CN100405701C - 一种用于卫星的小型配电测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于卫星的小型配电测控系统，包括：系统调度与控制电路、1553B总线接口电路、模拟量遥测电路、数字量遥测电路、开关指令输出电路。本发明完全实现了星上系统的自主在线监控，具有较高的可靠性和稳定性，而且体积小、功耗低，提出的这种基于FPGA技术的数据采集与处理的设计思想及实现方法，方便、简单、高效，具有很强的实用性。

Description

一种用于卫星的小型配电测控系统

技术领域

本发明涉及一种用于卫星系统中的配电测控设备，特别是涉及一种可用于卫星的小型配电测控系统。

背景技术

在常规的卫星测控系统中，常常需要采集各种模拟量信号、数字量信号，并对它们进行相应的处理。如配电器设备中就有许多需要采集的各种模拟量信号(如各个被加电设备的各路电源的供电电压幅度及相应的该路电源的电流使用情况等)、数字量信号(如电源的开关状态监视)，同时还需要对配电器设备中的继电器进行相应的打开、闭合等处理，从而完成对载荷的加电、断电功能。

在现有的卫星系统设计当中，一般通过常规的地面遥测、遥控通道来实现配电测控。例如由地面发出对某设备的操作指令，天上运行的设备执行指令后再通过天上卫星与地面大的遥测信道，将该设备有关执行情况的遥测数据返回到地面，由人工在地面来判断其数据的内容的正确与否。如果地面发现该条指令执行不正常，则需要地面重新开始新的一轮过程：地面发出指令-＞指令上行-＞设备执行-＞遥测下行-＞地面人工判读。在这个过程中，对于进入很短暂的测控区来说，浪费了许多宝贵的时间，同时也增加了地面人工判读的难度：即要在很短的时间内判断数据的准确性，同时针对异常的问题数据，还需要快速决断，及时调整指令。这种完全由地面操作实现的遥测、遥控最大的弊端，就是当在太空运行过程中，对于某些设备受到空间环境的干扰，例如发生单粒子锁定，出现了电流骤增等异常现象时，如果当时卫星并不处于地面的测控区，地面人员无法获得当时的情况，或者卫星处在测控区，而地面人员没有及时发现异常，那么长时间的大电流工作会对该设备部分或全部，乃至整个系统造成无法恢复的损失。

现有用于卫星的配电测控系统的不足主要在于：

1)配电设备没有连接在系统总线上，因而系统无在线监控功能，在轨运行时不能自主测控；

2)电路复杂，系统结构庞大，可能影响系统可靠性；

3)功耗和体积较大；

4)需要软件协同工作。

因此，需要一种能在太空运行过程中自动监视设备工作状态，并针对异常及时进行处理的环境，尤其是对于负责对星上各设备加、断电的配电器这类重要的电源设备。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的缺陷，从而提供一种适用于卫星的电源系统的小型配电测控系统。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于卫星的小型配电测控系统，如图1所示，由以下部分组成：

系统调度与控制电路1；

1553B总线接口电路2，与所述系统调度与控制电路1连接；

模拟量遥测电路3，与所述系统调度与控制电路1连接；

数字量遥测电路4，与所述系统调度与控制电路1连接；

开关指令输出电路5，与所述系统调度与控制电路1连接，输出满足卫星接口要求去控制相应的继电器开关；

所述系统调度与控制电路1由MIL-STD-1553B总线数据接收与发送单元、开关指令发送及控制单元、开关指令输出状态监测单元、模拟量采集与控制单元、数字量采集与控制单元组成；

所述模拟量遥测电路3包括：多路模拟切换器31、模拟量输入接口电路32、信号调整电路33、接口保护电路35、模拟量AD转换电路34顺序连接，其中AD转换电路34与所述系统调度与控制电路1进行双向数据通信，所述系统调度与控制电路1控制多路模拟切换器31进行通道切换，选择所需采集的模拟量；所述多路模拟切换器31接收来自配电器内部电路6的有关监视所有供电线路的模拟量遥测的数据，由此实现针对电源供电电压幅度、电流使用大小等情况设计的多路(例如64路)模拟量的采集。

