基于STM32的航天器電氣負載監控系統設計

鄭云峰

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

0 引言

航天器電氣負載監控系統的數據化與智能化是未來的發展方向，隨著我國航天事業的不斷發展，應用在航天器研究領域的數字化技術也越來越復雜，作為航天器主要結構的電氣負載監控系統也需要經過數字化與智能化的改進，保障航天器的正常飛行。航天器中的電氣負載體系是由供電系統以及用電設備組成，具有重量輕、效率高、穩定性強、適應能力強等優勢，再加上監控系統對電氣負載的控制更提升了電氣負載的供應能力，隨著航天器內的電子設備越來越豐富，其內部的電氣負載監控系統任務也越來越重要[1]。

本文將設計基于STM32的航天器電氣負載監控系統，應用STM32嵌入式芯片將監控系統的數據處理能力提升并保障電氣負載能夠正常向航天器傳輸信號，還將設計應用程序使硬件平臺相關聯，作為一套整體電氣平臺向航天器飛行提供保障。航天器電氣負載監控系統的數據化與智能化是未來的發展方向，基于STM32技術的系統設計主要圍繞監控數據的提取、傳輸、處理、儲存與交互進行研究，在硬件系統的設計中采用能夠實現數據配置的數據接口與相關外接設備，通過服務器處理數據傳輸內容，再應用WLAN驅動芯片同步不同硬件模塊的工作頻率，還設計繼電保護裝置完善監控系統的數據識別能力；在軟件系統的設計中圍繞硬件的使用方法設計運行流程，調節硬件獲取數據在軟件中的運行時間段，拓展監控系統對外通信能力，增強系統的交互能力與智能化水平[2]。

1 基于STM32的航天器電氣負載監控系統硬件設計

本文提出的基于STM32的航天器電氣負載監控系統硬件由數據接口、外接設備、負載監控服務器、WLAN驅動芯和繼電器控制模塊片組成，系統硬件結構如圖1所示。

圖1 基于STM32的航天器電氣負載監控系統硬件結構

1.1 基于STM32的嵌入式數據接口以及外接設備

基于STM32芯片的數據接口有較多種類，其接口的主要作用是用來進行數據調試，可以與其他的時鐘類數據接口進行關聯，能夠使數據接口中的基本型號設備能夠完成數據復位，應用寄存器在數據接口中進行功能改造，確定航天器電氣負載傳輸數據類型后控制數據接口的時鐘功能，將數據寄存在芯片端口處，在配置寄存器的過程中選擇了雙控制器寄存器，將串口可接收數據分類處理[3]。

STM32芯片外接串行接口可采用半工作狀態與全工作狀態兩種型號，均能實現數據配置工作，能夠精準配置到負載設備內部儲存器的主控中心。設計四條標準的接口信道線路，分別從電氣負載的總設備輸出，輸入至STM32芯片端口；從STM32芯片端口輸出，輸入至電氣負載的總設備；傳輸電氣負載的時鐘條件信號；從主設備中的電氣負載輸出傳入航天器軟件程序中[4-6]。

在芯片接口與串行寄存器中裝置一條數據驅動接口，能夠滿足寄存器中的傳輸字節與航天器主機中的字節相互交流，接口中的時鐘主要控制電氣負載信號與接口之間的傳輸時間段，需要滿足信號線中的空余空間，另外在STM32芯片中添加G-SPI接口，能夠隨時中斷電氣負載傳輸信號，只需要將此接口與常規接口進行數據配置即可使用[7-9]。

嵌入式外接接口如圖2所示。

圖2 外接接口內部結構示意圖

1.2 航天器電氣負載監控服務器

接口數據完成統計后便傳輸至航天器電氣負載監控服務器中，通過TCP數據協議將相關數據送入處理模塊中進行處理。應用客戶機完成數據對接任務，根據STM32中芯片數據類型設定參數并顯示數據對接進度，為監控系統的實時檢測功能創建數據條件；本文還采用UDP服務器作為TCP數據傳輸協議的副服務器，根據數據傳輸規則對數據進行解析，工作頻率能夠適應電氣負載強度，所以將此套服務器設備安裝在電氣負載中[10]。

電氣負載監控服務器內部電路如圖3所示。

圖3 電氣負載監控服務器內部電路圖

1.3 基于STM32的航天器電氣負載監控服務器

本文應用環旭電子科技公司生產的WM-G-MR-09模塊作為WLAN驅動芯片的主要實現模塊，不同的模塊生產廠家對此模塊的生產都將STM32芯片技術融入技術協議層中，能夠同時完成數據的采集、時鐘設定、處理、儲存等任務，在于電氣負載服務器信道連接后可以實現屏蔽硬件協議層功能，在監控系統的主機中即可完成驅動芯片的操控，WM-G-MR-09模塊的集成程度較低，為此本文在其中安裝88W8686型號電子芯片，能夠寄存在模塊中完成高集成任務，不占用模塊中其他芯片的能耗以及數據成本，符合IEEE802.11a/g/b標準，同時還支持傳統電氣負載下的數據傳輸速率，內部CPU處理器為64位，數據線位寬為64位，處理器工作頻率可根據航天器內部負載工作頻率相同步[11]。驅動芯片的引腳如圖4所示。

