一種基于cRIO架構的便攜式衛星脫插監測設備

李 玲，劉思言，邢思瑞，刁國影，鮑大志，陳 悅，劉博婷

(長光衛星技術有限公司，吉林 長春 130000)

0 引 言

對衛星狀態進行采集與監測的設備在國內早有研發，2015年，上海衛星工程研究所開發了一種基于PXI架構的大中型衛星通用發射控制臺，采用PXI信號采集與控制工控機實現實時測試，包括模塊化信號調理機箱、大功率供電執行器機箱和脫落分離電源模塊，系統體積比較龐大.隨著衛星批量化生產，對于設備的測試效率、操作性、便攜性等的要求越來越高，為了克服現有技術存在的問題，方便測試人員開展測試，完成了基于cRIO架構的便攜式衛星脫插監測設備的開發，該設備體積小，能夠脫離上位機獨立運行，減少了對人員的依賴程度，與人力測試相比大大節省了測試時間.

1 cRIO架構介紹

CompactRIO(cRIO)是美國國家儀器(NI)公司生產的一款可重新配置的嵌入式測控平臺[1，2]，運行NI Linux RealTime操作系統，集成可編程硬件邏輯(FPGA)和可重配置的I/O模塊，同時支持I/O模塊的熱插拔，具有工業級的隔離設計.cRIO嵌入式機箱提供了SDHC插槽和各種連接端口[3]，包括2個千兆以太網、2個USB主機、1個USB設備和2個串行端口，能夠通過接插件實現物理連接，且具有很寬的工作溫度范圍[4].嵌入式系統環境支持Labview編程，利用虛擬軟件可以輕松實現人機交互，快速完成數據的采集及控制，同時體積小，操作方便，能夠節省測試時間，降低開發成本[5].由于cRIO具有的諸多優點，早有將cRIO應用到測試采集的各個領域，王志偉等提出的基于cRIO嵌入式系統的捷聯慣性測量組合通用快速自動化測試系統，能夠自動完成位置標定、速率標定等慣性測試任務[6]；顧樹偉等設計了一種基于cRIO平臺的軌道車輛運輸中狀態監視系統，可對公路運輸中軌道車輛的電機振動、運輸卡車的速度及行駛道路的路面質量等參數進行關聯性監測[7]；高國強提出了一種基于 NI cRIO嵌入式與Labview融合的采煤機故障預警系統，確保設備在交付客戶前及檢修時，能夠對采煤機的各項故障進行有效診斷[8].

2 總體測試架構

總體測試系統由1臺筆記本電腦，1臺服務器監視終端，1個網絡交換機、1臺衛星脫插監測設備以及被測對象衛星脫插和星表信號組成，如圖1 所示.

圖1 衛星脫插監測設備測試系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the test system for satellite shedding socket monitoring equipment

筆記本電腦通過網口與衛星脫插監測設備連接，完成衛星脫插監測設備軟件的實現，監視終端通過交換機實現與衛星脫插監測設備的連接，實現數據的實時接收以及指令交互響應.衛星脫插監測設備通過物理接口與被測衛星信號連接，實現數據的實時采集，采集到的數據經過系統處理實現對衛星狀態的判讀，對衛星狀態進行實時顯示及監測，同時將數據信息采用網絡通信的方式發送到監視終端，并接收監測終端的指令，根據指令內容執行，控制星上部分狀態.此外，筆記本電腦運行的脫插監測設備軟件可以脫離上位機部署到衛星脫插監測設備中，實現軟件的獨立采集監測.

