CN102279581A - 一种皮卫星的综合测试设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能小型化的皮卫星的综合测试设备，包括：监测模块、执行模块、控制模块、PC控制台，所述监测模块输出端与所述控制模块的输入端连接，执行模块输入端与所述控制模块的输出端连接，控制模块的输出端与PC控制台的输入端相连接。本发明具有对皮卫星的实时监测能力和实时控制能力，同时具有扩展性好，使用灵活，可靠性高等特点。本发明采用有线通道完成皮卫星地面站的监测和控制功能，可以实现对卫星状态的实时监测和实时控制，填补了在射频通道干扰较大时，以往设备对皮卫星监测和控制手段上的缺乏。
Description
技术领域
本发明涉及皮卫星的控制和监测领域，尤其涉及一种用于皮卫星的综合测试设备。
背景技术
皮卫星是指重量在1-10Kg之间的卫星，它广泛采用MNT(Micro-NanoTechnology，微纳技术)和MEMS(Micro Electronic Mechanical System，微型机电系统)等高新技术，功能密度高，技术性能强，发射方式更灵活，研制周期短，研制成本低，设计简化，体积小，费用低，降低了失败的风险。
皮卫星的综合测试设备是皮卫星测试系统中必不可少的组成部分，它用于皮卫星在有线模式下的测试。它可以完成与星务计算机的通信、皮卫星的启动与关闭、实时监测皮卫星状态并做出相应的控制等功能。在皮卫星研制过程中，需要进行大量的试验，例如物理应力试验、热应力试验、热真空试验、电性能试验等。所有的试验，都需要有综合测试设备作支撑。综合测试设备是皮卫星从研制到发射成功整个过程中不可或缺的重要设备。
发明内容
本发明提供了一种多功能小型化的皮卫星的综合测试设备，用于皮卫星的有线监测和控制。
一种皮卫星的综合测试设备，包括：监测模块、执行模块、控制模块、PC控制台，其中，所述监测模块输出端与所述控制模块的输入端连接，执行模块输入端与所述控制模块的输出端连接，控制模块的输出端与PC控制台的输入端相连接。
进一步，所述监测模块包括：7组星上温度采集单元和1组星上数据采集单元，其中，所述星上温度采集单元，用于采集皮卫星各分系统关键部件上的温度，将模拟温度信号转换为数字温度信号，输出的数字温度信号传递给控制模块进行处理；所述星上数据采集单元，用于采集皮卫星各分系统的状态信号，输出的数字状态信号同样传递给控制模块进行处理。
所述星上温度采集单元包括：6路温度传感器、1路模数转换器，其中，所述温度传感器用于将皮卫星各分系统关键部件的温度转换为模拟温度信号；所述模数转换器用于将传感器传来的模拟温度信号转换为数字温度信号，输出到控制模块；
所述星上数据采集单元包括：数据采集MCU(Micro Controller Unit微控制单元)，其中，所述数据采集MCU接收皮卫星发出的电源分系统、星务分系统、测控分系统、姿控分系统的状态信息，分时复用，按照与控制模块的协议，输出到控制模块；
进一步，所述执行模块包括：6路加热片、启动/关闭执行单元、指令转发单元构成，其中，所述加热片接收控制模块的加热控制单元的控制，经过电流发热，对皮卫星表面进行加热；所述启动/关闭执行单元接收控制模块的开/关信号，控制皮卫星的启动/关闭；所述指令转发单元接收控制模块的控制指令，并将其转发给皮卫星内部的指令执行单元；
进一步，所述控制模块包括：CPLD(Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件)、主MCU(Micro Controller Unit微控制单元)、从MCU(Micro Controller Unit微控制单元)、加热控制单元、控制电流采样单元、板上温度采样单元。
所述监测模块输出的数字温度信号和数字状态信号，经过CPLD内部逻辑的检查后，通过UART端口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步收发器)传输给主MCU，主MCU对温度信号和状态信号数据进行组帧，通过USB(Universal Serial Bus通用串行总线)端口发送给后端的PC控制台；
