CN109387775A - 基于pxi总线的微纳卫星通用测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，属于卫星测试技术领域，该测试系统包括PXI硬件子系统和安装有LabVIEW软件的上位机，PXI硬件子系统通过串口总线和CAN总线分别与上位机和被测对象通信，PXI硬件子系统包括PXI机箱、主控制器、信号调理模块、数据采集模块和CAN通讯模块，主控制器、信号调理模块、数据采集模块和CAN通讯模块均集成在PXI机箱内并通过PXI箱体背板总线与PXI机箱连接，主控制器通过PXI/PXIe混合背板总线控制与调配各个功能模块板卡。本发明具有通用性强、系统软件化程度高、测试系统架构灵活性高，可满足微纳卫星研发阶段各个模块不同需求的测试和快速、低成本的研发特性，并具备自动化测试能力。

Description

基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统
技术领域
本发明涉及卫星测试技术领域，特别是涉及一种基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统。
背景技术
微纳卫星是卫星发展的重要方向之一，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、嵌入式计算机、新材料、新发射技术的快速发展，微纳卫星在新技术验证、对地观测等领域具有广泛的发展前景。对微纳卫星的分类主要采用英国萨瑞卫星技术公司(SSTL)提出的方法，包括10～100kg的微小卫星和1～10kg的纳卫星。同时，微纳卫星具有成本低廉、研发周期短、高度一体化设计等特点，相比较于传统的卫星，还具备灵活发射、可星座组网协同运行、结构可重构、风险小等优势。微纳卫星上的电子学系统负责星上的星务管理与接口控制等，掌握着整星的信息流，分别控制微纳卫星上的电源、姿控、热控、载荷等等分系统，是微纳卫星的重要组成部分。
为了确保卫星电子学系统的稳定可靠，在卫星发射之前需要在地面进行大量的严格的测试。地面测试包括分系统测试和整星测试，而其中分系统测试能暴露相当多的问题，是测试过程中相当关键的一个流程。卫星的测试伴随着研发周期的全过程，可以说对降低微纳卫星成本和周期起到了决定性作用。为了极大限度的降低成本和研发周期，微纳卫星上大量采用了商用现成品(Commercial OffThe Shelf，COTS)器件，并采用高度一体化的设计，这就要求对微纳卫星的测试方法与传统卫星有所不同，更强调快速性、灵活性与通用性，而现有的测试设备无法满足微纳卫星研制周期短、成本低、星群协同运行、灵活重构特性的测试需求。
发明内容
基于此，有必要针对现有的测试设备无法满足微纳卫星研制周期短、成本低、星群协同运行、灵活重构特性的测试需求的问题，提供一种基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，该测试系统具有通用性强、系统软件化程度高、测试系统架构灵活性高，可满足微纳卫星研发阶段各个模块不同需求的测试和快速、低成本的研发特性，并具备自动化测试能力。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，包括PXI硬件子系统和安装有LabVIEW软件的上位机，所述PXI硬件子系统通过串口总线和CAN总线分别与所述上位机和被测对象通信；
所述PXI硬件子系统包括PXI机箱、主控制器、信号调理模块、数据采集模块和CAN通讯模块，所述主控制器、所述信号调理模块、所述数据采集模块和所述CAN通讯模块均集成在所述PXI机箱内并通过PXI箱体背板总线与所述PXI机箱连接，所述信号调理模块和所述数据采集模块分别包括多个功能模块板卡；
所述主控制器通过PXI/PXIe混合背板总线控制与调配各个功能模块板卡。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)集成化测试，将所有的测试功能集成在PXI机箱中，通过上位机软件控制就能够达到所有的测试目标，同时通过多套数据采集和型号处理模块可实现多通道测试，多组信号通过PXI/PXIe混合背板总线并行高速处理，大大提高了测试效率，符合微纳卫星快速测试的要求；
(2)PXI架构具有良好的可扩展性，可以针对不同的测对象，也就是不同分系统测试时，灵活改变PXI机箱的各功能模块板卡或只需对LabVIEW软件进行修改就可以实现对不同测试对象的测试和控制，增强了可重构性。
附图说明
图1为本发明基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统的总体网络架构图；
图2为本发明基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统中PXI机箱的构成图；