圖4 驅動芯片引腳

1.4 基于STM32的航天器電氣負載監控繼電器控制模塊

繼電器控制模塊能夠工作在高壓環境下，根據STM32芯片CPU處理器控制繼電器模塊的進行與中斷，設定所有的繼電器均通過隔離二極管進行電氣負載監控，采用磁性隔離板對干擾信號進行分離[12-14]。負責控制繼電器運行的CPU主要通過指令信息進行命令傳達，負責繼電器負載數據統計的繼電器轉換觸點，能夠中斷與隔離電氣負載數據。

繼電器控制電路如圖5所示。

圖5 繼電器控制電路

本文設計繼電器模塊需要通過運行周期完成監控系統的數據識別，規定每個周期內的數據盡量優先傳送至自檢模塊中，再傳達到繼電保護裝置中，起到一定的信號過濾作用，數據接口總線中的數據是直接連接到CPU模塊中的，應用驅動電路能夠增加CPU對繼電保護裝置的數據監測判斷能力，采用的驅動電路型號為MC1413，每條電路的外出節點都能夠連接5條數據總線，每條線路的輸出環境電流為50 mA，可以供應兩個繼電器同時工作，驅動電路的正常工作電壓為12 V，所以在增加其他設備的輸出電流時也需要進行繼電器隔離，避免繼電器的誤動作[15]。繼電器的內部檢測數據接口基本采用6個觸點的容電器，具有容量大、能耗高、體積小、可更換等特點，與驅動芯片可串聯連接具有相同的工作電壓，當外加電壓超過工作電壓時可自動識別繼電器的開閉狀態，觸點持續運作電流為50 mA，為了規范繼電保護裝置的切換狀態，選用MC1413型號晶體管作為繼電器驅動器，能夠同時供應10個電氣負載輸出電流，提升繼電保護器在檢測系統中的識別能力[16]。

2 基于STM32的航天器電氣負載監控系統軟件設計

在設計了嵌入式數據接口以及外接設備、航天器電氣負載監控服務器、航天器電氣負載監控服務器及基于STM32的航天器電氣負載監控繼電器控制模塊等硬件設計的基礎上，設計航天器電氣負載監控系統軟件。將STM32驅動芯片

航天器以太網控制器的USB通信方式是基于STM32標準設備類的USB型驅動程序連接方式。USB Host主機首先與航天器以太網控制器建立定向性的USB通信連接，然后再借助PLC擴展負載模塊，發送以太網環境中的監控地址配置信息，PCB監控板通過USB協議將發送過來的負載信息解析成既定的數據傳輸形式，再借助I/O信道，存儲于μC/OS-II內核結構體之中，與此同時產生大量的通信中斷任務[13]。μC/OS-II內核在STM32單片機的促進下，可直接中斷航天器以太網控制器中的地址配置數據，再利用信息任務函數，將分配好的電氣負載信號反饋回原數據庫主機之中，從而實現對航天器設備網絡地址的按需配置。監控固件是存儲在航天器設備可編程存儲器中的一段USB驅動程序，它是整個監控系統中最底層的工作執行軟件，負責協調與電氣負載設備相關的執行應用功能。在一個硬件設備之中，監控固件能夠直接決定航天器電氣負載元件的功能與性能。按照USB驅動程序連接，設計基于STM32航天器電氣負載監控系統軟件流程，如圖6所示。

圖6 基于STM32航天器電氣負載監控系統軟件流程圖

基于STM32航天器電氣負載監控執行流程主要以嵌入式芯片程序為執行核心，緊密聯系執行流程與硬件的結合狀態，滿足航天器電氣負載監控系統的實時特性。執行程序的運行首先需要將內部的相關硬件運轉時鐘與航天器電氣負載外部供應系統進行同步，控制整套系統的動作在同一周期內完成，了解I/O數據交互條件并能夠及時控制交互任務的實現過程，保留一部分數據接口作為軟件系統的運行后備數據，規劃航天器電氣負載內部硬件為多個不同的工作模塊，疏通CPU與STM32之間的信道，再應用STM32驅動芯片完成模塊化的精細化控制，嵌入代碼建立監控運行環境，提供CPU與時鐘之間的協調空間，分配相應的工作流程并設定流程完成的時間段[17-18]。