所述主MCU接收PC控制台的指令，经过解析，通过UART端口发送给CPLD，经过CPLD内部逻辑检查后，向所述执行模块发送皮卫星的启动/关闭信号；或者经过所述加热控制单元，向所述执行模块输出电流驱动加热片，对皮卫星表面进行加热；或者向所述执行模块的指令转发单元发送皮卫星控制指令；
所述控制电流采样单元，用于采样CPLD输出到执行模块中加热片的电流的值，输入到主MCU中，由主MCU进行检查；
所述从MCU可以同样完成主MCU的功能，区别仅在于仅通过UART端口与PC进行通信。从MCU作为主MCU的一个扩展，相对与主MCU来说，可以随时增加管脚或者变更管脚功能，主要用于实现硬件上的多线程任务，两片MCU完成不同的功能操作，使得综合测试设备的实时性更高；
所述主MCU和从MCU之间采用点对点的SPI(Serial Peripheral Interface串行外设接口)通讯，进行必要的数据交换。
所述CPLD作为两片MCU在组合逻辑方面的功能扩展，提供更加丰富的输入输出口，方便综合测试设备的升级；CPLD内部逻辑同时也监控数据流的正确性，确保皮卫星监测和控制的正确性；
所述板上温度采样单元包括板上温度传感器、板上模数转换器；所述板上温度传感器实时采集控制模块的温度，传输给所述板上模数转换器，板上模数转换器将模拟温度信号转换为数字温度信号，通过I2C(Inter-Integrated Circuit)总线与主MCU、从MCU相连。
进一步，所述PC控制台接收所述控制模块发送的数字温度信号和数字状态信号，进行皮卫星的数字温度信号和数字状态信号的解帧，计算出当前皮卫星的各分系统关键部件的温度，以及各分系统的工作状态；同时将控制指令组帧，将皮卫星控制指令发送到控制模块。
所述PC控制台通过UART端口和USB端口和控制模块相连。
与传统的综合测试设备不同，本发明完成了一种多功能小型化的皮卫星的综合测试设备。本发明增加了对皮卫星的实时监测能力，包括实时对星上各分系统的状态信息以及温度信号的采集；同时增加了自动控制能力，控制模块具有一定的自动控制能力，而不是将所有的信息全部转发给PC控制台，给后端造成数据处理的压力；本发明还增加了主从两片MCU，针对不同的功能需要，可以随时增加管脚或者变更管脚功能，粘合逻辑CPLD也提供了更多的通用输入输出端口，提升了综合测试设备的可扩展性；两片MCU还可以同时处理不同的任务，或者互作备份，提升了综合测试设备的可靠性；本发明也对综合测试设备的监测、执行、控制模块进行了重新规划，使模块功能定义更加明确，更加节省硬件资源，也便于后期的设备移植扩展；本发明的PC控制台可以对皮卫星的工作状态进行解读，及时反馈给技术人员，也可以实时向皮卫星发送控制指令，完成例如皮卫星工作模式切换、电源管理等功能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1)相对于以往的综合测试设备，本发明具有多功能、小型化、成本低、可靠性等特点，弥补了以往综合测试设备功能单一、只能通过UART端口向PC台进行转发而没有处理能力、缺乏对皮卫星的分系统关键部件的温度以及状态监测功能等弱点。
2)本发明采用了主从MCU互补以及切换的策略，并采用粘合逻辑CPLD进行扩展、检查、管理，增加了综合测试设备本身的可靠性和处理能力，以及灵活性可扩展性。
3)本发明采用有线通道完成皮卫星地面站的监测和控制功能，可以实现对卫星状态的实时监测和实时控制。填补了在射频通道干扰较大时，以往设备对皮卫星监测和控制手段上的缺乏。
附图说明
图1是本发明的皮卫星的综合测试设备的示意图。
图2是本发明中星上温度采集单元的示意图。
图3是本发明中星上数据采集单元的示意图。
图4是本发明中执行模块的示意图。
图5是本发明中控制模块的示意图。
图6是本发明中PC控制台的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示，一种皮卫星的综合测试设备，包括：监测模块、执行模块、控制模块、PC控制台，其中，所述监测模块输出端与所述控制模块的输入端连接，执行模块输入端与所述控制模块的输出端连接，控制模块的输出端与PC控制台的输入端相连接。