2.1 系統硬件設計

系統的硬件構成包括內部處理器、用戶可編程FPGA高性能功能控制器機箱和工業級I/O模塊3個部分組成.衛星脫插監測設備通過I/O模塊實現對衛星狀態的采集，在處理器中完成對信號的分析處理.系統的設計優勢在于NI提供的cRIO嵌入式系統開發平臺可靠[9，10]，硬件無需設計，可通過接插件直接連接，提高了開發的效率；多種工業級I/O模塊可實現不同信號功能的需求；多種外圍接口電路適合系統集成[11].本文設計的衛星脫插監測設備控制器機箱選用NI公司的cRIO-9038-01A46F61型號的機箱，具有1.33 GHz 雙核Intel Atom處理器、8 GB非易失性存儲，Xilinx Kintex-7 160T FPGA可實現高速控制、在線處理和自定義定時和觸發，2個千兆以太網，2個USB高速主機，1個USB設備和2個串行端口連接選項，具有嵌入式Web和文件服務器，能夠實現用戶遠程連接.硬件示意圖如圖2 所示.

圖2 脫插監測設備硬件示意連接圖Fig.2 Ematic connection diagram of the hardware of the shedding socket monitoring equipment

脫插信號采集處理器需與衛星脫插和自動化測試系統監測設備連接.脫插信號采集處理器需采集衛星的脫插信號和星表插座信號，對星上主要狀態進行監視，并在自動化測試系統的控制下，向衛星發送一些OC直接指令；同時，脫插信號采集處理器通過LAN接口與自動化測試系統監測設備相連，采用網絡通信，將采集到的星上狀態發送給自動化測試系統監測設備，并接收自動化測試系統監測設備的指令，根據指令內容向星上發送相應的OC直接指令.

2.2 系統軟件設計

脫插監測設備的軟件主要包括cRIO數據采集、數據處理、數據交互以及指令執行.軟件程序最初運行在筆記本電腦中，在調試過程中實現數據的實時顯示及狀態監測.

cRIO的開發模式包括掃描模式與FPGA模式，運用I/O掃描模式可以實現數據采集，將編寫好的程序部署到RT機箱中即可，該模式可支持的最大掃描速率為 1 kHz；FPGA模式能夠實現數據的高速采集(大于1 kHz)，數據吞吐率大，訪問靈活[10]，主要由于FPGA的特定數字化功能可以支持高達40 MHz的計數器，能夠實現脈沖信號脈寬的準確測量.本文設計的衛星脫插監測設備采用掃描模式與FPGA模型并行.

2.2.1 掃描模式

掃描模式主要實現衛星脫插及星表上所有模擬量的采集、衛星指令的接收判讀及指令的執行，并將采集到的的數據按照一定的格式組幀通過UDP通信上傳給服務器，以完成衛星狀態的實時監測.本系統中采用的掃描模式的軟件流程圖如圖3 所示.

圖3 掃描模式下的軟件流程圖Fig.3 Software flow chart in scan mode

步驟如下：①衛星脫插監測設備啟動，開始采集衛星狀態數據；②檢測是否有來自監測終端的指令；③如有指令，判斷指令是否正確，如果正確，控制衛星執行指令內容并完成應答；④如果沒有指令，進行狀態判讀，將采集到的衛星狀態數據按照協議組成數據幀傳送給監測終端.圖4 和圖5 為掃描模式下的部分程序框圖.

圖4 數據采集部分程序Fig.4 Part of the data acquisition program

圖5 指令接收及執行部分程序Fig.5 Part of the command receiving and executing program

數據采集部分利用NI9229模擬量采集卡及NI9401數字量采集卡實現信號的采集，同時將采集的信號根據設定的閾值進行狀態判讀，按照衛星數據格式組成完整數據幀發送給衛星服務器，實現衛星狀態的實時狀態監測.

指令的完成及執行部分利用NI9482板卡實現，當衛星發送指令給衛星脫插監測設備時，首先判讀指令的正確性，若正確，則判讀并選擇特定端口完成指令的響應，同時返回應答幀給服務器端；若不正確，則返回指令錯誤應答給服務器端.

2.2.2 FPGA模式

FPGA模式主要解決當衛星服務器沒有響應時，對衛星進行緊急斷電的功能，防止衛星出現燒壞、失控等重大問題.此時需要一個緊急斷電開關實現脈沖的產生，通過FPGA下位機程序準確讀取開關的脈沖寬度來判讀是否需要進行斷電.利用FPGA對脈沖沿計數的準確性，保存數據至控制器，上位機通過調用讀取FPGA 比特流實現數據的判讀，通過繼電器脈沖開關實現衛星的緊急斷電.采用FPGA模式下位機程序軟件流程圖如圖6 所示.