在上述技术方案中，所述数字遥测电路4，包括：数字量输入接口电路41与接口保护电路42连接，其中接口保护电路连接至所述系统调度与控制电路1，所述数字量输入接口电路41接收来自配电器内部电路6的显示各加电设备电源供电状态的数据。

在上述技术方案中，所述开关指令输出电路5主要包括OC门(集电极开路门)输出电路51，所述系统调度与控制电路1通过OC门输出电路51将满足卫星接口要求的波形输出到配电器内部电路，从而控制配电器内部电路6输出信号来控制各设备电源的开启或关闭。

在上述技术方案中，所述模拟量遥测电路3还包括一接口保护电路35串联在所述AD转换电路34和信号调整电路33之间。

在上述技术方案中，所述系统调度与控制电路1主要由FPGA(现场可编程门阵列)芯片组成，通过编写内部执行程序或设计FPGA内部逻辑来实现测控的调度与控制。

本发明通过1553B数据总线接口与大系统相联实现系统的测控。由于系统总线是分时的，所以本发明与总线通讯相关的遥测、遥控是分时进行的，但本发明的遥测数据采集与开关指令的输出功能独立，可以并行工作。

如图2所示，遥控部分的工作过程可描述为：带有开关指令信息及相应勤务信息的数据通过1553B总线接口电路2获得，由系统调度与控制电路1中MIL-STD-1553B总线数据接收与发送部分进行处理，按照总线协议内容，通过识别有效的RT地址和有效的指令相关地址，进行译码控制1，读取带有开关指令信息的数据内容，并将其存储于内存中，通过FPGA中设计的识别电路，判断接收到的数据的有效性，对于验证数据内容符合规定的指令格式，认为该数据有效，并将其存储到有效命令单元中。通过对指令集各个有效命令的具体编码进行译码后，选择不同编码指令所对应的通道，并对该通道执行开关指令。输出符合规定的脉冲波形到其对应的OC门电路后，最终加载到配电器中的继电器上，控制其打开或闭合，从而实现对该路供电电源的开、关控制。

如图3所示，遥测部分的工作过程可描述为：被监视的遥测量(如数字量或模拟量)通过相应的遥测数据采集控制电路，将被测数据按照一定的顺序和频率进行采集，组织成符合规定格式的数据块，存储在内存当中。按照总线协议内容，通过识别来自MIL-STD-1553B总线的有效的RT(远置终端)地址和有效的遥测发送的相关地址，进行译码后，将存储好的数据内容以消息的形式控制输出到1553B总线7上。

针对模拟信号的遥测，还需要经过整形及转换电路，参见图1模拟量部分，其具体过程为：来自各路电源的各种模拟量电信号(含电源的输出电压监测及使用电流检测)，连接到多路模拟切换器31上，由系统调度与控制电路1内设计的模拟开关控制信号依照一定的频率和顺序切换不同通道，选择需要采集的模拟量。该路模拟量通过模拟量接口电路32后经信号调整电路33进行整形及接口保护电路35后，送到A/D采集转换电路34，在系统调度与控制电路1中模拟量采集与控制部分的A/D采集控制逻辑的作用下，启动并完成模拟量信号的转换，将其生成的数据输入并存储在内存中。可重复上述操作，至所需采集的内容全部采集完毕为止。

本发明的优点在于：

1)小型化配电测控；本发明完全满足卫星系统的各种接口要求，通过功能强大的FPGA的设计使常规复杂的数字逻辑测控存储电路集中在一片芯片内，并且它使常规的配电装置直接挂接在星上系统的1553B数据总线上，将配电器与整个系统有机的结合起来，成为总线上的一部分，并随时保持双向通讯，完全实现了星上系统的自主在线监控，通过总线可以对整个系统的任何设备的加电、断电功能在星上完全自主实现。