监测模块用于采集皮卫星各分系统关键部件上的温度，将模拟温度信号转换为数字温度信号，输出的数字温度信号传递给控制模块进行处理；以及采集皮卫星各分系统的状态信号，输出的数字状态信号传递给控制模块进行处理。
执行模块用于接收控制模块的控制指令，并将其转发给皮卫星；以及接收控制模块的加热控制单元的控制，经过电流发热，对皮卫星表面进行加热；以及接收控制模块的开/关信号，控制皮卫星的启动/关闭。
控制模块用于将检测模块输出的数字温度信号和数字状态信号，经过CPLD内部逻辑检查后，经过组帧后传输给后端的PC控制台；以及接收PC控制台的指令，经过解析送给CPLD检查后向执行模块执行对应的操作，例如发指令到皮卫星的指令执行单元、驱动加热片、启动/关闭皮卫星；以及监控自身输出的恒定电流的大小，保证综合测试设备及皮卫星的安全；以及对自身的温度进行采样，保证综合测试设备的安全及皮卫星的安全。
PC控制台用于接收控制模块发送的数字温度信号和数字状态信号，进行皮卫星的数字温度信号和数字状态信号的解帧，计算出当前皮卫星的各分系统关键部件的温度，和各分系统的工作状态；以及将控制指令组帧，将皮卫星控制指令发送到控制模块。
其中，监测模块由7组星上温度采集单元和1组星上数据采集单元构成。
如图2所示，星上温度采集单元包括：6路温度传感器、1路模数转换器。，其中，温度传感器将皮卫星各分系统关键部件的温度转换为模拟温度信号，传给模数转换器，由后者将其转换为数字温度信号，输出到控制模块。在6路温度传感器中，1路连接温度参考点，5路连接待测温度点。6路温度传感器采用优选的热电偶，模数转换器采用研华公司的ADAM4018。
如图3所示，星上数据采集单元包括：数据采集MCU。数据采集MCU接收皮卫星发出的电源分系统、星务分系统、测控分系统、姿控分系统的状态信息，进行组帧运算。在MCU程序中，分时复用，按照“帧头+分系统识别号+数据识别号+数据+校验码+帧尾”的格式，通过UART口输出到控制模块。其中，MCU采用ADI公司的ADuC841。
其中，执行模块由6路加热片、启动/关闭执行单元、指令转发单元构成。
如图4所示，每路加热片分别有电流流入和电流流出两根线，由控制模块的加热控制单元的控制，经过电流发热，对皮卫星的六个表面进行加热；
如图4所示，启动/关闭单元接收控制模块的开/关信号，控制皮卫星的启动/关闭。其中，启动/关闭单元的核心部件为一个继电器，型号为德驰公司的TLS5PF70YS。
其中，控制模块包括：CPLD(Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件)、主MCU(Micro Controller Unit微控制单元)、从MCU(MicroController Unit微控制单元)、加热控制单元、控制电流采样单元、板上温度采样单元。如图5所示。
监测模块输出的数字温度信号和数字状态信号，经过CPLD内部逻辑的检查后，通过UART端口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步收发器)传输给主MCU，主MCU对温度信号和状态信号数据进行组帧，通过USB(Universal Serial Bus通用串行总线)端口发送给后端的PC控制台；
主MCU接收PC控制台的指令，经过解析，通过UART端口发送给CPLD，经过CPLD内部逻辑检查后，向执行模块发送皮卫星的启动/关闭信号；或者经过所述加热控制单元，向执行模块输出电流驱动加热片，对皮卫星表面进行加热；或者向执行模块的指令转发单元发送皮卫星控制指令；其中，加热控制单元由自动复位继电器实现，CPLD通过控制继电器来控制加热片供电线路导通和断开。
控制电流采样单元，用于采样CPLD输出到执行模块中加热片的电流的值，输入到主MCU中，由主MCU进行检查；其中，电流采样使用芯片为Maxim公司的MAX4377，将电流数据转换成对应的电压数据后由主MCU进行模数转换。
从MCU可以同样完成主MCU的功能，区别仅在于仅通过UART端口与PC进行通信。从MCU作为主MCU的一个扩展，相对与主MCU来说，可以随时增加管脚或者变更管脚功能，主要用于实现硬件上的多线程任务，两片MCU完成不同的功能操作，使得综合测试设备的实时性更高。
