星上定标机构可靠性测试系统设计
2016-01-05李哲刘栋斌李闻先
李哲 刘栋斌 李闻先
摘要：针对一种航天遥感光谱仪定标机构的可靠性测试，设计了一套操作简单、使用方便的控制系统，可以自动驱动定标机构电机进行测试，不但能完整记录次数、电机步数、定标机构温度等关键参数，而且可以识别定标机构的异常状态并中止试验。实践证明该系统可以很好地满足测试要求，且自动化程度高，方便设计人员发现问题并进行改进，提高工作效率。
关键词：光谱仪；定标机构；可靠性
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0196-03
The Design of Onboard Calibration Mechanism Reliability Testing System
LI Zhe， LIU Dong-bin， LI Wen-Xian
（Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）
Abstract： Aimed at a space remote sensing spectrometercalibrationmechanism reliability test， a control system which can be operated easily and used conveniently is designed for automatic test. It can not only save thekeyparameters， such ascycles， motor steps， temperature of the calibrationmechanism and so on， but also can identifythe abnormalstatus and stop the test. Theexperimental results show that the system can meetrequirements of the test. The system has the advantage ofhigh automation level， can help thedesigner to find and solve the problems efficiently.
Key words： spectrometer； calibration mechanism； reliability
1概述
目前，航天遥感光谱仪被广泛应用于资源勘探、环境监测、大气成分分析、农作物估产、灾害预警等相关领域。由于空间环境恶劣以及随着时间的推移，探测器及光学系统的性能会持续下降，而光谱仪的数据准确性会直接影响分析的结果，所以专门设计了一套带有漫反射板的可伸缩对日定标机构，在必要时进行在轨定标以确保光谱仪数据的准确性[1][2]。
星上对日定标时，机构展开漫反射板至光谱仪镜头前，将太阳光反射至光谱仪中[3]，对地工作时，机构收回漫反射板，而在航天工程中，对活动部件的可靠性要求很高，机构展开失败会导致不能定标，机构收回失败则会导致光谱仪被遮挡不能完成观测任务。故本文为定标机构的可靠性试验而设计了一套控制系统，并对测试结果进行了分析，进而帮助改进定标机构的设计。
2定标机构
定标机构由支架、漫反射板驱动机构、漫反射板保护盖驱动机构、漫反射板、漫反射板保护盖、霍尔传感器、行程开关、锁紧释放电磁铁等部件组成，漫反射板驱动机构由步进电机、谐波减速器、主轴、轴承、齒轮齿条及导轨组成，如图1所示。定标机构的漫反射板由步进电机驱动进行打开和关闭操作，并通过霍尔传感器和行程开关来反馈打开及关闭的状态。
图1 定标机构
3测试系统设计
测试系统主要完成控制步进电机进行打开、关闭操作，霍尔元件及行程开关状态、温度、电压等参数的采集，并根据参数判断当前的机构状态，自动执行测试或中止测试。整个测试系统由电源、测试控制电箱和上位机组成，如图2所示。
3.1测试控制电箱设计
