CN110174902B - 用于微小卫星的磁强计/mems陀螺组合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，包括磁强计子系统、MEMS陀螺子系统、内部控制器子系统、串口子系统和电源子系统；内部控制器子系统对磁强计子系统和MEMS陀螺子系统进行实时信息采集和信息组帧，组帧后得到数据采集帧，并完成内部自守时；当内部控制器子系统接收到上位机通过串口子系统发送的数据采集指令帧时，内部控制器子系统通过串口子系统返回数据采集帧至上位机；电源子系统用于为磁强计子系统、MEMS陀螺子系统、内部控制器子系统和串口子系统供电。本发明可应用于狭小的安装空间内和低负载的载体，在保证卫星在轨稳定运行的前提下，不仅降低单机成本，而且可以降低单机质量，节约发射成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统。
背景技术
目前商业航天对微小卫星的要求是，在保证性能和系统可靠性的前提下，将整星及其配套单机的成本降低。商业卫星的发射成本是整体成本的重要组成部分，由此单机质量的降低将导致成本的降低；其次，单机的功耗影响着卫星的在轨使用寿命，降低单机功耗，延长卫星在轨寿命将使卫星单价成本得以降低。所以概括起来商业航天微小卫星的技术特点将是：“成本低、质量低、功耗低和性能高”，而采用传统意义上的航天技术所研制的单机并不完全符合商业航天对微小卫星的技术要求。
传统卫星领域中广泛应用光纤陀螺敏感惯性坐标系下的三轴角速度，用于整星的姿态控制。但光纤陀螺由于内部集成了大量的光学器件、电子元器件和芯片，导致单机的成本和质量居高不下，同时单机需要为光路提供高功率光源，导致单机功耗较高。一般来说，一台/套满足卫星在轨运行需求的三轴光纤陀螺的价格一般在50万元左右，而采用MEMS工艺的陀螺传感器，在基本保证性能的前提下，可以将成本降低至1万元以内甚至更低，功耗降低到毫瓦级别，同时质量、体积也将大大减少，更节省了发射成本。而且，相比于传统的光纤陀螺，MEMS器件由于采用硅微工艺技术，其可靠性及环境适应性得到极大的提高，能承受大的冲击和振动，可应用于恶劣环境的在轨环境，其商业航天的应用前景非常广阔。
磁强计是敏感周围环境磁场强度的传感器，在卫星的姿态控制系统中，磁强计是重要的姿态敏感部件，其主要功能是测量轨道地磁场，用于卫星初始入轨阻尼调整和飞轮卸载。目前航天领域广泛采用的磁强计主要分为磁阻式和磁通门式两种。磁阻式磁强计依托薄膜技术和磁阻技术的深入研究和飞速发展，目前相比于磁通门式磁强计，具有成本低、质量轻、体积小、结构简单、便于集成化和对弱磁场的测量有极高稳定性的优点，已经成为空间探测用磁场传感器的研究热门。
目前组合导航系统是商业航天领域的研究热点，将传统意义上的姿控单机降低质量和体积后可进行集成设计，组成组合导航系统，可应用于狭小的安装空间内和低负载的载体。同时，集成安装后的组合导航系统可以解决低集成度所导致的安装误差大的问题，简化不必要的标定流程，进而提升单机整体性能。在保证性能的前提下满足微小卫星的在轨需求。
现今欧美国家如火如荼进行商业航天开发的同时，在国内以长光卫星技术有限公司为代表的一批科技公司的兴起也使得国内的商业航天呈现蓬勃发展的趋势。
相比之下，磁强计传感器领域主要有美国Honeywell公司的HMC系列单轴、多轴磁阻式磁强计传感器，日本村田制作所的MRMS系列磁阻式磁强计传感器和日本NEC公司生产的MRUS系列磁强计，而国内尚未出现大量磁阻式磁强计的相关报道，磁阻式磁强计应用于在轨卫星的技术更是少之又少。在MEMS陀螺方面，国外知名传感器厂商，如ADI、Honeywell、Maxim相继推出用于航天、空间探测的惯性级和用于军事、航海、航空的战术级MEMS陀螺芯片，而国内尚属于理论研究和工艺探索阶段，目前主要参研单位有清华大学、复旦大学、南京理工大学和中北大学等高校，以及中电13所、航天时代等科研单位。
发明内容
