航天器供配電測試系統通用化設計

門伯龍 張若林 周 楠

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

1 引 言

供配電測試系統是航天器地面測試過程中的核心測試設備之一，是衛星測試系統的重要組成部分，其主要用途是為航天器供電、向航天器發送有線指令、進行供電參數測量、接收和監視航天器下行有線遙測信號、以及脫落電連接器控制等[1,2]。

其功能歸納起來主要包括：

(1)為整星提供供電功率通路和功率采樣通路，為整星供電及采樣；

(2)采集、監視并記錄地面設備采集到的星上模擬量和狀態量；

(3)為整星提供有線控制指令，包括有源、無源脈沖指令及開關量信號；

(4)提供分離脫落控制功能；

(5)進行警示燈控制和狀態監視。

傳統的航天器供配電測試系統每套都需要根據不同航天器的接口要求進行定制設計，其定制性增加了研發成本、延長了研制周期、降低了設備的可靠性。本文設計了一種通用化的供配電測試系統，以主機-總線-板卡的形式，輔助以轉接板，實現原有定制設備的通用化定型和批量化生產，解決了不同型號需求定義不統一的問題，大大降低了測試設備的研發成本，縮短了研制周期并有力保障了型號的進度，同時提高了產品的可靠性。

2 傳統供配電測試系統

由于各個型號航天器的功能不同，其器地接口各不相同，為了滿足不同型號的航天器電氣性能要求，傳統的供配電測試設備一般針對特定航天器研制，測試設備繁多，體積龐大。系統一般包括：34980A多功能開關測量單元、信號調理器、SAS配電器、直流穩壓配電器、測試電源、警示燈控制器、等效器等設備，一般集成在一個機柜中，所占機柜高度約為23U以上，并需要配置一臺計算機進行系統集成控制，系統框圖如圖1所示。其中，信號調理期、配電器、等效器均為定制設備，開放性和靈活性不夠，很難做到設備級的通用化，如要應用于其他型號還需改造，研制、改造周期長，很難迅速構建測試系統[3]。

圖1 供配電測試系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of power supply and distribution test system

每套供配電測試系統有幾十個至幾百個通路不等，根據不同航天器的接口要求，每套設備的通路定義各不相同，因此在每臺航天器電測之前，都需要定制供配電測試系統，進行重新設計、電路板投產和調試測試等工作。設備的不可復制性增加了研發成本、延長了研制周期，且設備的不一致性也降低了設備的可靠性，不利于設備的批量生產和推廣應用。

但是，目前我國各型號航天器對地面供配電測試系統的需求大部分是穩定和一致的，各個型號供配電測試系統不同的原因是功能相近卻通路定義略有區別，這些微小的區別使得各型號間的設備不能互換[4,5]。

3 通用化設計

為降低供配電測試系統的研發成本、縮短研制周期，加強設備的通用性和可互換性，我們在為各個型號研制配套供配電系統的同時，進行系統性分析，針對供配電測試系統的多單機和專用性的不便，考慮各型號對供配電測試系統的典型需求，遵循增強模塊內聚性和模塊間松散性的設計原則，我們將產品朝著模塊化、通用化、小型化的方向設計[6,7]。

模塊化：新型供配電測試系統采用通用機箱+板卡式設計，各功能模塊相對獨立，易于更換和維修；

通用化：采用統一的通用總線和統一的結構設計，建立成熟、定型的產品型譜，方便用戶根據需求選用；

小型化：將信號調理器、SAS配電器、直流穩壓配電器、測試電源、警示燈控制器5臺設備集成為1臺，占用高度從20U降低為5U，并承擔了計算機的功能，無需另行配置計算機。

3.1 產品結構與型譜

秉承模塊化的設計思想，根據以往的航天器供配電測試系統設計經驗，設計開發了通用機箱以及多種功能模塊型譜，覆蓋全部供配電測試系統功能。系統結構如圖2所示，通用主機包括總線、嵌入式計算機、觸摸顯示器、前面板指示燈、以及功能模塊接口。母板上共設計了8個功能模塊插槽，各功能模塊帶有助拔器，用戶可根據需求方便的任意更換功能模塊。功能模塊及其技術指標見表1所示。