2)由于系统完全是由硬件实现的，具有较高的可靠性和稳定性，而且集成度高，体积小、功耗低，满足航空、航天所要求的体积、重量、功耗、可靠性、抗辐射等方面的要求。

3)本发明所提出的这种基于FPGA技术的数据采集与处理的设计思想及实现方法，方便、简单、高效，有利于提高硬件电路的集成性、可靠性及保密性，具有很强的实用性。利用FPGA的容量大、集成度高、I/O端口多，且可以自由设计、定义其功能的特点，配以VHDL编写的FPGA内部执行软件，能很好地解决系统采集的遥测信号路数多、存储量大的问题。FPGA硬件的速度是ns级的，且其内部对各类数字量可设计并行处理，有较高的效率，因此本系统比其它系统更能实时地、快速地监测信号量的变化。所以状态量特别多的监测系统中，本系统将更能发挥出自身的优势。且鉴于FPGA和VHDL语言自身的特点，系统具有较好的扩展性，对于监测和控制系统中，具有一定的通用性。

4)本发明不仅可广泛应用于使用1553B总线的系统中，而且还可广泛应用于地面各种复杂的具有较强实时性要求的测控系统中。

附图说明

图1表示本发明的小型配电测控系统的电路框图；

图2表示本发明一实施例的FPGA芯片中对开关指令接收与输出的工作过程示意图；

图3表示本发明一实施例的FPGA芯片中对数据遥测(模拟量或数字量)的过程示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参照图1所示制作用于卫星的小型配电测控系统，由系统调度与控制电路1，1553B总线接口电路2，模拟量遥测电路3，数字量遥测电路4，开关指令输出电路5组成，其中：

系统调度与控制电路1包括：MIL-STD-1553B总线数据接收与发送单元、开关指令发送及控制单元、开关指令输出状态监测单元、模拟量采集与控制单元、数字量采集与控制单元；系统调度与控制电路1由FPGA芯片组成，通过设计FPGA内部逻辑或用VHDL语言编写内部执行模块来实现测控的调度与控制，从而实现上述各单元的功能。本实施例采用VHDL语言编写FPGA内部执行模块。

模拟量遥测电路3包括：多路模拟切换器31、模拟量输入接口电路32、信号调整电路33、模拟量AD转换电路34顺序连接，还包括一接口保护电路串联在所述AD转换电路和信号调整电路之间；其中AD转换电路与所述系统调度与控制电路1进行双向数据通信，所述系统调度与控制电路1控制多路模拟切换器31进行通道切换，选择所需采集的模拟量；所述多路模拟切换器31接收来自配电器内部电路的数据，由此实现针对电源供电电压幅度、电流使用大小等情况设计的多路(例如64路)模拟量的采集。上述多路模拟切换器31、模拟量输入接口电路32、信号调整电路33、模拟量AD转换电路34均采用常规电路。

数字量遥测电路4，用于监测数字量的系统状态如开关量等，包括：数字量输入接口电路41与接口保护电路连接，其中接口保护电路连接至所述系统调度与控制电路1，所述数字量输入接口电路41接收来自配电器内部电路的数据。上述数字量遥测电路4中电路均采用常规电路。

所述开关指令输出电路5主要包括OC门输出电路，所述系统调度与控制电路1的数字量输出电路通过OC门输出电路将满足卫星接口要求的波形输出到配电器内部电路，从而控制配电器内部电路6输出信号来控制各设备电源的开启或关闭。

系统调度与控制电路1采用FPGA芯片，具有体积小、容量大、速度快，可靠性高的特点，它非常适合应用于计算机总线控制、地址译码、定时/计数器、存储控制器等I/O密集型应用，通过FPGA内部电路设计可以将用户所需要的所有总线通讯协议内容实现，完成数据采集、存贮、译码、接收与发送处理等功能，从而实现系统遥测、遥控、自控等。