基于此，有必要针对采用传统意义上的航天技术所研制的单机并不完全符合商业航天对微小卫星的技术要求的问题，设计一种磁强计/MEMS陀螺组合系统，该系统具有的成本低、功耗低、质量低、精度高、可靠性高以及体积小的“三低二高一小”优点可以较好的在保证性能和系统可靠性的前提下，降低单机成本，满足商业航天对微小卫星的要求。本发明所提出的用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统不仅可应用于商业航天领域微小卫星的姿态控制系统的姿态敏感部件，也可应用于军事、航空、航海和空间探测等领域。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，包括用于采集载体的磁场强度信息的磁强计子系统、用于采集所述载体的三轴角速度信息和三轴角加速度信息的MEMS陀螺子系统、内部控制器子系统、用于实现所述内部控制器子系统与上位机之间通信的串口子系统和电源子系统；
所述内部控制器子系统对所述磁强计子系统和所述MEMS陀螺子系统进行实时信息采集和信息组帧，组帧后得到数据采集帧，并完成内部自守时；
当所述内部控制器子系统接收到所述上位机通过所述串口子系统发送的数据采集指令帧时，所述内部控制器子系统通过所述串口子系统返回所述数据采集帧至所述上位机；
所述电源子系统用于为所述磁强计子系统、所述MEMS陀螺子系统、所述内部控制器子系统和所述串口子系统供电；
所述内部控制器子系统包括单片机控制器，所述单片机控制器包括AD转换模块，所述磁强计子系统包括双轴磁阻式传感器、单轴磁阻式传感器、仪用运算放大器和传感器驱动电路模块；
所述单片机控制器产生置位/复位波形，所述传感器驱动电路模块将所述置位/复位波形转化为置位/复位脉冲，以控制所述双轴磁阻式传感器和所述单轴磁阻式传感器进行置位/复位切换；
所述双轴磁阻式传感器和所述单轴磁阻式传感器输出三路差分模拟信号至对应的三个所述仪用运算放大器，每一所述仪用运算放大器对相应的所述差分模拟信号进行放大后输出至所述AD转换模块；
所述AD转换模块将所述差分模拟信号转换为数字信号；
所述单片机控制器将所述数字信号根据标定公式进行磁场强度的转换，得到所述磁场强度信息，该过程包括以下步骤：
步骤一：所述单片机控制器通过所述AD转换模块在置位脉冲后采集三路电压模拟量，将电压模拟量转换为电压数字量Vset，每次采样N个点，并求取N个采样点转换后的置位电压数字量平均值
步骤二：所述单片机控制器通过所述AD转换模块在复位脉冲后采集三路电压模拟量，将电压模拟量转换为电压数字量Vreset，每次采样M个点，并求取M个采样点转换后的复位电压数字量平均值
步骤三：所述单片机控制器计算所述置位电压数字量平均值
与所述复位电压数字量平均值
的差值，并将所述差值带入反映电压关于磁场强度的标定公式，计算得到所述磁场强度信息。
同时，本发明还提出一种用于上述系统的机械壳体，该机械壳体包括具有容纳PCB板腔体的壳体、用于封闭所述腔体的盖板和军工级接插件；
所述PCB板采用6层电路板结构，其中第二层电路板为地层，第三层电路板和第四层电路板为信号走线层，第五层电路板为电源层，所述磁强计子系统、所述MEMS陀螺子系统、所述内部控制器子系统和所述串口子系统均设置在第一层电路板上；
所述PCB板固定在所述壳体内，所述盖板通过钛合金螺钉与所述壳体固定连接；
所述壳体的底部设有四个用于与安装板固定连接的凸耳；
所述壳体的侧壁设有与所述军工级接插件配合的插口，所述PCB板的电接口通过所述军工级接插件进行信号的传输。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明对磁强计和MEMS陀螺进行组合设计，可应用于狭小的安装空间内和低负载的载体，同时，集成安装后的组合系统可以解决集成度不高所导致的安装误差大的问题，简化不必要的标定流程，进而提升单机整体性能，在保证性能的前提下满足微小卫星的在轨需求；与目前卫星在轨使用的光纤陀螺和磁通门式磁强计相比，本发明的组合系统在保证卫星在轨稳定运行的前提下，不仅降低单机成本，而且可以降低单机质量，节约发射成本，同时，降低单机功耗，延长卫星在轨使用寿命，间接进一步降低卫星成本。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统的结构示意图；
