通用化、高可靠性航天器供配電測試設備的實現

溫星曦,殷聰如,桑尚銘,張 顯,周 楠

(北京東方計量測試研究所，北京 100094)

0 引言

隨著航天型號任務越來越多，型號并行測試現象成為常態，對地面測試設備的研制周期、通用性、可靠性提出了新的更高要求。供配電分系統測試設備更是如此，供配電地面測試設備為航天器各階段電性能綜合測試提供設備支持，為整器測試提供能源通路。同時也為其它分系統(測控、控制等)提供信號通道，完成地面供電配電通路控制、有線指令發送、有線參數采集等任務，其重要性不言而喻[1-2]。早期的供配電測試設備功能單一，專用性強，一個機箱可能只有某種特定功能；通用性差，針對不同的型號，需要設計不同的硬件電路，很難迅速構建測試系統[3]；可維修性與互換性程度較低，不能方便地在測試現場進行更換維修，針對這些問題，本文給出了一種通用的，配置靈活、可靠性高的供配電測試設備設計方法。

1 系統結構及原理

設備采用機箱-板卡式架構，如圖1所示。設備中的母板、嵌入式計算機和前面板都與機箱集成在一起，形成通用化的母體機箱。該架構中各功能子板通過CPCI連接器

圖1 整體架構圖

接入母板上的總線，用于實現具體功能。根據不同的需求進行自由組合，一個機箱最多可以插接1塊電源板和7塊功能子板，功能子板可方便地進行互換，以實現設備的通用化。

硬件采用嵌入式計算機—STM32—FPGA結合的方式，如圖2所示。嵌入式計算機負責運行前端軟件，與用戶進行交互；STM32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[1]。

2 系統通用化設計

2.1 硬件通用化

考慮各型號對供配電測試系統的典型需求以及后續發展的趨勢，加強設備的通用性和互換性，進行了深入分析與歸納[2-3]，將功能子板分為以下幾類：配電模塊，包含集中供電和分陣供電；指令模塊，包括脈沖指令、電平指令；測量模塊，包括狀態量測量、模擬量測量、時間測量；電源模塊。各功能子板的結構和尺寸統一[4]、對母板接口統一、數字部分統一，可任意插接至機箱中的任意位置。尺寸為360 mm×144.45 mm，與母板連接端為兩個CPCI-J1連接器，尾端為對外連接器接口和板卡助拔器，如圖3所示。

圖3 子板結構示意圖

2.1.1 配電模塊

用來實現功率通路的通斷控制功能，并對通路狀態進行監測。同時提供電源功率通路的遠端采樣功能。功率通路的導通與斷開采用磁保持繼電器控制，用戶通過前端計算機控制進而驅動繼電器；繼電器的通斷狀態信號反饋至FPGA，并在前端軟件上予以顯示[5-6]。

配電子板設計原理如圖4所示。主控芯片FPGA輸出電平信號，通過UNL2803用以控制繼電器的通斷。當繼電器接通后，主觸點以及輔助觸點會同時閉合。此時，主觸點為功率通路，輔助觸點通過3.3 V信號電壓發送至FPGA，用于檢測繼電器的通斷狀態。

圖4 配電板卡原理示意圖

2.1.2 指令模塊

指令模塊主要提供對航天器控制指令信號的發送功能，如分系統加斷電控制、放電開關控制等。指令模塊根據脈沖與電平信號的區別，設計兩種型號，分別為脈沖指令子板和電平指令子板，分別提供脈沖雙線輸出控制通路和磁保持雙線輸出控制通路。具體控制原理與配電模塊類似，不再重復[7]。

2.1.3 測量模塊

1)狀態量測量：針對有源狀態量和無源狀態量兩種原理，其測量方法本質上相同，僅5 V電源供給方式不同，本方案設計了一種通用的電路，可通過跳線進行手動切換，如圖5所示。圖中A、B、C、D為跳線端子，當連接AB和CD端子時，5 V電壓由地面端提供，當連接BC端子時，地面5 V斷開，電源由航天器提供，由此可實現有源無源狀態量測量的兼容。后端都為進入光耦， FPGA檢測光耦是否導通，進而給出結果。