测试控制电箱中核心器件为Xilinx公司的FPGA-XC3S400，并通过VHDL硬件描述语言实现逻辑电路功能。定标机构在展开端安装了两个霍尔元件和一个行程开关，展开霍尔2的位置高于展开霍尔1，展开行程开关为机械限位位置是最高端；收回段也安装了两个霍尔元件和一个行程开关，收回霍尔2的位置低于收回霍尔1，收回行程开关为机械限位位置是最低端。霍尔元件和行程开关的接到由5V电压到地的2kΩ与3kΩ的中间一端并与FPGA的IO相连，无效时为3V，IO端为高，有效时为0V，IO端为低。电压定标机构所使用的电机为步进电机，控制方式为四相八拍，使用1KHz的工作频率。电机控制指令包括3个字节，首字节代表方向，16进制的“33”代表展开方向，16进制的“CC”代表关闭方向，后两个字节代表电机步数，因定标机构的行程最大为29000步，所以将最大步数限制为30000步。FPGA接收到指令后，首先判断方向，如果不是“33”或“CC”则不执行，如果超过30000步则最大走行3000步，如果指令正确，则根据方向及步数按顺序发出四相八拍的时序信号。监测关键电压信号D+5V，A+5V，+12V，-12V，以及机构上的4个温度值，使用的是AD7890芯片，此芯片有8个输入端，1个输出端，通过地址从0到7依次读出8个输入端的电压信号，设定每0.1s更换一次地址。测试控制电箱使用RS-422通信接收计算机发出的控制指令，FPGA进行串并转换，识别命令，执行命令，并将定标机构相关的状态参数进行并串转换，上传至计算机，发送芯片为DS26LV31，接收芯片为DS26LV32。
3.2上位机软件设计
上位机使用的是USB转RS-422接口，上位机软件通过此接口与测试控制电箱实现通信，发送控制指令，并接收定标机构的状态参数，上位机软件如图4所示。上位机发送的命令主要有两条：1.电机切换指令，电机驱动有主备份可选；闭环控制响应霍尔及行程状态，开环则不响应；机构打开判据可以选择打开霍尔1、打开霍尔2或打开行程，机构关闭判据可以选择关闭霍尔1、关闭霍尔2或关闭行程。2定标机构控制设置指令，方向“33”为打开，“CC”为关闭；电机步数最大设置为30000步。上位机的定标机构老炼采用定时器设置，因定标机构从两个限位端的最远距离电机29000步可以走完，且最大设置为30000步，电机工作在1kHz，所以设置间隔32秒发送打开和关闭的指令，下面的循环次数记录机构打开关闭的循环次数，设置好后可以自动执行测试。上位机通过每秒发送的轮询指令从测试控制电箱得到各种状态参数，如电压、温度、霍尔元件及行程开关的状态、电机步数、FPGA判断到的定标机构工作状态，方便测试人员进行判读。
图4 上位机软件
3.3异常状态的识别及处理
当定标机构发生卡滞的时候，电机会丢步，即FPGA发出30000步之后，仍没有任何霍尔元件或行程开关有效，则FPGA会进行识别，返回打开失败或关闭失败标识，此时上位机会识别这个状态标识，终止定标机构的跑合循环。如定标机构变形，即展开时先经过霍尔1，而没有触发霍尔1有效，在霍尔2停住或触发行程开关才停住，FPGA也会进行识别，返回异常标识，此时上位机会也会进行识别，终止循环。
4跑合测试试验情况
为考察定标机构在太空环境下的环境适应性，试验在真空罐中进行，首先进行三次高低温循环试验，温度范围从-25℃～50℃，此后需要在5℃的温度下跑合10000次，试验情况如图5所示。定标机构放入真空罐，测试控制电箱通过穿罐的电缆与定标机构相连，电源、上位机摆分别通过电缆连接到测试控制电箱，左侧的笔记本记录真空罐内的温度，如图5所示。
图5
试验过程中，在低温-25℃时，发生了机构卡滞，运行30000步之后，没有霍尔开关或行程开关为有效状态，且通过窗口玻璃观察确实没有展开到位，后经过排查发现真空润滑脂在低温时发生凝固，经过更换润滑脂后故障排除。高温50℃时，直到关闭霍尔2有效时，关闭霍尔1均一直无效，后发现高温时结构产生一定变形造成磁钢与霍尔元件间距过大而无效，后经重新装配解决问题。此后的在5℃下跑合10000次没有发生任何问题，每次打开、关闭定标机构的步数均在26240步左右，相差不超过10步。真空试验验证了星上定标机构的可靠性。
5总结
本文针对星上定标机构设计了一套测试系统，可自动执行测试，能完整记录跑合次数、电机步数、定标机构温度等关键参数，并可识别异常情况并终止测试。通过试验，测试系统验证了星上定标机构的可靠性，其自动化程度高，方便设计人员发现和解决问题，可提高工作效率。
参考文献：
[1] 杨国鹏，余旭初，冯伍法，等.高光谱遥感技术的发展与应用现状[J].测绘学报，2008（10）：1-4.
[2] 李晓晖，颜昌翔. 成像光谱仪星上定标技术[J].中国光学与应用光学，2009，8（2）：309-315.
[3] 赵敏杰，司福祺，江宇，等. 星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标机构设计[J]，大气与环境光学学报，2014，1（9）：57-60.
