一種智能化衛星供配電測試系統設計

(合肥工業大學 工程實踐教學中心,安徽 宣城 242000)

星上電源、總體電路分系統地面自檢設備相對獨立，每個單機對應一個地面自檢，使得地面自檢設計復雜化、功能單一，且在分系統聯試過程中，測試分系統功能、性能指標中需要多個設備相結合，讓測試更加繁瑣，測試周期拖長[1]。

當前衛星在研制過程中普遍存在著任務量大、周期短和工作計劃緊張等特點[2]。因此在單機、分系統及分系統之間的測試過程中配置一套可編程的全自動地面測試設備對于保證后續項目計劃進度、產品質量、測試全面性及可靠性具有十分重大的意義。

1 系統總體方案

智能化供配電測試系統是基于自定義配置測試腳本流構架體系下的專用軟、硬件全自動綜合測試控制平臺系統[3]。測試系統基本原理架構如圖1所示。各個分系統之間采用以太網TCP/IP協議進行通信，配電控制箱用于給各個系統供電。各個分系統的接口根據測試需求來配置各種板卡和信號調理。控制軟件采用CS構架模式，在控制終端布局自動化測試軟件客戶端，其他分系統上布局測試軟件的顯示端。

圖1 系統原理框架

2 硬件設計

2.1 系統控制器

控制器采用NI的PXIe-1062Q機箱和PXIe-8135處理器，安裝Windows操作系統，同時添加信號調理以滿足電氣接口的要求，其配置如圖2所示。PXI-6602定時器卡配合OC輸出信號調理[4]，實現遙控功能；PXI-6224數據采集卡，配合電壓信號調理，實現遙測功能；RS232總線采用PXI8431串口通信卡，1553B總線通信配置了AIT公司的1553B總線板卡。

圖2 系統控制器原理圖

2.2 信號調理設計

信號調理有兩方面作用。一是實現NI板卡與被測試產品之間的電氣特性匹配。由于NI的I/O輸出板卡與被測試產品之間電氣特性有可能不一致，因此為了使外圍系統與NI板卡平臺通過線束連接起來，必須通過信號調制做信號匹配。一般情況下NI板卡是無法直接采集大電流的，必須將電流通過電流傳感器轉換成電壓，通過A/D板卡進行采集。二是保護被測試產品和NI板卡。在實際的測試中，測試人員可能會接錯信號線，比如將D/A輸出線直接接到地線上，造成測試設備的損壞。因此，對于標準板卡需要設置一定的輸入/輸出電壓電流范圍限制，通常D/A的最大輸出電流為5 mA，為了提高D/A輸出能力，必須外加調理電路提高輸出電流，假定最大輸出電流為50 mA，則當電流超過設定值時關閉輸出，實現保護電路[5]。

圖3為數字信號輸出原理圖。NI數字輸出板卡輸出信號給信號調理板；信號調理板通過高速數字隔離芯片將NI板卡和被測試單機接口的地隔離，同時調理電路設計了輸出過流和過壓保護，當輸出電流和電壓超過某一個值時，會自動切斷電路，保護被測試單機不受損壞[6]。過流和過壓值可以根據實際應用情況的需要進行多樣設置。

圖4為模擬信號輸入板卡實現的原理圖。被測試單機的模擬信號與信號調理板連接；信號調理板與被測試單機之間通過一級阻抗匹配,同時通過模擬信號隔離芯片將NI板卡和被測試單機接口的地隔離，同時調理電路設計了輸出過流和過壓保護電路，當輸出電流和電壓超過某一個值時，會自動切斷電路，保護被測試單機不受損壞。過流和過壓值可以根據客戶的需要設置。