圖2 供配電測試系統通用化結構Fig.2 Universalized structure of power supply and distribution test system

表1 供配電測試系統模塊型譜

秉承通用化的設計思想，母板插槽具有統一的接口定義和總線協議，不同模塊可以在任意位置插接，主機通過各個模塊上的地址撥碼開關進行區分。所有功能模塊具有統一的接口和總線協議，采用雙CPCI的方式與母板連接。前面板的通路定義及LED燈均通過內置的前端軟件控制，各個模塊上的通路與前面板LED燈以及軟件通道號的對應關系通過配置文件進行寫入，可方便的通過EXCEL修改配置文件實現通路的更換，無需更改硬件配置，更無需重新設計電路板，實現了通用化設計。

在指令控制發送和模擬量采集中，一些型號習慣使用Keysight 34980A多功能開關測量單元進行控制和采集，另外一些型號直接使用專用設備進行控制和采集。根據不同型號的使用習慣，通用供配電測試系統提供兩種版本的控制采集方式，在控制模塊中引入外接34980控制接口同時也可采用FPGA直接發送指令，在采集模塊中引出外接34980采集接口同時也使用AD進行電壓采集，兼容了34980與內置的控制采集功能，拓展了通用化能力。

3.2 轉接板

由于各個型號航天器對于地面供配電系統的接口要求并不一致，而通用化的供配電測試系統對外接口是確定的，雖然可以滿足各個型號的指標要求，但無法直接進行連接。為此，在型號測試之前，需要單獨定制轉接電纜，但轉接電纜存在著連接器多、線纜復雜、非固定、易損壞等劣勢，因此我們在通用化設計中設計了電纜轉接板，其結構如圖3所示，固定式轉接板一端安裝在機柜后面板上，其連接器用于插接器地電纜，轉接的工作在轉接板內部完成，引出若干電纜并采用懸浮式連接器，用于與通用設備相連接。

圖3 轉接板結構示意圖Fig.3 Sketch map of pinboard structure

在航天器測試前，根據型號接口節點表，修改或重新生產轉接板，系統集成時將轉接板固定于機柜上，懸浮連接器直接插接到設備相應端口中，轉接板上的連接器與器地電纜進行插接，即可完成系統集成工作，解決了各型號接口不一致的問題，大幅提高了工作效率。

3.3 前端軟件

產品的數字部分硬件采用嵌入式計算機——單片機——FPGA結合的方式。嵌入式計算機負責運行前端軟件，與用戶進行交互；單片機位于母板上，負責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。

在設備使用過程中，單片機根據前端軟件的指令，尋找相應地址的功能模塊并對其FPGA發送指令。反之，各功能模塊的狀態數據由FPGA發送至母板單片機，再由單片機轉發給前端軟件。這樣實現了軟件通用化，針對不同型號的通路定義編號，用戶只需配置軟件對應關系，將硬件通路與軟件顯示和前面板指示燈通過配置文件對應，即可實現軟件通用化，無需更改電路設計和更換功能模塊。

軟件的界面如下圖，分為有線指令、配電控制、模擬量測量、狀態量監測和分離脫落控制幾個部分，適合用戶觸摸控制，并集成了網絡遠程控制處理模塊，無需另行配置計算機，即可完成全部航天器供配電測試工作。

3.4 等效器

供配電等效器作為驗證供配電測試系統、進行系統聯調、確認地面系統狀態的重要設備，需要模擬等效航天器的接口和內部供電原理，由于各個航天器的接口不可能統一，所以各個型號的供配電等效器也均為定制設計。

新型供配電等效器的設計與供配電測試系統一致，采用機箱-板卡式架構，采用與供配電測試系統完全一致的通用機箱，含嵌入式計算機、母板和總線、機箱、前面板、液晶屏等，并配有通用的等效板卡模塊。等效板卡模塊主要包括指令等效功能、配電等效功能和測量等效功能，其通路性能和數量覆蓋了絕大多數型號的供配電等效需求。

用戶在供配電測試系統聯調使用過程中，僅需要將等效模塊接入機箱中，再使用專用的轉接電纜連接即可進行聯調測試。供配電等效器采用與供配電測試系統通用的機箱和總線設計，可互為備份使用。