圖5 有源無源狀態量兼容電路示意圖

2)模擬量測量：主要用來測量航天器下行模擬量數據，為了保證星地隔離以及通路之間的隔離，采用隔離運放進行隔離設計。航天器下行模擬量經過分壓電阻后，進入隔離運放，然后在進入AD進行采集。如圖6所示，這里為了保證通用化設計適應不同的輸入電壓，分壓電阻通過繼電器切換，以及后級信號調理電路放大系數也為程控可設，保證了采集精度以及電壓輸入范圍的靈活切換。

圖6 模擬量測量示意圖

3)時間測量：時間測量板卡實現航天器下行信號的采集、邏輯判斷及時間記錄功能，最終轉換成接通、斷開的開關狀態信號及其動作時間。測時信號到達后，先經過電阻分壓，得到5 V以內的電壓值，在與DA產生的參考電平做比較，觸發后的信號送FPGA進行計時。原理如圖7所示。

圖7 測時信號測量示意圖

DA輸出為0～5 V可調，根據DA輸出，比較被測信號與DA輸出參考電平的高低，可實現0～30 V內的任意電平觸發。由于信號經過電纜網傳輸后，存在一定干擾。這里設計了濾波算法，將干擾信號濾掉，保證采集到準確的觸發時間。

2.1.4 電源模塊

電源子板屬于本套設備的供電模塊，為各個功能子板提供所需要的電源，功能如圖8所示，輸入為220 V市電，輸出通過CPCI連接器供給至母板，輸出包括28 IV、28 VII、12 V、5 V I、5 V II、3.3 V等電源，其中除12 V和3.3 V為數字系統供電需共地外，其它路電源均相互隔離。

圖8 功能示意圖

2.2 軟件通用化設計

為了保證軟件的通用性與靈活性，開發出通過更改配置文件即可以實現軟件升級或重構的地面供配電測試設備應用程序，與硬件配合實現供配電地面測試設備在同類型號或不同類型號之間的延用或重用，而不需要軟件開發人員在編譯環境重新修改代碼[8]。

軟件設計也采用了模塊化、可配置思想。每種功能板卡對應一個功能模塊，根據實際需求可以任意配置需要使用的模塊[9]。如圖9所示，在設備使用過程中，母板主控芯片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發送至母板主控芯片，再由主控芯片轉發給前端軟件。

圖9 軟件關系圖

所有的配置文件均通過程序界面來生成，采用交互式對話框來錄入所有配置信息。所有配置文件采用加密的方式進行存儲，保證使用者只能通過程序修改配置信息，無法手動修改配置，保證系統的穩定性。

軟件的主要功能包括：網絡通信模塊；指令生成模塊；測量解析模塊；參數配置模塊；日志記錄模塊；MTP遙控模塊。

網絡通信模塊：供配電測試系統設備軟件使用TCP協議和嵌入式下位機以及MTP進行通信。

指令生成模塊：指令生成模塊根據調用，將指令通過配置文件生成符合嵌入式協議的數據包，然后傳遞給網絡通信模塊。

測量解析模塊：將嵌入式程序發送來的測量數據包根據測量通道的配置文件解析為符合任務要求的測量值。

日志記錄模塊：日志主要包括數據傳輸日志、繼電器壽命、自身工作狀態的記錄。這些數據記錄在Mysql數據庫中，每次開機便會進行實時更新與存儲。

MTP遙控模塊：主要包括遙控指令執行和測量數據更新。

參數配置模塊：參數配置模塊主要包括程序的配置，指令的配置，測量值的配置，所有配置文件通過程序配置界面進行編輯修改。而該模塊也是實現靈活性的重要手段之一。具體功能如下：

程序配置通過XML來實現，用戶通過編輯XML來完成程序運行的各種設置包括網絡通信參數配置、數據庫IP配置、界面顯示配置等配置。

指令配置通過Access的方式實現，用戶通過修改Access配置文件對繼電器開關所在板卡、地址和名稱、通道號等信息進行修改。

測量值配置，用戶通過修改Access配置文件對測量所在板卡、通道號和解析使用的公式、地址和名稱等信息進行配置。

顯示配置參數，采用Access中表的方式進行配置，主要配置程序所包含的界面、數量、界面名稱和界面所顯示的內容。每個表代表一個窗口，和每個通道所在板卡無關，只和指令配置項所在表有關。