1553B总线接口电路2采用DDC公司的BUS-65153，具有航天级的军品；

FPGA芯片采用ACTEL公司的A1280A，具有航天级产品，且有较好的抗辐照能力。鉴于本发明应用于航空、航天领域，加之配电器又直接对设备进行加、断电控制，其可靠性设计更为重要。因此，将配电器对所有设备的加、断电指令进行了冗余编码设计，并选取校验码，同时加强了指令接收后，对待执行的指令的数据身份验证，对于校验合格者，针对该条指令设计采用发三遍命令进行执行。本实施例的系统调度与控制电路1FPGA芯片内部还设计了实时监视窗口针对每次开关指令操作，对指令执行过程输出相应监视波形，供系统监测指令执行计数及执行性能。

通过数字量和模拟量遥测电路设计，系统可以随时对配电器自身的工作状态、各项性能及全方位监视系统内各个设备的主份或备份电源的加电电压、使用电流情况进行实时全局的在线监测，对有效载荷加电状态进行分析与判断，当监测到异常情况时，通过服务请求机制，发出紧急消息，通知系统进行相关处理。

对本实施例中，FPGA芯片内部设计有如下方面：(1)集数据采集、组织、发送；指令接收、识别、分发、执行等功能为一体，直接与系统进行数据交互；(2)设计判别总线通讯协议，选择相应译码电路，读取有效数据；(3)设计实现符合航天规范要求的遥控开关指令通道，输出脉宽160ms的开关指令控制继电器工作；(4)设计指令编码识别电路，使符合要求的有效数据才执行对设备的加电、断电，满足航天系统的可靠性要求；(5)设计可选择最小工作单元和功能，包括对配电器自身的主/备电源切换控制；对系统进行电流检测的功能选择；重要的是控制整个系统的各设备加电、断电或主/备机的切换；(6)设计输出开关指令的监测电路，通过第三方监视指令执行情况、信号输出状态；(7)通过数字量遥测通道，监视配电器继电器闭合状态，并传送给系统；(8)通过模拟量遥测通道，监视整个系统电源供电和各路电流的使用情况状态，遥测系统中各设备加电、断电或主/备机的切换情况，模拟量及数字量采集的有效数据预先存储在FPGA开辟的内存当中，等所有内容依照一定的顺序和频率采集完毕后，统一将数据形成一整条消息直接发送给系统；(9)设计总线通讯自检功能，如实现系统长抱环测试等。

本实施例通过1553B数据总线接口与大系统相联实现系统的测控。由于系统是分时的，所以本实施例的与总线通讯相关的遥测、遥控功能也是分时进行的，但本实施例的遥测数据采集与开关指令的输出功能是独立的，可以并行工作。具体工作过程如下：

如图3所示，遥测电路的处理过程为：被监视的遥测量(如数字量或模拟量)通过相应的遥测数据采集控制电路将被测数据按照一定的顺序和频率进行采集，组织成符合规定格式的数据块，存储在内存当中。按照总线协议内容，通过识别来自MIL-STD-1553B总线的有效的RT地址和有效的遥测发送的相关地址，进行译码后，将存储好的数据内容以消息的形式控制输出到1553B总线7上。

针对模拟信号的遥测，还需要经过整形及转换电路，参见图1模拟量部分，其具体过程为：从各路电源送出的各种模拟量电信号(含电源的输出电压监测及使用电流检测)，连接到模拟多路开关上，由FPGA内设计的模拟开关控制信号依照一定的频率和顺序切换不同通道，选择需要采集的模拟量。该路模拟量通过模拟量接口电路后经运放电路进行整形及接口保护电路后，送到A/D采集转换芯片，在系统调度与控制电路1(FPGA)中模拟量采集与控制部分的A/D采集控制逻辑的作用下，启动并完成模拟量信号的转换，将其生成的数据输入并存储在内存中。可重复上述操作，至所需采集的内容全部采集完毕为止。

