CN100462882C - 航天光学遥感器调焦控制电路的仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对遥感器调焦控制电路的仿真检测技术，特别是一种航天光学遥感器调焦控制电路的仿真测试方法，是将一由电压调理电路3、模数转换电路5、微型计算机系统6和串口通讯电路7组成的调焦控制仿真测试闭环系统连接在所述的被测调焦控制电路上，对调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号进行检测，其测试程序包括：对调焦控制电路的控制信号进行电压调理，对调焦控制电路的信号进行采集、预处理，对调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号进行检测；将检测到的错误信息显示在微型计算机屏幕上。本方法能在地面上对航天光学遥感器调焦控制电路进行仿真测试，以适应多功能、长时间、快速检测的需要。

Description

航天光学遥感器调焦控制电路的仿真测试方法

技术领域

本发明属于工业自动化领域，涉及对遥感器调焦控制电路的仿真检测技术。

背景技术

航天光学遥感器有效载荷控制系统，根据卫星导航系统实时给出的当前轨道的方位、高度、速度和倾斜角度等信息，实时向光学镜头调焦控制系统发布命令和参数，调焦控制系统经接收、识别和计算处理后，控制步进电机的同一轴系的光学镜头机械执行机构，完成一次调焦任务。同时读出与步进电机同轴相连的绝对式光电编码器上的角度值，把当前光学镜头的实际调焦位置角度值反馈给调焦控制电路，形成闭环与开环相结合的复合控制方法(如图3所示)。

步进电机作为航天光学遥感器调焦驱动件时，要求步进电机的驱动电路等配套电路功能上尽可能专用化，尺寸上尽可能的小，以便增加电路的可靠性，减轻航天光学遥感器的载重。一般对步进电机的信号源、驱动放大电路的检测通常应用示波器等设备来完成。但随着航天领域的不断发展，各种开发任务的周期不断缩短，对检测设备在功能上和时效性上的要求不断提高。以前繁琐的测试方法已不能满足要求。开发操作简单、功能强大、测试速度快、具有长时间检测、监测和事后分析能力的专用航天测试设备成为必然的趋势。

发明内容

本发明的目的是提出一种能在地面上长时间实时监视、记录和检测航天光学遥感器调焦控制电路的仿真测试方法，以适应多功能、长时间、快速检测的需要。

本发明方法是将一由电压调理电路、模数转换电路、微型计算机系统和串口通讯电路组成的调焦控制仿真测试闭环系统，连接在所述的被测调焦控制电路上，对调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号进行检测，其测试程序为：

a.通过电压调理电路对调焦控制电路的控制信号进行电压调理，将调焦控制电路的输出信号电压按固定比例调整到模数转换电路可接受的电压范围；

b.对调焦控制电路的信号进行采集，微型计算机以高频、长时间连续采集经过调理后的调焦控制电路中电机各相位的控制信号，所述的相位为二相位～五相位，视具体设计需要确定多少相位的电机；

c.对调焦控制电路的信号进行预处理，首先对模数转换电路采集的信号进行分析，确定各相位脉冲的电平高低及相位关系，再计算脉冲的频率和脉冲数，并将它们分类存储在计算机存储器中；

d.对调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号进行检测；将检测到的错误信息显示在微型计算机屏幕上；

e.对反馈信息修正计算，航天光学遥感器的焦距对应的位置由两部分组成，一是当前光学焦距对应的步进电机所处的物理位置Pos0，二是步进电机旋转所应移动的物理位置长度Pm，(Pos0+Pm)形成了新的空间相机光学焦距调整反馈物理位置Pos1。所谓的物理位置Pos0和长度Pm实际上是物理位置Pos0和长度Pm所对应保留在微型计算机的脉冲数X₀和由微型计算机接收到需要移动的脉冲数P_i，即形成调焦工作(X₀±P_i)脉冲数；

f.反馈修正仿真调焦控制，当经反馈信息修正计算后，微型计算机立即把新的反馈物理位置数Pos1，按RS422串行通讯协议规定的格式，经RS422串行线路，再发送给调焦控制电路。

本发明方法的优点是：

1.本发明针对航天光学遥感器焦距控制电路的监测问题，计算机按步进电机接收控制电路输出的信息，仿真编码器的功能输出角度，形成闭环检测。利用了计算机高速处理和显示功能，实时监控航天光学遥感器调焦控制电路，充分考虑了航天光学遥感器在各种实际环境中可能出现的不同状态，从而解决了航天光学遥感器调焦控制电路长期工作时的仿真检测问题，而且还避免了直接采用步进电机进行地面试验带来的不直观和误差，这种长期检测对实际精选的步进电机及负载部分的损伤等问题有着重要的意义。