图3为本发明基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统中上位机的软件模块图；
图4为本发明基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统的测试方法流程图。
具体实施方式
本发明以PXI(PCI extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)总线为主体的硬件架构和基于LabVIEW编程的软件架构，由PC上位机操作界面对PXI机箱发送控制指令，再由PXI主控制器和数据采集卡与微纳卫星电子学系统或者分系统进行数据传输与指令控制。其中，硬件架构以包含多个槽位的PXI机箱为主体；以嵌入式主控制器为控制中心，对整个PXI各模块的运行起到控制作用，并与上位机LabVIEW应用程序进行互动；辅以各种功能模块板卡，可以针对不同的被测对象进行板卡的快速更换和上位机程序的改写达到不同的测试目的。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，如图1所示，本发明公开一种基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，该测试系统包括PXI硬件子系统1和安装有LabVIEW软件的上位机2，其中PXI硬件子系统1通过串口总线和CAN总线分别与上位机2和被测对象3通信。
具体地，PXI硬件子系统1包括PXI机箱1-1、主控制器1-2、信号调理模块1-3、数据采集模块1-4和CAN通讯模块1-5，主控制器1-2、信号调理模块1-3、数据采集模块1-4和CAN通讯模块1-5均集成在PXI机箱1-1内，并且主控制器1-2、信号调理模块1-3、数据采集模块1-4和CAN通讯模块1-5通过PXI箱体背板总线与PXI机箱1-1连接，信号调理模块1-3和数据采集模块1-4分别包括多个功能模块板卡；主控制器1-2通过PXI/PXIe混合背板总线控制与调配各个功能模块板卡。图1说明了本实施例的测试系统的总体架构，分为上位机2、下位机(PXI硬件子系统1)和被测对象3三部分。上位机2为用户操作部分，由一台PC机为硬件平台和LabVIEW软件为主体够成，包括用户显示界面、软件级的数据处理模块和相关仪器的驱动程序。操作人员直接通过设计好的界面进行测试控制、发送指令、接收数据、对数据进行实时处理和显示，上述功能均由LabVIEW软件编程实现。下位机(PXI硬件子系统1)是测试系统的硬件部分，是一套PXI架构的硬件系统，其包括PXI机箱1-1、主控制器1-2、信号调理模块1-3、数据采集模块1-4和CAN通讯模块1-5等，其中信号调理模块1-3和数据采集模块1-4又分别包括多个功能模块板卡。被测对象3为微纳卫星平台，本实施例的测试系统可进行微纳卫星的整星综合测试，即对微纳卫星电子学系统进行测试，也可以对微纳卫星的各个分系统如电源分系统、有效载荷分系统、热控分系统、姿控分系统和测控分系统进行单独的专项测试，如图1所示，被测对象3可以为微纳卫星平台，微纳卫星平台包括卫星脱落插座、测控应答机、电子学系统和各个分系统等，其中电子学系统包括用于星务管理的星载计算机和星上接口箱，各个分系统均通过星上电缆连接在星上接口箱上。上位机2通过串口总线与下位机进行通信，优选地，串口总线采用具有良好的抗噪声干扰特性、长的传输距离和多站能力等优点的RS-485协议，下位机通过CAN总线与星上星载计算机相连。
上位机具有用户界面，其采用LabVIEW语言开发，主要包括以下功能模块：(1)、通信模块，负责利用VISA串口通信与PXI系统进行通信；(2)、数据处理模块，用于实时处理传回的数据，并显示出来，给操作人员直观的交互模式；(3)、参数设定模块，用于对PXI控制器和各功能模块进行配置，以满足不同的测试需求；(4)、存储模块，以日志的方式将整个上位机软件的运行状态和用户的操作行为记录存储在内存中，并能及时的显示错误所在，方便用户查找错误。
本实施例中的信号调理模块1-3包括矢量信号收发仪和多路复用器开关板卡，数据采集模块1-4包括模拟输入板卡、数字I/O板卡和多功能可重配置I/O板卡，各个功能模块板卡均集成在PXI机箱1-1中。如图2所示为本实施例中PXI机箱1-1的构成图，PXI机箱1-1包括但不限于图2所示的各个功能模块板卡。优选地，本实施例中的PXI机箱1-1为PXIe-1075机箱，其具有18个插槽数量，其中PXIe插槽9个，混合插槽8个，最大系统带宽4GB/S。
优选地，主控制器1-2为PXIe-8840嵌入式主控制器，其具有Inter Core i7处理器，运行windows 764位操作系统，最大控制器带宽8GB/S。主要完成的功能包括：与上位机LabVIEW软件通信，对各功能模块板卡的状态监视，遥控指令的生成，载波的捕获与重补等。