3.5 優勢與創新點

(1)該系統將以往的定制式供配電測試系統經重新設計，成為通用的機箱+功能模塊板卡組合的形式，滿足絕大部分型號需求，使一套供配電測試系統可以通用到各個型號中，每個型號無需定制新設備，可以直接進行量產。

(2)將以往的多單機型供配電測試系統改為板卡型，板卡具有統一的總線，各個功能模塊板卡具有統一的接口，可在母板上自由插接，通過撥碼開關確定地址，增強了通用性和互換性，為后續型譜拓展奠定了基礎，同時避免了重復的接口設計和結構設計工作。

(3) 集成了嵌入式計算機，運行供配電前端軟件，可通過軟件配置各個通道的定義，無需硬件改型即可靈活配置通道與軟件和指示燈的對應關系。實現觸屏操作和遠程控制，無需另行配置計算機，整套設備由原來的20U設備+計算機縮減為5U單機設備。

(4)供配電等效器與供配電測試系統同等設計，將以往每款航天器的定制等效器也進行通用化設計，實現多型號通用的等效器。并可與供配電測試系統共用機箱，可互為備份。

4 系統可靠性

4.1 可靠性設計與驗證

作為航天器測試系統，其高可靠性是產品的必要條件。系統機箱結構采用PCB插接連接形式時，采取有效固定措施，保護接插件和PCB板的安全，系統中的接插件通過額定電流進行不低于50%的降額設計。

為驗證系統的可靠性，對系統進行了240個小時的系統級老化試驗，老化試驗過程中，系統將在滿功率狀態下連續工作，試驗人員每24小時進行兩次功能檢查，每小時檢查系統狀態，每6小時記錄溫濕度。試驗過程中的設備負載采用額定功率為1.6kW的Agilent電子負載N3300。試驗部分數據如表2所示。

表2 系統老化試驗記錄Tab.2 Record of system ging test

通過試驗數據分析可得，經過240小時的老化試驗，系統功能運行正常，系統狀態穩定。

系統通過老化試驗測試后，使用專用包裝箱進行包裝，裝載于載重為1.5噸的奧鈴貨車，在2級公路上進行連續運輸200km的公路運輸試驗。完成運輸里程后，進行外觀及系統功能檢查，試驗數據如表3所示。

表3 系統運輸試驗記錄Tab.3 Record of transportation test

試驗結果表明，系統在經過200km公路運輸后，包裝完整，系統功能運行正常。

4.2 可測試性

系統中的適配器與等效器均采用機箱-板卡式設計，機箱提供總線、電源與用戶交互接口，板卡實現具體功能，各板卡相對獨立，便于故障隔離；設計遵循增強模塊內聚性和模塊間松散性的原則，板卡接口僅2個CPCI連接器，并配有助拔器和軌道，維修和替換時，無需進行焊接等操作，可直接進行插拔；各個子板均設計有電源輸入點和測試點，允許進行單板測試。

4.3 安全性設計

系統中的電源子板的后面板上設計有接地柱，220V電源地通過連線接到接地柱，保證整機機殼接地；電源模塊的每一路輸出都有過壓、過流保護措施，每個電源都有輸出防倒灌防護，電源模塊的任何一路輸出發生過壓、過流時能夠自動切斷此路的輸出，當過壓、過流等故障因素消失后再重新啟動電源時可以恢復正常供電。除電源子板和分離子板外，其它子板均無220V電源，涉及的最高電壓為36V，處于人體安全電壓。

5 結束語

新型通用化供配電測試系統的應用顛覆了以往每個型號都重新定制設備的形式，縮短了型號測試設備的研制周期，極大的提高了型號科研生產效率。通用化設計使得其可以定型批量生產，無需后續為每個型號再次研發，降低了研發成本和人力成本，降低設計錯誤率，提高了產品的可靠性。統一的型譜和通用的平臺，使供配電測試系統在各個型號都可以得到應用，有助于產品形象的打造，同時為建立行業標準奠定基礎。

目前，新型通用化供配電測試系統已成功應用在了多種衛星、火星探測器、載人飛船等多個航天器的測試工作中，大幅縮短了設備研制周期，有力保障了型號進度，提高了設備可靠性。未來隨著型譜的不斷豐富和航天器型號的深入應用，將有著更廣闊的應用前景。