圖3 數字信號輸出原理

圖4 模擬信號輸入原理

2.3 多功能可編程智能負載匹配器

智能負載匹配器用于實現遙控、遙測、火工品等效以及其他等效負載功能。遙控功能采用PXIe-7802R可編程控制卡，該板卡帶有可編程FPGA，可以提供128路可編程數字I/O的輸入或輸出，同時配合OC輸出信號調理實現脈沖指令和鎖存指令。遙測功能采用PXI-6345數據采集卡，該板卡帶有80路單端/40路差分輸入，通過0～50 V電壓隔離信號調理可滿足模擬量電壓采集，通過電阻采集信號調理可以實現電阻信號采集[7]。火工品等效功能采用可編程程控電阻，可編程程控電阻可以滿足64 kΩ，補償2 Ω的調節精度，同時火工品等效功能輸入電壓通過0～50 V信號調理直接通過PXI-6345采集，即可得到輸入信號的幅度和脈沖持續時間。其他等效負載可采用自研程控動態負載等效器，負載等效輸入信號為0～10 V模擬量，模擬量可以輸入任意波形，負載等效器的負載電流隨著模擬量的輸入做線性變化，最快的跟隨達到10 kΩ。

2.4 測試系統供電和接地設計

系統的測試供電主要給各個設備供電，因此需要進行各種保護，圖5為配電箱的連接示意圖。可以看到，當電流電壓過載時，系統會自動跳閘，保護整個系統。同時機柜直接與220 V的地接在一起，保證了系統的安全。圖6為系統電信號流向圖，系統通過220 V供電，輸出24 V電源給隔離DC/DC，DC/DC給信號調理供電。通過信號調理，測試系統與被測試系統的地分成了GND1和GND2兩個地，這兩個地之間完全隔離，即測試單機的地GND2是完全浮起，保障了整個系統的電氣安全。

3 軟件設計

整個軟件采用CS構架模式，即在系統控制器端布置了Server，用于控制系統控制器的底層硬件的接口和與測試端進行數據通信，而控制終端方面布置Client，用于測試的執行。圖7為Client端軟件方案的框架原理圖。該應用軟件分為4層：① 人機交互層為用戶提供了友好的人機交互界面，如各種控件元素、表格和按鈕等，為測試提供友好的環境；圖形界面層采用Eclipse平臺開發，采用JFace和SWT技術，實現界面的靈活配置。② 業務邏輯層為軟件的核心層，各功能軟件的業務處理各不相同，如顯示監控、自動化測試、數據判讀和數據存儲等。③ 基礎服務層提供了測試網絡的通信服務及數據庫服務；通信服務為軟件的外部網絡接口的管理，通過TCP/IP和JMS實現與外部數據的交互，包括連接的管理、數據的分發/訂閱、轉發等功能；數據庫服務提供了對數據庫的訪問接口，包括存儲、查詢功能。④ 數據通信層包含了串口通信、以太網通信等多種通信方式。

圖5 配電箱連接示意圖

圖6 系統電信號流向圖

圖7 系統軟件架構

3.1 軟件功能組成

3.1.1 加載和保存測試工程信息

在測試之初，測試輸入軟件需要加載測試工程信息，加載過程可以通過兩種方式：① 加載本地已有工程和同步配置庫中的新工程；② 在打開測試輸入軟件后，能在資源欄中選擇“導入”的方式加載本地已有的工程。

3.1.2 測試指令編輯與管理

測試工程中的所有指令都保存在測試指令庫文件夾中，可在測試指令庫文件夾中創建多個子文件夾與測試指令集文件，每個測試指令集文件可以包含多條測試指令。能夠對進行對指令、指令集文件以及指令子文件夾進行如下操作：測試指令編輯完成后，可直接發送該條指令，對星載計算機進行指令輸入。

3.1.3 測試序列編輯與管理

測試工程中的所有測試序列都保存在測試序列文件夾中，可在測試序列文件夾中創建多個子文件夾與測試序列文件，每個測試由一系列測試指令和邏輯流程組成，邏輯流程元素包含兩種：for循環與wait等待，在循環過程中也能實現循環嵌套的功能，支持多級的嵌套。在編輯測試序列過程中，通過拖入流程元素和測試指令，構建一個測試序列，并保存為一個測試序列文件。

3.1.4 測試序列執行與調試

測試過程中，測試是通過指令來實現輸入激勵的。測試序列的執行分為兩種模式：運行和調試。在運行模式下，測試序列被順序執行，斷點無效。在調試模式下，測試序列按照斷點執行，也可以按照調試需求單步執行，執行數據可通過相應的窗口進行查看。

當選擇某一測試序列后，執行該測試序列，監控界面能夠動態顯示當前測試到哪一步。在測試過程中，能實時監控某些變量，并將測試結果高亮顯示。測試中可進行暫停，測試序列會停止在當前步驟，也可完全中止測試序列，恢復到初始狀態。在測試序列的執行過程中，測試序列左側會出現一個箭頭符號，標識當前執行的測試指令。