實際的執行流程需要將STM32驅動芯片內的數據形式劃分為多種儲存格式，應用在不同的模塊中，還需要統一不同模塊內的數據接收時間與輸出時間，精確控制接口與芯片或控制器的處理效率，整體軟件系統的數據接收時間統一失敗則無法啟動系統的實時監控功能。

STM32嵌入式驅動芯片可以為系統提供數據采集功能，尋找控制電氣負載數據端口的命令程序，對命令進行反饋或調節，獲取新代碼發送至上位機的代碼儲存裝置中，構建新的代碼運行程序并根據芯片信號的輸出原因和輸出狀態判斷下一階級能否接收到串口通信信號；航天器電氣負載監控相關數據接口主要發送數字級別信號，對程序的運行時間影響較小，考慮到電氣負載數據監控器的終端狀態，設計軟件系統中初始化代碼為不可更換代碼，在時鐘中設定監控器的代碼發布周期為50 ns。

軟件系統運行過程中監控到重要的信號時會通過STM32嵌入式芯片對外通信，通信對象主要包括芯片與下位機之間和芯片與航天器控制中心之間，通信流程實現主要應用異步串行通信方式，能夠將監測到的數據包以文件夾的形式對外發送，傳輸過程中方便管理人員的識別；當通信數據量較大時建立一條通信協議，設定數據傳輸條件，能夠完全處理與儲存通信內容，規定每條數據連接器與控制器的字節大小，再壓縮代碼完成終端數據反饋。

通過上述流程，實現系統軟件運行，再結合所設計硬件設備元件，實現基于STM32的航天器電氣負載監控系統的順利應用。

3 實驗研究

為了檢測本文提出的基于STM32航天器電氣負載監控系統的有效性，與傳統的基于數據挖掘的航天器電氣負載監控系統，基于信息分析的航天器電氣負載監控系統進行仿真實驗對比。實驗在Simulink仿真平臺進行，設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

根據上述參數，選用本文系統和傳統系統進行對比實驗，共進行8次實驗，將電氣負載監控系統得到的通信糾錯率實驗結果記錄下來，如圖7所示。

圖7 電氣負載監控系統通信糾錯率實驗結果

根據圖7可知，本文系統的基于STM32的航天器電氣負載監控系統通信糾錯率優于傳統系統，糾錯率平均值為92%。本文提出的監控系統在后期的數據包上增加了CRC檢驗碼，因此具有更強的檢錯能力。在數據通信傳輸過程中，傳統系統都存在傳輸錯誤的情況，本文系統的傳輸過程始終穩定，沒有出現錯傳和重傳現象。在傳輸過程中，本文系統的上位機和下位機傳輸非常穩定，糾錯率較高。

邏輯代碼編寫結果準確率實驗結果如圖8所示。

圖8 邏輯代碼編寫結果準確率

根據圖8可知，本文提出的系統邏輯編碼精準度始終在85%以上，由此可見，本文提出的系統準確性更高。該系統具有友好的人機交互界面，向下位機發送信號配置指令，接收下位機上傳的控制指令，通過設計算法實現系統配置的自動化。具體地說，上位機要顯示各負荷的切換狀態，并可通過鼠標和鍵盤操作來控制各負荷。此外，上位機對采集到的數字量進行分析、組合，再根據協議規定自動配置相關信號，并在上位機接口及實際演示系統中顯示。主機完成數據庫的建立，包括在各階段中，不同飛機狀態下所記錄的全部模擬和數字量，所有連接器的狀態和控制命令，所有匯流帶上的電壓記錄，所有初級電源和次級電源的電壓記錄。當數據配置好后，該功能還可以做下位機，當某些連接線、匯流帶、初級和次級電源和電壓值剛剛啟動時，該下位機就會啟動。主機完成了邏輯模擬實際配電網的負荷轉換，對全部負荷、匯流條、連接器模擬連接故障進行了模擬。

在此基礎上測試3種系統對航天器電氣負載監控的準確性，得到對比結果如圖9所示。

圖9 航天器電氣負載監控對比結果

如圖9所示，在設定的航天器電氣負載功率下，分別采用3種方法對航天器電氣負載進行監測，可以看出本文方法的電氣負載功率檢測結果與設定值基本一致，而其他兩種方法均存在一定誤差。由此可見本文基于STM32的航天器電氣負載監控系統的監控準確性較好。

綜上所述，基于STM32航天器電氣負載監控系統的整體監測性能優于傳統系統，監測能力更強，適用范圍更廣，更適合應用在航天器電氣負載監測工作中。

4 結束語

基于STM32航天器電氣負載監控系統硬件設計主要包含數據接口與外接設備、服務器、驅動芯片、繼電器控制模塊四大部分，主要負責系統的數據傳輸、數據處理、系統監控保護等功能的實現，軟件系統的設計主要包括執行流程、通信流程以及數據采集流程，建立了軟硬件結合的應用程序模塊，實現了監控系統的精準識別與信息傳遞功能。