬采樣通道外加16選1模擬開關74HC4067實現15路模擬信號的采集功能。通過單片機的4個I/O口控制模擬開關進行通道選擇。模擬信號采集，如圖2所示：

圖2 模擬信號采集

系統上電后，啟動A/D采集功能，對15路模擬量進行循環采樣。A/D轉換包括初始化配置、狀態查詢、數據讀取、處理及數據發送等部分程序。在系統主程序中查詢 A/D轉換結束標志，判斷 A/D轉換結束后調用數據讀取、處理程序，并切換模擬量通道進行下一輪的采樣。如果負載等效器與測試服務器處于連接狀態并且通信正常，每隔0.5s將A/D轉換結果等參數上傳到測試服務器。

3.2 有線測量信號模擬功能的實現

衛星有線測量信號模擬，顧名思義就是模擬衛星送到地面測試系統的電壓信號。有線就是相對無線信號而言的。

在接通供電陣建立母線電壓時，模擬產生+42V、+28V兩個母線電壓和母線電流信號（實際為電壓信號）及A、B組蓄電池的電壓信號。采用單片機檢測供電陣電壓狀態，在供電陣接通后，單片機通過ULN2803控制電磁繼電器接通模擬量輸出，即輸出有線測量信號。其中母線電壓為 42V和28V，蓄電池電壓為30V，都是采用電阻分壓的方式直接輸出。42V母線電流和28V母線電流采用電阻分壓設計，共4檔可調，可以通過設備面板的分檔旋鈕控制，也可以通過單片機切換雙路模擬開關 CD4052和單刀雙擲電磁繼電器實現。

3.3 TCP/IP通信功能的實現

在衛星測試的TCP/IP網絡中，負載等效器以網絡客戶端（client）的身份與測試服務器通信。操作人員在由總控終端發出地面設備控制指令至測試服務器，由測試服務器TCP/IP轉發至負載等效器控制器，進行負載等效器的參數設置。負載等效器在接收到指令后，譯碼并執行指令，并且每隔 0.5s負載等效器控制器將自身的工作狀態發送至測試服務器，由測試服務器組播至監視終端進行負載等效器工作參數和狀態監視。

TCP/IP轉換采用專用網絡轉換模塊NETCOM-100IE實現，NETCOM-100IE與單片機之間采用UART接口設計，NETCOM-100IE與測試服務器采用TCP/IP接口設計，可以實現UART與TCP/IP的無縫鏈接。通過專用開發軟件設置好NETCOM-100IE的232通信速率等信息和TCP/IP的網址及服務器地址，并且使NETCOM-100IE工作于客戶端模式。

負載等效器作為客戶端，工作流程包括：登陸測試服務器、申請數據、數據采集與控制以及發送數據。

單片機首先發送登陸測試服務器請求，在登錄成功后發送數據申請請求，數據申請成功后進入正常通信模式。在正常通信模式可以接收測試服務器轉發的控制指令并上傳狀態參數。

3.4 繼電器及狀態顯示功能的實現

通過電磁繼電器模擬衛星上的各種觸點信號。分為程控和手動控制兩種工作方式。

在程控模式通過單片機接收測試服務器的控制指令并譯碼，單片機控制ULN2803驅動電磁繼電器，繼電器的一付觸點作為觸點信號送到發控臺，另一付觸點控制前面板的EOA指示燈來指示狀態信息，同時單片機通過 74HC4067檢測繼電器狀態，并將狀態信息上傳測試服務器，測試服務器將狀態信息轉發監視終端顯示。

在手動控制模式，單片機控制ULN2803輸出高阻狀態，通過前面板的EAO開關控制繼電器的通斷。

通過磁保持繼電器模擬衛星的重要開關機功能，磁保持繼電器采用ULN2803驅動。發控臺控制發送關機指令，單片機通過定時器控制I/O引腳輸出80ms的脈沖信號控制磁保持繼電器的接通和斷開，也可以通過前面板的EAO開關控制。與電磁繼電器一樣，前面板的EAO指示燈指示狀態信息，同時單片機檢測磁保持繼電器狀態并通過TCP/IP接口將狀態信息上傳測試服務器用于狀態監測。

4 結論

本設計以單片機為核心，完成了衛星測試工程中衛星負載等效器的設計實現。單片機在設備中實現了模擬信號的A/D采樣功能、信號控制功能、RS232串口通信功能以及顯示驅動功能，使衛星負載等效器作為測試網絡中的client之一，與衛星的其他測試設備組成有機體，實現了衛星測試的信息化和智能化，為后續衛星測試負載等效設備的設計提供了參考。

[1]著作：徐瑋 沈建良，單片機快速入門[M]，北京航空航天大學出版社，2008

[2]著作：張宏偉，李德新，單片機應用技術實訓[M]，北京理工大學出版社，2010.

[3]著作：楊居義，單片機課程設計指導[M]，清華大學出版社，2009