图2为本发明用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统中磁强计子系统的结构示意图；
图3为置位/复位波形及置位/复位脉冲示意图；
图4为单片机控制器得到磁场强度信息的流程图；
图5为本发明用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统中MEMS陀螺子系统的结构示意图；
图6为单片机控制器采集得到三轴角速度信息和三轴角加速度信息的流程图；
图7为本发明用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统中电源子系统的结构示意图；
图8为本发明用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统中内部控制器子系统的结构示意图；
图9为本发明用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统的控制流程图；
图10为本发明另一个实施例用于上述实施例中组合系统的机械外壳的结构示意图。
具体实施方式
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，本发明公开一种用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，该系统包括磁强计子系统、MEMS陀螺子系统、内部控制器子系统、串口子系统和电源子系统，其中磁强计子系统用于采集载体的磁场强度信息，MEMS陀螺子系统用于采集载体的三轴角速度信息和三轴角加速度信息，串口子系统用于实现内部控制器子系统与上位机之间的通信，电源子系统用于为磁强计子系统、MEMS陀螺子系统、内部控制器子系统和串口子系统供电。磁强计/MEMS陀螺组合系统完成的功能主要包括：1.三轴角速度、角加速度数字信号采集；2.三轴磁场强度模拟信号采集；3.与上位机通过总线通信。
内部控制器子系统对磁强计子系统和MEMS陀螺子系统进行实时信息采集和信息组帧，组帧后得到数据采集帧，并完成内部自守时；
当内部控制器子系统接收到上位机通过串口子系统发送的数据采集指令帧时，内部控制器子系统通过串口子系统返回数据采集帧至上位机。
本实施例对磁强计和MEMS陀螺进行组合设计，可应用于狭小的安装空间内和低负载的载体，同时，集成安装后的组合系统可以解决集成度不高所导致的安装误差大的问题，简化不必要的标定流程，进而提升单机整体性能，在保证性能的前提下满足微小卫星的在轨需求；与目前卫星在轨使用的光纤陀螺和磁通门式磁强计相比，本实施例的组合系统在保证卫星在轨稳定运行的前提下，不仅降低单机成本，而且可以降低单机质量，节约发射成本，同时，降低单机功耗，延长卫星在轨使用寿命，间接进一步降低卫星成本。
用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统中磁强计子系统的结构如图2所示，内部控制器子系统包括单片机控制器，单片机控制器包括AD转换模块，磁强计子系统包括双轴磁阻式传感器、单轴磁阻式传感器、仪用运算放大器和传感器驱动电路模块；单片机控制器产生置位/复位波形，传感器驱动电路模块将置位/复位波形转化为置位/复位脉冲，以控制双轴磁阻式传感器和单轴磁阻式传感器进行置位/复位切换；双轴磁阻式传感器和单轴磁阻式传感器输出三路差分模拟信号至对应的三个仪用运算放大器，每一仪用运算放大器对相应的差分模拟信号进行放大后输出至AD转换模块；AD转换模块将差分模拟信号转换为数字信号；单片机控制器将数字信号根据标定公式进行磁场强度的转换，得到磁场强度信息。单片机控制器可以采用C8051系列单片机，例如C8051F502单片机等；双轴磁阻式传感器可以采用型号为HMC1002的磁阻式传感器；单轴磁阻式传感器可以采用型号为HMC1001的磁阻式传感器。