2.由于充分利用了计算机的计算速度、计算精度和实时显示的能力，在仿真测试的过程中可长时间实时检测脉冲宽度、脉冲频率和电压幅值，对验证航天光学遥感器调焦控制电路的稳定性和可靠性提供了重要的手段及设备。

附图说明

图1是本发明航天光学遥感器调焦控制电路的仿真测试方法测试系统原理示意图；

图2航天光学遥感器光学镜头调焦控制基本原理示意图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行详细说明，以便对本发明的目的、特征及优点进行更深入的理解。

参照图2，光学镜头调焦控制基本原理，它由微处理器、控制模块、光耦、功率放大、步进电机、编码器、RS422串行接口电路、传动机构和光学镜头等组成。其中微处理器、控制模块、光耦和功率放大电路形成基本的“调焦控制电路”；步进电机、绝对式光电编码器和RS422串行接口电路形成“电机驱动系统”；机械传动机构和光学镜头组件构成“光学镜头机械执行机构”。

航天光学遥感器有效载荷控制系统，根据卫星导航系统实时给出的当前轨道的方位、高度、速度和倾斜角度等信息，实时向光学镜头调焦控制系统发布命令和参数，调焦控制电路经接收、识别和计算处理后，控制步进电机的同一轴系的光学镜头机械执行机构，完成一次调整焦距的任务。同时读出与步进电机同轴相连的绝对式光电编码器上的角度值，把当前光学镜头的实际调焦位置角度值反馈给调焦控制电路，形成闭环与开环相结合的复合控制方法。

参照图1，本本发明航天光学遥感器调焦控制电路的仿真测试方法，是将一由电压调理3、模数转换电路5、微型计算机系统6和串口通讯电路7组成的调焦控制仿真测试闭环系统连接在所述的被测调焦控制电路1上，对调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号进行检测。图中：调焦控制电路1是航天光学遥感器焦距调整电路测试对象，它含有微处理器、控制电路、光耦和功放等电路，控制对象是四相八拍步进电机；输出线路2为四相线；电压调理电路3，可以插在计算机的ISA插槽中；4是经电压调整后的四相线信号；5是模数转换电路，本例采用的是研华的PCI-1713A/D卡，直接插在微型计算机主板的PCI插槽中；6是微型计算机系统(包括显示器和打印机)；7是RS422串行通讯格式电路板，采用的MOXA的CP-132卡，插在计算机主板的PCI插槽中；8是连接微型计算机与调焦控制电路的串行通讯线路，所示虚线框9为仿真测试系统的组成。

对调焦控制电路的控制信号使用高精密电阻按4:1进行电压调理，将输入的控制信号降到10V以内，以满足PCI-1713模数转换电路采集输入要求。

计算机启动模数转换电路，以100kHz的频率对调焦控制电路的信号进行转换和分析。控制信号工作频率为0.8kHz，因此模数转换电路频率满足需求。分析调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号。当RS422通讯电路收到返回参数指令时，根据反馈计算公式计算电机位置，将反馈值发送到调焦控制器，形成闭环测试。其测试程序为：

a.通过电压调理电路对调焦控制电路的控制信号进行电压调理，将调焦控制电路的输出信号电压按固定比例调整到模数转换电路可接受的电压范围；

b.对调焦控制电路的信号进行采集，微型计算机以高频、长时间连续采集经过调理后的调焦控制电路中电机各相位的控制信号，所述的相位为二相位～五相位，视具体设计需要确定多少相位的电机；

c.对调焦控制电路的信号进行预处理，首先对模数转换电路采集的信号进行分析，确定各相位脉冲的电平高低及相位关系，再计算脉冲的频率和脉冲数，并将它们分类存储在计算机存储器中；

d.对调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号进行检测；将检测到的错误信息显示在微型计算机屏幕上；

e.对反馈信息修正计算，航天光学遥感器的焦距对应的位置由两部分组成，一是当前光学焦距对应的步进电机所处的物理位置Pos0，二是步进电机旋转所应移动的物理位置长度Pm，(Pos0+Pm)形成了新的空间相机光学焦距调整反馈物理位置Pos1。所谓的物理位置Pos0和长度Pm实际上是物理位置Pos0和长度Pm所对应保留在微型计算机的脉冲数X₀和由微型计算机接收到需要移动的脉冲数P_i，即形成调焦工作(X₀±P_i)脉冲数；

f反馈修正仿真调焦控制，当经反馈信息修正计算后，微型计算机立即把新的反馈物理位置数Pos1，按RS422串行通讯协议规定的格式，经RS422串行线路，再发送给调焦控制电路。

下面具体介绍一下几种指标的检测方法及闭环反馈测试的实现：

调焦控制信号频率检测

采取对每个脉冲时间间隔进行固定频率高速采样，根据脉冲采样计数计算脉冲频率。设对每个有效电平采样次数为N(采样频率不失真需N≥5)，步进电机标准脉冲频率为K；则实际步进电机的脉冲频率为：