在測試過程中，測試序列中可以添加斷點功能，程序運行到斷點位置自動停止，可根據需要選擇單步執行或繼續執行。測試序列執行結束后，在視圖中會標示出其已終結的狀態，并在下個測試序列開始執行時，移除視圖中顯示的所有已結束的測試序列。

3.1.5 測試報告自動生成

執行測試序列之前，可通過首選項設置配置是否生成測試報告、測試報告的格式及測試報告的存放路徑等信息。若設置生成測試報告，則測試序列執行完成后，會在指定路徑生成指定格式的測試報告。測試報告目前支持的格式為Word。也可修改配置文件，改變測試報告生成的內容，通過這種方式，能夠生成特定的項目報告，如專門針對遙測遙控測試任務生成遙測遙控測試報告等。

3.2 數據顯示終端

在測試過程中，數據監視軟件從總控網絡中訂閱相關的指令和數據，進行動態的顯示，或在測試完成之后，從數據庫進行數據回放，分析測試過程。在數據監視軟件中，提供了豐富的控件可供使用。數據監視軟件界面如圖8所示。在數據監視軟件中，左側為工程導航欄，顯示測試工程內容。右側為監視顯示區域，可通過拖拽左側導航欄中的衛星格式數據到編輯區域中，以圖形化界面顯示，全部數據域顯示為文本框，也可修改控件屬性，編輯圖形類型及是否顯示等。數據監視軟件提供LED燈、波形控件、普通文本和枚舉控件等4種控件。數據顯示軟件并不影響故障模擬測試過程，可隨時增加顯示計算機，從測試總控網絡中訂閱相關數據進行顯示。

圖8 數據監視軟件界面

測試過程中，點擊軟件界面上的開始按鈕，數據顯示軟件運行。軟件會根據界面上控件相關的ICD數據信息，從以太網絡中接收數據，然后根據ICD格式信息進行數據解析，在界面上動態顯示。在測試過程中，點擊停止按鈕，顯示軟件停止工作，可對顯示界面進行編輯。

在測試完成后，可從數據庫中重新獲取數據，進行測試過程重現或測試分析。測試結果的重現和分析包括數據回放和檢索數據庫。在測試完成之后，從數據庫中獲取試驗數據，重現測試過程。再點擊數據回放按鈕，輸入回放的起始時間，點擊開始后，數據顯示軟件從數據庫獲取測試數據，解析后在控件上進行顯示。在回放過程中，可以點擊停止，并進行單步回放，滿足特定的顯示要求。在測試完成之后，數據顯示軟件可以遠程檢索數據庫，檢索條件包括參數名稱、參數代碼、所屬系統、時間范圍等。在檢索完成后，對于遙測類數據，其數據長度較長，無法在檢索界面中完整顯示，可以點擊數據值，檢索界面會彈出新的對話框顯示完整的數據原包。同時可以對檢索后的結果繪制曲線，曲線的橫軸為檢索結果的序號，縱軸為檢索結果存入數據庫的時間。通過繪制曲線，能確認在數據存儲過程中是否有丟包的情況存在。也可以將檢索得到的結果導出成Excel文件，進行外部軟件處理。

4 系統特點

衛星測試系統能夠完成供配電系統級測試和電源控制器、均衡器、配電器單機的全自動測試過程，系統功率大于2400 W(可擴容)，功能涵蓋配電、火工品、加熱器和閥門控制等多項內容。

為保持產品的安全及測試設備安全，智能化供配電測試系統設計了軟、硬件結合的過壓、過流和過溫等多種防護與監測措施。

5 結束語

本文設計的智能化供配電測試系統是一種可一鍵啟動的智能全自動測試平臺。通過外圍電纜將需要測試的供配電產品與測試系統外圍進行連接，同時定義好測試流程和相應的判定依據。系統一鍵啟動后，能夠自動執行相關測試，實現測試全過程的智能化。實際應用表明該系統不僅功能完善、操作簡便、控制靈活，而且系統的模塊化、通用化和系列化程度高，能夠滿足星座模式下多星綜合測試中的地面供配電測試需求。