本实施例中，磁场强度的采集采用一块双轴磁阻式传感器和一块单轴磁阻式传感器，其灵敏度为3.2mV/V/Guass，5V供电下，采集磁场范围-1Gauss～1Gauss，对应三路模拟量差分输出范围：-16mV～16mV。采用仪用运算放大器对差分模拟信号进行放大85.32倍，对应三路模拟量差分输出范围：(2500-1365)mV～(2500+1365)mV，满足单片机控制器内部AD转换模块0V～5V的电压输入范围。
为了减小输出信号的衰变以及最大化信号输出，通过置位/复位电流实现磁阻式传感器内部的磁阻电桥上磁开关切换，从而消除过去磁历史的影响，把磁阻式传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态。
单片机控制器通过通用I/O引脚产生如图3(a)所示置位/复位波形，置位波形信号占空比为24.995:25.005，周期为50ms；复位波形占空比为24.995:25.005，周期为50ms。死区时间TRS和TSR为5us。由于单片机控制器通过通用I/O引脚产生的置位/复位波形无法直接驱动磁传感器，所以搭建传感器驱动电路模块，该电路模块采用三极管和MOS管对电容进行充放电控制，使得置位/复位波形通过传感器驱动电路模块转化为置位/复位脉冲。如图3(b)所示，MOS管在TRS死区时间后产生置位脉冲，TSR死区时间后产生复位脉冲供单片机控制器内部的AD转换模块采集。
单片机控制器将数字信号根据标定公式进行磁场强度的转换，得到磁场强度信息的过程包括以下步骤，如图4所示：
步骤一：单片机控制器通过AD转换模块在置位脉冲后采集三路电压模拟量，将电压模拟量转换为电压数字量Vset，每次采样N个点，并求取N个采样点转换后的置位电压数字量平均值
步骤二：单片机控制器通过AD转换模块在复位脉冲后采集三路电压模拟量，将电压模拟量转换为数字量Vreset，每次采样M个点，并求取M个采样点转换后的复位电压数字量平均值
步骤三：单片机控制器计算置位电压数字量平均值
与所述复位电压数字量平均值
的差值，并将差值带入反映电压关于磁场强度的标定公式，计算得到所述磁场强度信息。
具体地，单片机控制器通过内部12位AD转换模块在置位脉冲后采集并转换得到三路电压数字量Vset，每次采样N(例如N＝4)个点，之后求取N个采样点的置位电压数字量平均值
复位脉冲后采集并转换得到三路电压数字量Vreset，每次采样M(例如M＝4)个点，之后求取M个采样点的复位电压数字量平均值
单片机控制器对
与
做差后电压值通过串口输出。在匀强磁场中得出多组固定磁场强度下所对应的电压，采用最小二乘法得出电压与磁场强度的关系作为标定公式，将标定公式写入单片机控制器中即可通过采集电压模拟量得出磁场强度，即最终通过串口输出值为磁场强度。标定公式如下：
Hi＝kVi+b
其中，Hi为已知磁场强度，Vi为已知磁场强度下电压输出值，k和b为通过最小二乘法计算得到的参数。
用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统中MEMS陀螺子系统的结构如图5所示，单片机控制器还包括SPI通讯接口模块，MEMS陀螺子系统包括三轴MEMS陀螺传感器和电平转换模块；三轴MEMS陀螺传感器通过电平转换模块与SPI通讯接口模块连接；单片机控制器通过SPI通讯接口模块读取三轴MEMS陀螺传感器敏感的三轴角速度信息和三轴角加速度信息。用于进行角速度和角加速度采集的三轴MEMS陀螺传感器可以采用ADI公司的ADIS16475系列MEMS陀螺芯片，该芯片输出为数字信号，由于供电电压为3.3V，所以需要通过电平转换模块转为5V与单片机控制器进行SPI通信。单片机控制器通过SPI总线采集三轴MEMS陀螺传感器3个轴向的角速度和角加速度信息。