圖6 FPGA下位機軟件流程圖Fig.6 FPGA lower computer software flow chart

步驟如下：

① 首先判斷緊急斷電開關是否按下，如果按下，啟動計數器開始計數，記錄脈寬；

② 判斷緊急斷電開關是否松開，如果松開，利用計數器計算產生的脈寬寬度；

③ 判斷產生的脈寬寬度是否大于設定的需要斷開關的閾值；

④ 如果大于閾值，賦值狀態量為T，否則賦值F.

圖7 為FPGA下位機部分程序框圖.

圖7 FPGA下位機程序Fig.7 FPGA lower computer program

利用NI9435板卡完成緊急斷電開關的狀態脈沖采集，通過判讀采集到的脈沖寬度判讀是否需要衛星脫插監測設備執行衛星緊急斷電，如通過狀態判讀，需要衛星完成狀態判讀，通過賦予狀態值完成標記作用；脫插監測設備上位機根據讀取的狀態值控制4通道繼電器開關板卡完成對衛星的緊急斷電，從而實現在衛星失控的狀態下起到保護的作用.

采用FPGA模式上位機程序軟件流程圖如圖8 所示.

圖8 FPGA模式上位機軟件流程圖Fig.8 FPGA host computer software flow chart

步驟如下：①首先讀取狀態值；②判斷狀態值是T還是F；③如果狀態值為T，控制衛星執行緊急掉電；④如果狀態值為F，則繼續判讀.

圖9 為FPGA上位機部分程序框圖.

圖9 FPGA上位機程序Fig.9 FPGA host computer program

上位機程序通過讀取FPGA狀態值判斷是否需要完成緊急斷電，如需要斷電，則通過控制4通道繼電器開關板卡產生脈沖發送至星上，從而實現衛星的緊急斷電功能.

2.3 系統具體實施方式

對衛星脫插監測設備的具體實施方式結合圖10 做進一步的說明.

圖10 衛星脫插監測設備具體連接結構圖Fig.10 The specific connection structure diagram of the satellite shedding socket monitoring equipment

設備通電后，cRIO控制器通過兩塊4通道模擬輸入模塊實時采集衛星狀態數據，并將采集的衛星脫插與星表插座信號的數據在cRIO控制器中處理并以100 ms/次的速率按照一定的協議格式將數據組成數據幀，通過UDP網絡上傳給服務器監測終端，同時，cRIO控制器實時檢測是否有來自服務器監測終端發送的指令，當衛星根據實際需求需要實現指令響應功能時，由監測終端向脫插監測設備發送指令，cRIO控制器控制執行模塊4通道繼電器輸出模塊執行指令，cRIO控制器執行指令的同時，返回一個應答幀給服務器監測終端，告知服務器監測終端指令已執行.此外，當衛星出現緊急狀況或衛星服務器監測終端出現故障無法工作時，可手動按動衛星脫插監測設備的緊急斷電開關，此時4通道通用漏極/源極數字輸入模塊完成緊急斷電開關的脈沖讀取，進而通過上位機給衛星緊急斷電，該方法既方便又迅速，可保障衛星的安全性，避免損失.通過服務器監測終端可以直觀地看到完整的數據幀，數據幀的內容包括脫插信號和星表插座信號的狀態，可實現對衛星脫插信號和星表插座信號的采集與監測功能；編寫好的軟件還可以部署到機箱里，脫離上位機獨立運行，掉電不丟失，減少測試過程中對測試人員的依賴度，提高了測試效率.

3 實驗結果

系統基本測試主要分為兩個階段，第一階段利用外接測試源測試驗證，第二階段連接衛星得到最終實驗結果，完成設備的可靠性驗證.

