单片机在卫星等效器设计中的应用

杨 勇，孙 奎

0 引言

卫星负载等效器是用于卫星地面综合测试的专用设备，主要用于地面有线测试网络状态变动后，卫星加电前，对地面有线测试网络与星上接口的部分功能进行检查，同时对用于卫星的有线测试设备进行间接检查，确保有线测试设备各项功能正常。卫星负载等效器就是用于等效卫星负载的设备，从外面看上去，其功能和卫星的部分有线测试功能一致，其在卫星的各个测试阶段都有着广泛的应用。本文就如何应用单片机作为卫星负载等效的核心控制部件实现卫星等效功能进行论述，最终实现卫星的各项等效功能。

1 设备需实现的功能

由于卫星负载等效是用来等效卫星的，也就是说在真实的卫星未具备状态时，该等效器要以卫星的身份参加测试网络的检查工作，因此，该设备需要具备与卫星相同功能和性能的有线测试接口。根据测试网络的需求，卫星负载等效器需要具备以下功能。

1）信号模拟功能

根据任务需求，负载等效器需要模拟输出电压信号、通断状态信号。

2）信号采集及显示功能

根据任务需求，需要对模拟量信号进行 A/D采集，并在显示装置上进行显示，根据任务总需求，需要采集和显示的信号全部为电压信号。部分电流信号通过信号转换，最终以电压信号的形式输出供采集。

3）信号接收功能

根据任务需求，等效器需接收其他设备发送的开关控制信号，并模拟开关进行动作。

4）客户端功能

等效器具有手动和程控两种方式，以客户端（client）的身份接入测试网络，并按时间顺序，以 0.5s为周期将自身的状态信息及测量参数发送至测试服务器（server）。

2 设备功能架构

根据设备的任务和功能需求，基本上确定设备的架构以单片机为控制核心，外加控制类模拟电路完成。单片机主要完成对模拟信号产生的控制、模拟信号的采样以及网络通信功能，而外围模拟电路主要完成信号的调理、处理，以及按要求模拟开关动作。为了实现设备在网络中的client功能，系统采用单片机实现 RS232的对外通信接口，然后通过通用的232-TCP/IP转换装置实现client功能。基本的架构图，如图1所示：

图1 设备体系架构图

3 单片机核心功能的实现

本设计方案涉及到继电器、信号调理电路、单片机控制等诸多功能，本文重点就单片机在系统中的功能实现作重点介绍。

3.1 模拟量信号A/D采样功能的实现

负载等效器共有15路模拟信号需要采集，A/D转换采用 dsPIC30F6014A单片机内部集成的 10位 A/D实现。dsPIC30F6014A单片机具有16个A/D采样通道，但为了节省单片机的I/O资源，采用单片机的第1路模拟采样通道外加16选1模拟开关74HC4067实现15路模拟信号的采集功能。通过单片机的4个I/O口控制模拟开关进行通道选择。模拟信号采集，如图2所示：

图2 模拟信号采集

系统上电后，启动A/D采集功能，对15路模拟量进行循环采样。A/D转换包括初始化配置、状态查询、数据读取、处理及数据发送等部分程序。在系统主程序中查询 A/D转换结束标志，判断 A/D转换结束后调用数据读取、处理程序，并切换模拟量通道进行下一轮的采样。如果负载等效器与测试服务器处于连接状态并且通信正常，每隔0.5s将A/D转换结果等参数上传到测试服务器。

3.2 有线测量信号模拟功能的实现

卫星有线测量信号模拟，顾名思义就是模拟卫星送到地面测试系统的电压信号。有线就是相对无线信号而言的。

在接通供电阵建立母线电压时，模拟产生+42V、+28V两个母线电压和母线电流信号（实际为电压信号）及A、B组蓄电池的电压信号。采用单片机检测供电阵电压状态，在供电阵接通后，单片机通过ULN2803控制电磁继电器接通模拟量输出，即输出有线测量信号。其中母线电压为 42V和28V，蓄电池电压为30V，都是采用电阻分压的方式直接输出。42V母线电流和28V母线电流采用电阻分压设计，共4档可调，可以通过设备面板的分档旋钮控制，也可以通过单片机切换双路模拟开关 CD4052和单刀双掷电磁继电器实现。

3.3 TCP/IP通信功能的实现

在卫星测试的TCP/IP网络中，负载等效器以网络客户端（client）的身份与测试服务器通信。操作人员在由总控终端发出地面设备控制指令至测试服务器，由测试服务器TCP/IP转发至负载等效器控制器，进行负载等效器的参数设置。负载等效器在接收到指令后，译码并执行指令，并且每隔 0.5s负载等效器控制器将自身的工作状态发送至测试服务器，由测试服务器组播至监视终端进行负载等效器工作参数和状态监视。

TCP/IP转换采用专用网络转换模块NETCOM-100IE实现，NETCOM-100IE与单片机之间采用UART接口设计，NETCOM-100IE与测试服务器采用TCP/IP接口设计，可以实现UART与TCP/IP的无缝链接。通过专用开发软件设置好NETCOM-100IE的232通信速率等信息和TCP/IP的网址及服务器地址，并且使NETCOM-100IE工作于客户端模式。

负载等效器作为客户端，工作流程包括：登陆测试服务器、申请数据、数据采集与控制以及发送数据。

单片机首先发送登陆测试服务器请求，在登录成功后发送数据申请请求，数据申请成功后进入正常通信模式。在正常通信模式可以接收测试服务器转发的控制指令并上传状态参数。

3.4 继电器及状态显示功能的实现

通过电磁继电器模拟卫星上的各种触点信号。分为程控和手动控制两种工作方式。

在程控模式通过单片机接收测试服务器的控制指令并译码，单片机控制ULN2803驱动电磁继电器，继电器的一付触点作为触点信号送到发控台，另一付触点控制前面板的EOA指示灯来指示状态信息，同时单片机通过 74HC4067检测继电器状态，并将状态信息上传测试服务器，测试服务器将状态信息转发监视终端显示。

在手动控制模式，单片机控制ULN2803输出高阻状态，通过前面板的EAO开关控制继电器的通断。

通过磁保持继电器模拟卫星的重要开关机功能，磁保持继电器采用ULN2803驱动。发控台控制发送关机指令，单片机通过定时器控制I/O引脚输出80ms的脉冲信号控制磁保持继电器的接通和断开，也可以通过前面板的EAO开关控制。与电磁继电器一样，前面板的EAO指示灯指示状态信息，同时单片机检测磁保持继电器状态并通过TCP/IP接口将状态信息上传测试服务器用于状态监测。

4 结论

本设计以单片机为核心，完成了卫星测试工程中卫星负载等效器的设计实现。单片机在设备中实现了模拟信号的A/D采样功能、信号控制功能、RS232串口通信功能以及显示驱动功能，使卫星负载等效器作为测试网络中的client之一，与卫星的其他测试设备组成有机体，实现了卫星测试的信息化和智能化，为后续卫星测试负载等效设备的设计提供了参考。

[1]著作：徐玮 沈建良，单片机快速入门[M]，北京航空航天大学出版社，2008

[2]著作：张宏伟，李德新，单片机应用技术实训[M]，北京理工大学出版社，2010.

[3]著作：杨居义，单片机课程设计指导[M]，清华大学出版社，2009