单片机控制器通过SPI通讯接口模块读取三轴MEMS陀螺传感器敏感的三轴角速度信息和三轴角加速度信息的过程包括以下步骤，如图6所示：
步骤一：单片机控制器判断通过AD转换模块在置位脉冲后采集并转换三路电压模拟量Vset是否完毕，若是，则执行步骤二；
步骤二：单片机控制器通过SPI通讯接口模块发送数据采集指令至MEMS陀螺子系统；
步骤三：MEMS陀螺子系统返回角速度数据和角加速度数据至单片机控制器，单片机控制器得到三轴角速度信息和三轴角加速度信息。
具体地，初始化后，单片机控制器判断通过AD转换模块在置位脉冲后采集并转换三路电压模拟量Vset是否完毕，若是，则执行步骤二；若否，则重新进行初始化；单片机控制器通过SPI通讯接口模块发送数据采集指令至MEMS陀螺子系统；MEMS陀螺子系统接收到数据采集指令后，通过SPI通讯接口模块返回角速度数据和角加速度数据至单片机控制器，从而单片机控制器得到三轴角速度信息和三轴角加速度信息。
用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统中电源子系统的结构如图7所示，电源子系统包括浪涌抑制及熔断电路模块和电压转换模块；浪涌抑制及熔断电路模块的输入端的输入电压为12V，浪涌抑制及熔断电路模块的输出端与电压转换模块的输入端连接，电压转换模块对输入电压进行转换，并输出数字20V电压至传感器驱动电路模块，输出数字5V电压分别至双轴磁阻式传感器、单轴磁阻式传感器和单片机控制器，输出数字3.3V电压至三轴MEMS陀螺传感器，输出模拟2.5V电压至仪用运算放大器。系统输入电压为12V。设备内部设计浪涌抑制及熔断电路模块，在故障发生时隔离整星电源。浪涌抑制及熔断电路模块采用阻值为21Ω、额定功率为0.5W的电阻并联组成，两并联支路分流比为1:1，12V供电下工作电流按照100mA计算，电阻实际功率为0.0525W。当上电浪涌过大或内部电路发生短路时，经计算电流最大为1.14A，电阻上的功率大小为6.8299W，电阻熔断，从而达到隔离整星电源以及浪涌抑制的目的。
电源子系统通过电压转换模块产生20V、5V、3.3V以及2.5V电压为磁强计/MEMS陀螺组合系统内部电路供电。12V电压通过非隔离DC/DC转换为5V电压，为双轴磁阻式传感器、单轴磁阻式传感器和单片机控制器供电；5V电压通过电源转换芯片后再经过升压电路得到20V电压，用于为传感器驱动电路模块供电；5V电压通过低压差线性稳压源得到3.3V电压，用于为三轴MEMS陀螺传感器供电；数字5V电压与模拟5V电压采用磁珠隔离，模拟5V电压由电压转换器转换得到模拟2.5V电压，用于为仪用运算放大器提供参考电压。
用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统中内部控制器子系统的结构如图8所示，内部控制器子系统包括单片机控制器，单片机控制器除包括AD转换模块和SPI通讯接口模块之外，还包括用于与串口子系统通信的串口接口模块，并且串口接口模块和串口子系统均采用RS422串行数据接口标准。
磁强计/MEMS陀螺组合系统中内部控制器子系统运行在C8051系列单片机上的控制软件主要实现以下功能：1.输出置位/复位信号供传感器驱动电路模块使用；2.三轴电压模拟信号采集与转换，通过标定公式，计算得出磁场强度；3.通过SPI总线实现三轴角速度和角加速度数字信号采集；4.接收遥控/遥测指令将磁场强度和角速度、角加速度信息按照通信协议通过RS422总线发送给上位机；5.完成时间管理，通过接收UTC时间和PPS校时进行自守时。
内部控制器子系统输入项主要包括以下内容：
外部时钟输入：单片机控制器采用外部时钟源，时钟周期22.1184MHz，软件工作主频22.1184MHz；
RS422输入：上位机周期性地向磁强计/MEMS陀螺组合系统发送控制指令和遥测指令，磁强计/MEMS陀螺组合系统需响应上位机指令，并返回必要的状态参数；
A/D输入：控制软件周期性地采集并转换三轴电压Vset和Vreset，代入内部的标定公式，解算得到磁场强度信息；