3.1 外接信號源測試結果

外接測試源主要完成模擬量采集、指令幀、應答幀的測試.測試儀器為PXI機箱、PC機、Keysight示波器、萬用表.測試設備連接關系如圖11 所示.

圖11 衛星脫插監測設備測試設備連接關系示意圖Fig.11 Schematic diagram of the connection relationship of the test equipment of the satellite shedding socket monitoring equipment

脫插監測設備與PC機之間通過LAN接口進行數據的傳遞，PXI 4305輸出卡為脫插監測設備提供4路模擬電壓，脫插監測設備對以上信號進行監測與采集，通過LAN網絡接口將數據發送至PC機.同時脫插監測設備接收PC機發送的指令并做出相應應答.

3.1.1 模擬量采集測試

圖12 和圖13 為測試中連入脫插設備的模擬電壓示波器抓取圖，信號源是由PXI 4305提供的4路模擬電壓信號.

圖12 PXI提供的4 V模擬電壓Fig.12 4 V analog voltage provided by PXI

圖13 PXI提供的5 V模擬電壓Fig.13 5 V analog voltage provided by PXI

通過判斷脫插監測設備采集到的模擬量大小與設備供應的大小是否相等完成模擬量采集的測試.為了證明本文的脫插監測設備在電壓測試下的準確性，本實驗進行4.51 V和5 V電壓各100次.表1 為隨機選取的10組實驗數據.

表1 模擬量采集測試Tab.1 Analog quantity acquisition test

從表1 的實驗數據中可以得出，本文的脫插監測設備在4路模擬電壓實驗中實測結果與預測結果的總體誤差在0.2%左右.在100次實驗數據中，電壓的誤差穩定在0.015 V左右，完全符合脫插檢測設備對于監測電壓準確性的要求.

3.1.2 指令幀測試

使用UDP串口發送指令幀及查看應答結果，分別發送以下4條指令1 000次：

1) 電源下位機主開備關指令編號：EB90 017C.

2) 電源下位機備開主關指令編號：EB90 027D.

3) 蓄電池A放電開關斷指令編號：EB90 0580.

4) 蓄電池B放電開關斷指令編號：EB90 0681.

查看以上指令的各1 000次應答數據，通過判斷脫插監測設備UDP指令接收與應答是否滿足協議要求完成測試.測試結果如表2 所示.

表2 指令幀測試結果Tab.2 Test result of command frame

在開關指令的接收與檢測中，對指令幀處理的準確性關系到整個衛星的穩定性，為了保證脫插設備接收和應答能夠符合衛星高質量的要求，對每一個指令都進行了1 000次的實驗.在本文的脫插監測設備中，實測結果與預期結果完全一致，可以保證指令的正確執行，從而實現衛星狀態的可控.

3.2 衛星實物連接實驗結果

經過外接測試源測試，確定不存在燒毀設備的危險，連接衛星脫落插座及星表插座信號，與測試人員開展衛星上電連試，完成設備的最后可靠性驗證.

實驗結果表明：采集的衛星母線電壓、負載電流、蓄電池電壓、放電開關狀態等模擬量與衛星遙測值基本吻合；接收衛星指令正常，執行無誤且應答正確；緊急斷電開關執行可給衛星斷電；狀態解析處理正確；可清晰地看到采集到的每一幀數據，可根據用戶需要截取，驗證了整個鏈路的完整性.圖14 為衛星連試測試時的監測界面.

圖14 衛星脫插監測設備監測界面Fig.14 Monitoring interface of satellite shedding socket monitoring equipment

4 結 論

多次試驗證明該設備可靠性好、穩定度高，已成功應用到吉林一號衛星的衛星研制測試過程中，脫插監測設備體積是以往龐大的PXI測試設備的四十分之一，便于攜帶，同時可脫離上位機獨立運行，大大解放了人力.目前存在的問題是隨著研發衛星數目越來越多，設備的需求量越來越大，接下來會繼續研究如何能節省更多的資源，實現設備的復用.