主MCU和从MCU之间采用点对点的SPI(Serial Peripheral Interface串行外设接口)通讯，进行必要的数据交换。
CPLD作为两片MCU在组合逻辑方面的功能扩展，提供更加丰富的输入输出口，方便综合测试设备的升级；CPLD内部逻辑同时也监控数据流的正确性，确保皮卫星监测和控制的正确性。
主MCU、从MCU采用芯片为Silicon Laboratories公司的C8051F340，CPLD采用Xilinx公司的芯片XC2C256。
设计主MCU的步骤如下：
第一步：初始化主MCU，并设置UART端口、SPI端口、I2C总线、USB端口、控制电流采样单元数据输入的中断优先级；
第二步：设置UART端口、SPI端口、I2C总线、USB端口、控制电流采样单元数据输入的数据解析模式，即按照规定的通讯协议，规定每个中断事件的响应方法；
第三步：从CPLD输入的数据，根据模式字，判断是数字温度信号还是数字状态信号。如果是数字温度信号，则按照“帧头+指令计数+帧计数+模式字+数据+校验码+帧尾”的格式，打包通过USB端口发送给PC控制台；如果是数字状态信号，即得到的数据是已经打包的数据，则直接通过USB端口发送给PC控制台；
第四步：从USB端口输入的数据，根据模式字判断数据，如果是对皮卫星的控制指令，则直接转发到CPLD；如果是启动/关闭命令，则向CPLD发送启动/关闭信号；如果是加热控制命令，则向CPLD发送加热控制信号；
第五步：从I2C端口输入的数据，判断其数值是否在允许的温度范围内，一旦连续5次超出允许的温度范围，则向PC控制台报警；
第六步：从控制电流采样单元输入的数据，判断其数值是否符合当前的加热控制信号状态，如果不符合，重新发送加热控制信号；并且判断电流值是否在允许的范围之内，如果连续5次超出允许的范围，则向PC控制台报警；
第七步：若系统任务过多，通过SPI端口发往从MCU；
第八步：从SPI端口输入的数据，判断其任务属性，进行第二步到第七步中的一种甚至几种任务处理。
设计从MCU的步骤如下：
第一步：初始化从MCU，并设置两个UART端口、SPI端口、I2C总线的中断优先级；
第二步：设置两个UART端口、SPI端口、I2C总线的数据解析模式，即按照规定的通讯协议，规定每个中断事件的响应方法；
第三步：从CPLD输入的数据，根据模式字，判断是数字温度信号还是数字状态信号。如果是数字温度信号，则按照“帧头+指令计数+帧计数+模式字+数据+校验码+帧尾”的格式，打包通过USB端口发送给PC控制台；如果是数字状态信号，即得到的数据是已经打包的数据，则直接通过USB端口发送给PC控制台；
第四步：从PC控制台输入的数据，根据模式字判断数据，如果是对皮卫星的控制指令，则直接转发到CPLD；如果是启动/关闭命令，则向CPLD发送启动/关闭信号；如果是加热控制命令，则向CPLD发送加热控制信号；
第五步：从I2C端口输入的数据，判断其数值是否在允许的温度范围内，一旦连续5次超出允许的温度范围，则向PC控制台报警；
第六步：若系统任务过多，通过SPI端口发往主MCU；
第七步：从SPI端口输入的数据，判断其任务属性，进行第二步到第六步中的一种甚至几种任务处理。
设计CPLD的步骤如下：
第一步：初始化CPLD，设置好与主MCU、从MCU通信的UART协议；
第二步：对数字温度信号和数字状态信号，做传输校验，保证数据传输的正确性，再按照时分复用的方式，将数字温度信号和数字状态信号发送到主MCU或从MCU；
第三步：对MCU输入的数据，做传输校验，保证数据传输的正确性，再判断其控制命令，如果是对皮卫星的控制命令，则直接转发到执行模块；如果是启动/关闭信号，则对应的IO口上发出启动/关闭信号到执行模块；如果是加热控制信号，则改变加热控制单元的导通或断开，即控制执行模块中加热片的供电与断电。
板上温度采样单元包括板上温度传感器、板上模数转换器；所述板上温度传感器实时采集控制模块的温度，传输给所述板上模数转换器，板上模数转换器将模拟温度信号转换为数字温度信号，通过I2C(Inter-Integrated Circuit)总线与主MCU、从MCU相连。其实施方法与星上温度采集单元相同。