SPI输入：控制软件周期性地采集三轴角速度和角加速度信息；
PPS输入：接收PPS信号通过外部中断完成校时。
内部控制器子系统输出项主要包括以下内容：
RS422输出：控制软件接收到上位机机指令后，返回应答或状态信息；
磁强计子系统驱动输出：输出置位/复位信号供传感器驱动电路模块使用。
磁强计/MEMS陀螺组合系统的控制流程及时序如图9所示：系统上电后，首先完成内部时钟、I/O口、AD转换模块、定时器、串口子系统、温度传感器和SPI总线的初始化配置，之后通过计数器执行控制流程。计数器循环时序如下：
1～2：计数器为1时为初始状态，将复位信号拉低，5微秒后将置位信号拉高，产生置位脉冲；
2～10：置位脉冲后进行4次A/D采集，采集完毕后所对应采集状态置位；
10～12：置位脉冲数据完整性校验，统计成功次数，并根据成功次数对置位脉冲A/D采集求取平均数；
12～26：与MEMS陀螺子系统进行SPI通信，采集角速度、角加速度、温度信息；
26～27：置位信号拉低，5微秒后复位信号拉高，产生复位脉冲；
27～35：复位脉冲后进行4次A/D采集，采集完毕后所对应采集状态置位；
35～37：复位脉冲数据完整性校验，统计成功次数，并根据成功次数对复位脉冲A/D采集求取平均数；
37～51：完成温度采集和磁场强度标定公式运算；
51：喂狗，计数器清零，采集状态位清零。
内部控制器子系统通过上位机发送的授时指令和PPS硬件校时完成内部自守时，并将时间信息与磁场强度信息、三轴角速度信息、三轴角加速度信息和温度信息进行组帧，得到数据采集帧，其中温度信息为内部温度传感器输出的三轴MEMS陀螺传感器的内部温度。
磁强计/MEMS陀螺组合系统中的内部控制器子系统具备时间管理功能，主要包括两部分：秒小数校时和UTC秒校时。
磁强计/MEMS陀螺组合系统的秒小数校时通过内部自守时和秒脉冲PPS校时实现。当磁强计/MEMS陀螺上电后，秒小数部分采用定时器从0微秒开始计时，当秒小数累计到999999微秒后，UTC时间秒加1，定时器重置。秒小数清0，并从0开始重新计时。磁强计/MEMS陀螺具备接收上位机PPS秒脉冲功能，当检测到秒脉冲PPS后，如果秒小数计时小于500000微秒，定时器重置。秒小数清0，UTC时间秒不变；如果秒小数计时大于等于500000微秒，定时器重置。秒小数清0，UTC时间秒加1。
磁强计/MEMS陀螺内部的UTC时间秒通过中心机校时的方式进行调整，上位机通过UTC校时指令将中心机的UTC时间信息发送至磁强计/MEMS陀螺，当磁强计/MEMS陀螺接收到中心机的校时指令后，内部秒小数计时不变，秒整数替换为上位机发送的UTC时间信息并返回指令应答帧。
内部控制器子系统通过RS422接口与上位机进行通信，电路基于C8051F502SCI外设模块设计，并通过RS422接口芯片完成物理层的差分转换，采用5V供电。
内部控制器子系统通过串口子系统接收到上位机指令时进入中断，依据通信协议进行解析完成UTC授时和返参后，恢复中断。当上位机采集磁强计/MEMS陀螺组合系统的工程参数时，上位机通过串口子系统发送数据采集指令帧(或者数据查询指令帧)至内部控制器子系统，内部控制器子系统接收到数据采集指令帧(或者数据查询指令帧)后，通过串口子系统返回数据采集帧(或者工程参数帧)至上位机；当上位机进行UTC授时时，上位机通过串口子系统发送时间调整指令帧至内部控制器子系统，内部控制器子系统接收到时间调整指令帧后，通过串口子系统返回指令应答帧至上位机。
在另一个实施例中，本发明还公开一种用于上述磁强计/MEMS陀螺组合系统的机械外壳，该机械外壳包括具有容纳PCB板1腔体的壳体2、用于封闭腔体的盖板3和军工级接插件4；本发明中的磁强计/MEMS陀螺组合系统集成在PCB板1上，PCB板1采用6层电路板结构，其中第二层电路板为地层，第三层电路板和第四层电路板为信号走线层，第五层电路板为电源层，磁强计子系统、MEMS陀螺子系统、内部控制器子系统和串口子系统均设置在第一层电路板上，为了使系统易于标定，传感器三个轴向正交摆放时注意与系统本体坐标系平行，相关电源芯片就近放置在相应芯片附近，模拟地与数字地通过磁珠隔离。本实施例中磁强计子系统、MEMS陀螺子系统、内部控制器子系统和串口子系统其具体结构和功能的实现方法，可以参照上述的用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统实施例中描述的实现方法，此处不再赘述。