优选地，CAN通讯模块1-5为PXI-8513CAN通讯板卡，其为单通道的CAN接口板卡，可通过NI-XNET驱动完成支持CCP协议的应用程序开发，实现测试系统与被测对象之间的通讯。
优选地，模拟输入板卡为PXI-4303板卡，其具有32路差分模拟输入通道，最大采样率51.2kS/s，模拟输入电压范围-0.1V至0.1V，-10V至10V可调，具有独立的体通滤波功能。
优选地，数字I/O板卡为PXIe-6535板卡，其具有单端32路双向数字通道，数字输入电压范围-1V至6V，数字输出电压范围0V至5V，最大时钟采样率10MHz，能实现对被测系统数据的高速采集与检测。
优选地，多功能可重配置I/O板卡为PXIe-7856板卡，其内置kintex-7160T FPGA芯片，模拟输入、输出通道各8个，并具有48各双向数字通道，具有了上述两个板卡的基本功能，且每个通道具有专用的模数转换器(ADC)，可实现独立的定时和触发，可使用LabVIEWFPGA模块来自定义此板卡的各模块，故此板卡可替代上述PXI-4303板卡和PXIe-6535板卡两种板卡，针对具体测试实验进行择优选择。
优选地，矢量信号收发仪为PXIe-5820板卡，内置Kintex-7160T FPGA芯片，主要功能为射频信号和中频信号的转换，包括上变频、下变频和增益控制，并对信号进行处理和发射；
优选地，多路复用器开关板卡为PXI-2555板卡，其具有4通道，最大开关带宽2.5GHz，其功能为可以将多个输入连接到单个输出，或者将多个输出连接到单个输入，以简化本实施例的系统布线。
本实施例所有功能模块板卡通过PXI机箱1-1中的PXI/PXIe混合背板总线受主控制器1-2的控制与调配。
本实施例的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统可针对实际测试任务，灵活的扩展软硬件结构，不限于上述PXI机箱中所集成的模块功能板卡。PXI构架丰富的板卡功能可以针对微纳卫星的整套测试流程进行快速灵活的更换，以完成测试目标。
进一步地，本实施例中的上位机2包括由LabVIEW软件编写完成的上层应用程序层2-1、中层功能模块层2-2和底层驱动程序层2-3；上层应用程序层2-1提供用户界面并控制中层功能模块层2-2中各个功能模块的运行，底层驱动程序层2-3为LabVIEW软件的图形化编程环境和中层功能模块层2-2提供底层功能数据库。
具体地，如图3所示为本实施例中上位机2的软件模块图，上位机2主要包括由LabVIEW软件编写完成的上层应用程序层2-1、中层功能模块层2-2和底层驱动程序层2-3。上层应用程序层2-1包括测试主程序模块和测试配置程序模块，测试主程序模块为完善的测试界面，用于与用户交互和直接的数据显示与指令操作界面，测试配置程序模块主要为测试主程序模块服务，提供模块选择功能，上层应用程序层2-1控制中层功能模块层2-2中各个功能模块的运行。
中层功能模块层2-2中的各个功能模块分别为测试模块、系统配置管理模块和测试算法模块。中层功能模块层2-2中的各个功能模块是在LabVIEW软件上编程实现的各个功能子程序，包括通道配置子模块、数据采集子模块、数据处理子模块、数据存储子模块、错误信息处理子模块、参数设置子模块、状态控制子模块、数据传输子模块和总线通讯子模块以及调用各个功能模块的系统配置管理模块、测试算法模块等。测试模块是独立完成一个测试子项目的功能模块，多个模块可以完成一个具体测试对象的测试工作。中层功能模块层2-2的常用具体测试流程为：先进行通道配置，选择当前测试项目所需的PXI各板卡，选择对应PXI机箱上的通道，然后对被测器件进行数据采集、数据处理、数据存储；其中数据处理子模块主要包括对采集的信号进行去噪、分析并生成可直观显示的数据实时显示在测试界面上；另外可通过上位机软件对测试系统进行实时的控制，首先在操作界面上对控制目标的目标参数进行设定，再将设定好的数据通过总线通讯传输给PXI硬件子系统从而对目标板卡进行状态控制；在整个数据上下行通讯和处理的过程中，错误信息处理子模块对测试系统运行产生的错误进行实时的分析并将错误提供给操作人员。测试算法模块为编写LabVIEW程序所使用的算法思想，目的是实现整个测试系统的逻辑清晰、可操作性高、程序运行内存负担小等优化。
底层驱动程序层2-3主要为LabVIEW软件的图形化编程环境和适用于本发明的底层功能数据库，底层功能数据库包括用于数据采集的DAQmx库、用于串口通信的VISA库、用于个别板卡内置FPGA编程的LabVIEWFPGA库，其中LabVIEWFPGA库对信号进行处理与分析，很好的兼容了PXI硬件，可在内置的FPGA芯片上进行功能的定制；LabVIEW DAQmx库对PXI功能板卡上的数据进行采集和信号处理；LabVIEWVISA库建立于PXI主控制器之间的串口通信链路。底层驱动程序层2-3还包括由软硬件厂家提供的仪器接口驱动程序库。