其中，PC控制台包括数据解帧判读和指令组帧发送。如图6所示，PC控制台接收所述控制模块发送的数字温度信号和数字状态信号，进行皮卫星的数字温度信号和数字状态信号的解帧，计算出当前皮卫星的各分系统关键部件的温度，以及各分系统的工作状态；同时将控制指令组帧，将皮卫星控制指令发送到控制模块。
Claims (7)
1.一种皮卫星的综合测试设备，包括：监测模块、执行模块、控制模块、PC控制台，其特征在于：所述监测模块输出端与所述控制模块的输入端连接，执行模块输入端与所述控制模块的输出端连接，控制模块的输出端与PC控制台的输入端相连接；
所述的监测模块包括：星上温度采集单元和星上数据采集单元，所述星上温度采集单元，用于采集皮卫星各分系统关键部件上的温度，将模拟温度信号转换为数字温度信号，输出的数字温度信号传递给控制模块进行处理；所述星上数据采集单元，用于采集皮卫星各分系统的状态信号，输出的数字状态信号同样传递给控制模块进行处理；
所述的执行模块包括：加热片、启动/关闭执行单元、指令转发单元构成；所述加热片接收控制模块的加热控制单元的控制，经过电流发热，对皮卫星表面进行加热；所述启动/关闭执行单元接收控制模块的开/关信号，控制皮卫星的启动/关闭；所述指令转发单元接收控制模块的控制指令，并将其转发给皮卫星内部的指令执行单元；
所述的控制模块包括：CPLD、主MCU、加热控制单元、控制电流采样单元、板上温度采样单元，所述监测模块输出的数字温度信号和数字状态信号，经过CPLD内部逻辑的检查后，传输给主MCU，主MCU对温度信号和状态信号数据进行组帧，发送给后端的PC控制台；
所述主MCU接收PC控制台的指令，经过解析，发送给CPLD，经过CPLD内部逻辑检查后，向所述执行模块发送皮卫星的启动/关闭信号；或者经过所述加热控制单元，向所述执行模块输出电流驱动加热片，对皮卫星表面进行加热；或者向所述执行模块的指令转发单元发送皮卫星控制指令；
所述控制电流采样单元，用于采样CPLD输出到执行模块中加热片的电流的值，输入到主MCU中，由主MCU进行检查；
所述板上温度采样单元包括板上温度传感器、板上模数转换器；所述板上温度传感器实时采集控制模块的温度，传输给所述板上模数转换器，板上模数转换器将模拟温度信号转换为数字温度信号，通过I2C总线与主MCU、从MCU相连；
所述PC控制台接收所述控制模块发送的数字温度信号和数字状态信号，进行皮卫星的数字温度信号和数字状态信号的解帧，计算出当前皮卫星的各分系统关键部件的温度，以及各分系统的工作状态；同时将控制指令组帧，将皮卫星控制指令发送到控制模块。
2.根据权利要求1所述的皮卫星的综合测试设备，其特征在于：所述的监测模块包括7组星上温度采集单元和1组星上数据采集单元。
3.根据权利要求1或2所述的皮卫星的综合测试设备，其特征在于：所述的监测模块的星上温度采集单元包括：6路温度传感器、1路模数转换器，所述温度传感器用于将皮卫星各分系统关键部件的温度转换为模拟温度信号；所述模数转换器用于将传感器传来的模拟温度信号转换为数字温度信号，输出到控制模块。
4.根据权利要求1或2所述的皮卫星的综合测试设备，其特征在于：所述监测模块的星上数据采集单元包括：数据采集MCU；所述数据采集MCU接收皮卫星发出的电源分系统、星务分系统、测控分系统、姿控分系统的状态信息，分时复用，按照与控制模块的协议，输出到控制模块。
5.根据权利要求1所述的皮卫星的综合测试设备，其特征在于：所述的执行模块包括6路加热片，每路加热片分别有电流流入和电流流出两根线，由控制模块的加热控制单元的控制，经过电流发热，对皮卫星的六个表面进行加热。
6.根据权利要求1所述的皮卫星的综合测试设备，其特征在于：所述的控制模块还包括从MCU，从MCU与PC控制台进行通信；所述主MCU和从MCU之间采用点对点的SPI通讯，进行数据交换。
7.根据权利要求1所述的皮卫星的综合测试设备，其特征在于：所述的PC控制台通过UART端口和USB端口和控制模块相连。
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