$K\′=\frac{K_0\×m}{N_{\mathrm{all}}}---\left(1\right)$

式(1)中：K₀为模数转换电路频率；m为步进电机工作的T时间内实际测的脉冲数；N_all为实际测得全部低电平采样数；设允许频率最大误差

；当

时，调焦控制电路出现故障，微型计算机将错误记入日志，并在计算机上显示K、K′、、m和N_all等信息。

设在时间T内连续发出脉冲数为m个，在连续脉冲开始时可能少计一次上升沿，或者在其结束时会多计一次上升沿，即测量脉冲为第m个时，实际值可能为m-1个或m个或m+1个。显然，时间T越大系统误差越小，但调焦控制电路经常处于短时间调焦状态时，需要考虑由于频繁启动及停止而造成的误差量。

调焦控制信号电压检测

设输出脉冲高电平标准电压值V_H，低电平标准电压值为V_L；允许误差为。每个脉冲结束时，由该脉冲高低电平采样点的平均值分别求得测量电压V_H测、V_L测当

且

时，显示该电压值在规定范畴；否则，确定为电压异常，显示报警信息，并将V_{H 测}、V_L测记入错误日志。

调焦控制信号仿真反馈

根据调焦控制电路的工作原理及光学镜头调焦控制仿真设计原理，给出了调焦反馈位置原理的计算数学公式：

$\mathrm{Pos}=X_0\±\frac{\mathrm{Sa}}{\mathrm{Sub}\·\mathrm{Ds}}\mathrm{Pm}---\left(2\right)$

其中式(2)Pos为转换后的反馈位置，角度值；X₀为初始角度，Sa为步距角；Sub为细分数/每步，当无细分数，标准值设为1；Ds为机械减速比；其中调焦驱动数比为m:1；Pm为初始到计算反馈值的时间内所收到的脉冲数，每圈为360/(Sa/Sub)，由于调焦驱动数比为m:1，所以绝对编码器在360°行程范围内步进电机的脉冲数最多为360/Sa×m个，即 $\mathrm{Pm}\≤\frac{360}{\mathrm{Sa}}m.$

                   表1

表1所示是四项八拍步进电机转向控制信号表，A、B、C和D代表空间相机光学焦距调整电路输出端的四相线。当步进电机正向旋转时，即→，正方向编码状态顺序为A(01H)、AB(03H)、B(02H)、BC(06H)、C(04H)、CD(0CH)、D(08H)、DA(09H)；当步进电机反向旋转时，即←，反方向编码状态顺序为DA(09H)、D(08H)、CD(0CH)、C(04H)、BC(06H)、B(02H)、AB(03H)、A(01H)。在计算机软件系统的控制下，通过两组状态编码就可判定步进电机旋转方向。

Claims (1)

1.一种航天光学遥感器调焦控制电路的仿真测试方法，其特征在于是将一由电压调理电路(3)、模数转换电路(5)、微型计算机系统(6)和串口通讯电路(7)组成的调焦控制仿真测试闭环系统连接在被测调焦控制电路上，对调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号进行检测，其测试程序为：

a.通过电压调理电路对调焦控制电路的控制信号进行电压调理，将调焦控制电路的输出信号电压按固定比例调整到模数转换电路可接受的电压范围；

b.对调焦控制电路的信号进行采集，微型计算机以高频、长时间连续采集经过调理后的调焦控制电路中步进电机各相位的控制信号，所述的相位为二相位～五相位，视具体设计需要确定多少相位的电机；

c.对调焦控制电路的信号进行预处理，首先对模数转换电路采集的信号进行分析，确定各相位脉冲的电平高低及相位关系，再计算脉冲的频率和脉冲数，并将它们分类存储在计算机存储器中；

d.对调焦控制电路中的脉冲数、幅值、频率和相位信号进行检测；将检测到的错误信息显示在微型计算机屏幕上；

e.对反馈信息修正计算，航天光学遥感器的焦距对应的位置由两部分组成，一是当前光学焦距对应的步进电机所处的物理位置Pos0，二是步进电机旋转所应移动的物理位置长度Pm，(Pos0+Pm)形成了新的空间相机光学焦距调整反馈物理位置Pos1，所谓的物理位置Pos0和长度Pm实际上是物理位置Pos0和长度Pm所对应保留在微型计算机的脉冲数X₀和由微型计算机接收到需要移动的脉冲数P_i，即形成调焦工作(X₀±P_i)脉冲数；

f.反馈修正仿真调焦控制，当经反馈信息修正计算后，微型计算机立即把新的反馈物理位置Pos1，按RS422串行通讯协议规定的格式，经RS422串行线路，再发送给调焦控制电路。

Images