如图2所示，遥控部分的工作过程可描述为：带有开关指令信息及相应勤务信息的数据通过1553b总线接口获得，由系统调度与控制电路1中MIL-STD-1553B总线数据接收与发送部分进行处理，按照总线协议内容，通过识别有效的RT地址和有效的指令相关地址，进行译码控制，读取带有开关指令信息的数据内容，并将其存储于内存中，通过FPGA中设计的识别电路，判断接收到的数据的有效性，对于验证数据内容符合规定的指令格式，认为该数据有效，并将其存储到有效命令单元中。通过对指令集各个有效命令的具体编码进行译码后，选择不同编码指令所对应的通道，并对该通道执行开关指令。输出符合规定的脉冲波到其对应的OC门电路后，最终加载到配电器中的继电器上，控制其打开或闭合，从而实现对该路供电电源的开、关。

本实施例基于FPGA技术的数据采集与处理方法，有利于提高硬件电路的集成性、可靠性及保密性，具有很强的实用性。利用FPGA的I/O端口多，且可以自由编程支配、定义其功能的特点，配以VHDL编写的FPGA内部执行软件，能很好地解决采集的遥测信号路数多的问题。因为FPGA硬件的速度是ns级的，且其内部对各类数字量可按并行处理，有较高的效率，因此本系统比其它系统更能实时地、快速地监测信号量的变化。所以在状态量特别多的监测系统中，本系统将更能发挥出自身的优势。且鉴于FPGA和VHDL语言自身的特点，系统具有较好的扩展性，对于监测和控制系统中，具有一定的通用性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于卫星的小型配电测控系统，由以下部分组成：

系统调度与控制电路(1)；

1553B总线接口电路(2)，与所述系统调度与控制电路(1)连接；

模拟量遥测电路(3)，与所述系统调度与控制电路(1)连接；

数字量遥测电路(4)，与所述系统调度与控制电路(1)连接；

开关指令输出电路(5)，与所述系统调度与控制电路(1)连接，输出满足卫星接口要求去控制相应的继电器开关；

所述系统调度与控制电路(1)由MIL-STD-1553B总线数据接收与发送单元、开关指令发送及控制单元、开关指令输出状态监测单元、模拟量采集与控制单元、数字量采集与控制单元组成；

所述模拟量遥测电路(3)包括：多路模拟切换器(31)、模拟量输入接口电路(32)、信号调整电路(33)、接口保护电路(35)和模拟量AD转换电路(34)，并且所述的多路模拟切换器(31)、模拟量输入接口电路(32)、信号调整电路(33)、接口保护电路(35)和模拟量AD转换电路(34)顺序连接，其中AD转换电路(34)与所述系统调度与控制电路(1)进行双向数据通信，所述系统调度与控制电路(1)控制多路模拟切换器(31)进行通道切换，选择所需采集的模拟量；多路模拟切换器(31)接收来自配电器内部电路(6)的有关监视所有供电线路的模拟量遥测的数据，实现针对电源供电电压幅度、电流使用大小情况设计的多路模拟量的采集。

2.根据权利要求1所述的用于卫星的小型配电测控系统，其特征是，所述数字遥测电路(4)，包括：数字量输入接口电路(41)和接口保护电路(42)，并且所述的数字量输入接口电路(41)与接口保护电路(42)连接，其中接口保护电路连接至所述系统调度与控制电路(1)，所述数字量输入接口电路(41)接收来自配电器内部电路(6)的显示各加电设备电源供电状态的数据。

3.根据权利要求1所述的用于卫星的小型配电测控系统，其特征是，所述开关指令输出电路(5)主要包括OC门输出电路(51)，所述系统调度与控制电路(1)通过OC门输出电路(51)将满足卫星接口要求的波形输出到配电器内部电路，从而控制配电器内部电路(6)对各设备电源的开/关。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于卫星的小型配电测控系统，其特征是，所述系统调度与控制电路(1)主要由FPGA芯片组成，通过VHDL语言编写芯片内部执行程序或设计FPGA内部电路来实现测控的调度与控制。

5.根据权利要求4所述的用于卫星的小型配电测控系统，其特征是，所述系统调度与控制电路(1)FPGA芯片内部还设计了实时监视窗口针对每次开关指令操作，对指令执行过程输出相应监视波形。

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