PCB板1固定在壳体2内，盖板3通过钛合金螺钉5与壳体2固定连接；壳体2的底部设有四个用于与安装板固定连接的凸耳；壳体2的侧壁设有与军工级接插件4配合的插口，PCB板1的电接口通过军工级接插件进行信号的传输。
本实施例中用于磁强计/MEMS陀螺组合系统的机械壳体的主体结构设计采用了印制板出线连接方式，外引军工级电连接器与相应插件固定，从而保证引线加工的可靠性。机械壳体的结构如图10所示，包括壳体2、盖板3、1个电路板(即PCB板1)、钛合金螺钉5、军工级接插件4等零部件，壳体2和盖板3材质为铝合金2A12，采用止口搭接，搭接面采用露白处理，通过螺钉联接形成一个完整的壳体，可减小接触电阻，有利于良好屏蔽。为满足抗辐照要求，薄板件的基本壁厚为3mm，设计中避免了尖锐角，回避应力集中，提高了零件强度。壳体2的底部设有四个凸耳，用于与安装板连接，凸耳厚度为3mm，安装孔径为4×Φ4.5mm。壳体2内部采用硫化硅橡胶GD414对模块印制板进行点封。通过以上措施可实现对各元器件加固，增大阻尼，使得磁强计/MEMS陀螺组合系统抗力学环境设计符合火箭发射和在轨环境要求。
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 (8)
1.一种用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，其特征在于：包括用于采集载体的磁场强度信息的磁强计子系统、用于采集所述载体的三轴角速度信息和三轴角加速度信息的MEMS陀螺子系统、内部控制器子系统、用于实现所述内部控制器子系统与上位机之间通信的串口子系统和电源子系统；
所述内部控制器子系统对所述磁强计子系统和所述MEMS陀螺子系统进行实时信息采集和信息组帧，组帧后得到数据采集帧，并完成内部自守时；
当所述内部控制器子系统接收到所述上位机通过所述串口子系统发送的数据采集指令帧时，所述内部控制器子系统通过所述串口子系统返回所述数据采集帧至所述上位机；
所述电源子系统用于为所述磁强计子系统、所述MEMS陀螺子系统、所述内部控制器子系统和所述串口子系统供电；
所述内部控制器子系统包括单片机控制器，所述单片机控制器包括AD转换模块，所述磁强计子系统包括双轴磁阻式传感器、单轴磁阻式传感器、仪用运算放大器和传感器驱动电路模块；
所述单片机控制器产生置位/复位波形，所述传感器驱动电路模块将所述置位/复位波形转化为置位/复位脉冲，以控制所述双轴磁阻式传感器和所述单轴磁阻式传感器进行置位/复位切换；
所述双轴磁阻式传感器和所述单轴磁阻式传感器输出三路差分模拟信号至对应的三个所述仪用运算放大器，每一所述仪用运算放大器对相应的所述差分模拟信号进行放大后输出至所述AD转换模块；
所述AD转换模块将所述差分模拟信号转换为数字信号；
所述单片机控制器将所述数字信号根据标定公式进行磁场强度的转换，得到所述磁场强度信息，该过程包括以下步骤：
步骤一：所述单片机控制器通过所述AD转换模块在置位脉冲后采集三路电压模拟量，将电压模拟量转换为电压数字量Vset，每次采样N个点，并求取N个采样点转换后的置位电压数字量平均值
步骤二：所述单片机控制器通过所述AD转换模块在复位脉冲后采集三路电压模拟量，将电压模拟量转换为电压数字量Vreset，每次采样M个点，并求取M个采样点转换后的复位电压数字量平均值
步骤三：所述单片机控制器计算所述置位电压数字量平均值
与所述复位电压数字量平均值
的差值，并将所述差值带入反映电压关于磁场强度的标定公式，计算得到所述磁场强度信息。