配置方法非常簡單便捷，如圖10中舉例所示，只需要將表名和界面上的按鈕名稱對應即可，按鈕名稱也是通過表“主按鈕”配置的，這就意味著更換板卡或者改變板卡功能只需要通過改變配置即可。對于單張配置表，表中的功能為同一類型，表中的行數受限制，軟件會分頁顯示該類型對應的表格的定義。比如配置指令模塊，可以根據實際型號需求配置通道號，指令脈寬、指令名稱、是否檢測指令發出狀態等。這樣，針對被測型號的不同需求，用戶只需配置軟件對應關系，調整功能板卡的組合即可實現整個設備的通用化，無需更改電路設計，極大提高了測試靈活性與通用性。

圖10 配置界面圖

3 可靠性提升措施

供配電地面測試設備是衛星測試系統的重要組成部分，完成對衛星的供電、有線指令發送、狀態信號采集等功能。其穩定實時準確的測量與控制是型號任務準確、安全、可靠的保障[10]。

為了提升設備的可靠性，測試系統中采取了以下一系列措施：加入設備運行狀態的實時監測功能，并對測試數據進行存儲與分析處理，預測設備自身的健康狀態，實現壽命預估功能、故障預處理功能。如針對直接影響整個型號供電可靠性的關鍵器件—大功率繼電器，加入了對該類繼電器閉合狀態、使用次數、導通電阻等參數的監測與報警，降低該類器件發生質量問題的頻率；針對設備內部容易發熱部位加入了溫度檢測與風扇調節功能，防止因溫度過熱造成器件失效；加入設備自身各個模塊工作電壓、電流等參數的采集分析功能，通過這些測試數據可以預估設備的健康狀態及工作情況；加入故障預處理功能，如針對測試網絡出現意外擁堵，造成測試數據傳輸錯誤丟幀等情況，測試系統能夠及時發現，對錯誤數據包進行拼接、拋棄等處理，保證測試數據的完整性準確性，以此提高設備的可靠性、可維修性、保障性。

另外，針對航天器信號傳輸過程中出現的雜波干擾造成誤采集觸發等現象，除了在電路設計增加濾波電路外，在采集算法上也進行了可靠性設計。如回收測時濾波算法：濾波算法默認設置為240階低通數字濾波器，每0.655 36 ms作為每一階濾波的周期，連續采集240個周期數據，判斷如果有超過225個周期為高，則認為正常觸發信號到來，記錄第一次出現高電平的時刻為觸發時間。考慮到在正常信號觸發時可能會隨機疊加負脈沖干擾，如圖11所示的情況，所以沒有將判斷高電平次數設置為240次。這樣可有效避免干擾信號對電路造成的誤觸發現象。同時增加了該模塊濾波脈寬可設功能，提高了不同干擾環境下的適應性。

圖11 濾波算法示意圖

4 系統實現與結果分析

4.1 系統實現

通過硬件功能模塊化、軟件功能配置化設計，形成功能統一、接口統一的測試設備。根據不同型號對地面供配電測試設備不同功能的要求，首先通過在通用的機箱插入不同的功能板卡進行功能組合，快速將硬件系統搭建起來，其次通過上位機軟件根據實際需求進行靈活配置，實現特定的功能，最后根據不同航天器接口定義，制作不同的轉接電纜，實現供配電設備的通用化。具體轉接電纜和背板連接如圖12所示。

圖12 轉接電纜和背板連接圖

4.2 結果分析

軟件操作界面與配置文件操作界面分別如圖13、14所示，由圖可以看出，每種功能板卡對應一個操作界面與一個配置文件，方便操作人員使用與重新配置。

圖13 軟件界面示意圖

圖14 軟件配置表界面

使用該通用化設計后，單機配套數量減少為傳統方案的三分之一，研制費用與傳統方案大大降低，設備功能和性能完全可以覆蓋后續項目的測試需求，綜合費效比明顯優越。經實際產品研制和系統測試與型號使用，能夠滿足航天器從綜合試驗到靶場測試發射的全生命周期測試需求，功能擴展靈活，通用性、可靠性有較大提高，已在兩個項目中實現產品共用，經濟效益明顯。

5 結束語

通過模塊化的功能子板，靈活配置的軟件，轉接電纜的互相配合以及設備自身可靠性的設計，實現了通用化，配置靈活的高可靠性供配電測試設備。優化了地面供配電測試設備的研制流程，減少設計人員的重復性勞動，大大提高了研制效率，降低了系統開發的人力成本和時間成本，延長了測試系統的生命周期。目前已在多個型號中成功應用，其可靠性、靈活性、通用性得到了驗證。