基于LabVIEW的软件架构对PXI硬件具有良好的支持性，并且LabVIEW具有丰富的扩展功能，可以满足不同的测试需求，符合微纳卫星快速、通用性高的测试要求。
如图4所示为本发明基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统的测试方法流程图，其具体流程为：
步骤1：测试开始，确定测试内容，配置PXI机箱；
步骤2：在上位机上启动测试系统前面板应用程序；
步骤3：选择被测具体任务，根据所选的具体测试任务，对下位机PXI硬件子系统发送相应的控制启动指令；在测试过程之中，用户同样可以根据测试的需要更改前面板上各项使能设置的状态，并自由的发送指令；判断测试启动是否正常，若是，则执行步骤4，若否则重新发送测试指令；
步骤4：PXI主控制器接收到上位机指令，通过CAN通信模块与星载电子学系统接口进行互联通信，发送控制指令进行微纳卫星的测试，并度通道并行采集数据，实时接收被测对象传回的数据信息，对信号进行实时处理，通过串口通信传回到上位机；
步骤5：对下位机传回的信号使用LabVIEW相关模块再进行处理，并对数据进行显示与存储，对错误信息进行显示、判断与解决；判断测试数据是否符合要求，若是，则执行步骤6；若否，则查看错误信息，重新测试；
步骤6：如测试顺利，得到预期结果，上位机发送停止指令，停止测试；
步骤7：结束测试。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，包括PXI硬件子系统(1)和安装有LabVIEW软件的上位机(2)，所述PXI硬件子系统(1)通过串口总线和CAN总线分别与所述上位机(2)和被测对象(3)通信；
所述PXI硬件子系统(1)包括PXI机箱(1-1)、主控制器(1-2)、信号调理模块(1-3)、数据采集模块(1-4)和CAN通讯模块(1-5)，所述主控制器(1-2)、所述信号调理模块(1-3)、所述数据采集模块(1-4)和所述CAN通讯模块(1-5)均集成在所述PXI机箱(1-1)内并通过PXI箱体背板总线与所述PXI机箱(1-1)连接，所述信号调理模块(1-3)和所述数据采集模块(1-4)分别包括多个功能模块板卡；
所述主控制器(1-2)通过PXI/PXIe混合背板总线控制与调配各个功能模块板卡。
2.根据权利要求1所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，所述上位机(2)包括由所述LabVIEW软件编写完成的上层应用程序层(2-1)、中层功能模块层(2-2)和底层驱动程序层(2-3)；
所述上层应用程序层(2-1)提供用户界面并控制所述中层功能模块层(2-2)中各个功能模块的运行，所述底层驱动程序层(2-3)为所述LabVIEW软件的图形化编程环境和所述中层功能模块层(2-2)提供底层功能数据库。
3.根据权利要求2所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，
所述上层应用程序层(2-1)包括测试主程序模块和测试配置程序模块。
4.根据权利要求2所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，
所述中层功能模块层(2-2)中的各个功能模块分别为测试模块、系统配置管理模块和测试算法模块。
5.根据权利要求2所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，
所述底层功能数据库包括DAQmx库、VISA库和LabVIEW FPGA库。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，
所述信号调理模块(1-3)包括矢量信号收发仪和多路复用器开关板卡。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，
所述数据采集模块(1-4)包括模拟输入板卡、数字I/O板卡和多功能可重配置I/O板卡。
8.根据权利要求1至5任意一项所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，
所述串口总线采用RS-485协议。
9.根据权利要求1至5任意一项所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，
所述被测对象(3)为微纳卫星电子学系统或者微纳卫星分系统，所述微纳卫星分系统包括电源分系统、有效载荷分系统、热控分系统、姿控分系统和测控分系统。
10.根据权利要求9所述的基于PXI总线的微纳卫星通用测试系统，其特征在于，
所述电源分系统、所述有效载荷分系统、所述热控分系统、所述姿控分系统和所述测控分系统通过星上电缆连接在星上接口箱上。
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