2.根据权利要求1所述的用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，其特征在于：所述单片机控制器还包括SPI通讯接口模块，所述MEMS陀螺子系统包括三轴MEMS陀螺传感器和电平转换模块；
所述三轴MEMS陀螺传感器通过所述电平转换模块与所述SPI通讯接口模块连接；
所述单片机控制器通过所述SPI通讯接口模块读取所述三轴MEMS陀螺传感器敏感的所述三轴角速度信息和所述三轴角加速度信息。
3.根据权利要求2所述的用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，其特征在于：所述电源子系统包括浪涌抑制及熔断电路模块和电压转换模块；
所述浪涌抑制及熔断电路模块的输入端的输入电压为12V，所述浪涌抑制及熔断电路模块的输出端与所述电压转换模块的输入端连接，所述电压转换模块对所述输入电压进行转换，并输出数字20V电压至所述传感器驱动电路模块，输出数字5V电压分别至所述双轴磁阻式传感器、所述单轴磁阻式传感器和所述单片机控制器，输出数字3.3V电压至所述三轴MEMS陀螺传感器，输出模拟2.5V电压至所述仪用运算放大器。
4.根据权利要求1所述的用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，其特征在于：所述单片机控制器通过所述SPI通讯接口模块读取所述三轴MEMS陀螺传感器敏感的所述三轴角速度信息和所述三轴角加速度信息的过程包括以下步骤：
步骤一：所述单片机控制器判断通过所述AD转换模块在置位脉冲后采集并转换三路电压模拟量Vset是否完毕，若是，则执行步骤二；
步骤二：所述单片机控制器通过所述SPI通讯接口模块发送数据采集指令至所述MEMS陀螺子系统；
步骤三：所述MEMS陀螺子系统返回角速度数据和角加速度数据至所述单片机控制器，所述单片机控制器得到所述三轴角速度信息和所述三轴角加速度信息。
5.根据权利要求2或3所述的用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，其特征在于：
所述内部控制器子系统通过所述上位机发送的授时指令和PPS硬件校时完成内部自守时，并将时间信息与磁场强度信息、三轴角速度信息、三轴角加速度信息和温度信息进行组帧，得到所述数据采集帧，其中所述温度信息为内部温度传感器输出的所述三轴MEMS陀螺传感器的内部温度。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，其特征在于：
当所述内部控制器子系统接收到所述上位机通过所述串口子系统发送的时间调整指令帧时，所述内部控制器子系统通过所述串口子系统返回指令应答帧至所述上位机。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的用于微小卫星的磁强计/MEMS陀螺组合系统，其特征在于：
所述单片机控制器还包括用于与所述串口子系统通信的串口接口模块，所述串口接口模块和所述串口子系统均采用RS422串行数据接口标准。
8.一种用于权利要求1至7任意一项所述的系统的机械外壳，其特征在于：包括具有容纳PCB板(1)腔体的壳体(2)、用于封闭所述腔体的盖板(3)和军工级接插件(4)；
所述PCB板(1)采用6层电路板结构，其中第二层电路板为地层，第三层电路板和第四层电路板为信号走线层，第五层电路板为电源层，所述磁强计子系统、所述MEMS陀螺子系统、所述内部控制器子系统和所述串口子系统均设置在第一层电路板上；
所述PCB板(1)固定在所述壳体(2)内，所述盖板(3)通过钛合金螺钉(5)与所述壳体(2)固定连接；
所述壳体(2)的底部设有四个用于与安装板固定连接的凸耳；
所述壳体(2)的侧壁设有与所述军工级接插件(4)配合的插口，所述PCB板(1)的电接口通过所述军工级接插件(4)进行信号的传输。
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