一种智能化卫星供配电测试系统设计

(合肥工业大学 工程实践教学中心,安徽 宣城 242000)

星上电源、总体电路分系统地面自检设备相对独立，每个单机对应一个地面自检，使得地面自检设计复杂化、功能单一，且在分系统联试过程中，测试分系统功能、性能指标中需要多个设备相结合，让测试更加繁琐，测试周期拖长[1]。

当前卫星在研制过程中普遍存在着任务量大、周期短和工作计划紧张等特点[2]。因此在单机、分系统及分系统之间的测试过程中配置一套可编程的全自动地面测试设备对于保证后续项目计划进度、产品质量、测试全面性及可靠性具有十分重大的意义。

1 系统总体方案

智能化供配电测试系统是基于自定义配置测试脚本流构架体系下的专用软、硬件全自动综合测试控制平台系统[3]。测试系统基本原理架构如图1所示。各个分系统之间采用以太网TCP/IP协议进行通信，配电控制箱用于给各个系统供电。各个分系统的接口根据测试需求来配置各种板卡和信号调理。控制软件采用CS构架模式，在控制终端布局自动化测试软件客户端，其他分系统上布局测试软件的显示端。

图1 系统原理框架

2 硬件设计

2.1 系统控制器

控制器采用NI的PXIe-1062Q机箱和PXIe-8135处理器，安装Windows操作系统，同时添加信号调理以满足电气接口的要求，其配置如图2所示。PXI-6602定时器卡配合OC输出信号调理[4]，实现遥控功能；PXI-6224数据采集卡，配合电压信号调理，实现遥测功能；RS232总线采用PXI8431串口通信卡，1553B总线通信配置了AIT公司的1553B总线板卡。

图2 系统控制器原理图

2.2 信号调理设计

信号调理有两方面作用。一是实现NI板卡与被测试产品之间的电气特性匹配。由于NI的I/O输出板卡与被测试产品之间电气特性有可能不一致，因此为了使外围系统与NI板卡平台通过线束连接起来，必须通过信号调制做信号匹配。一般情况下NI板卡是无法直接采集大电流的，必须将电流通过电流传感器转换成电压，通过A/D板卡进行采集。二是保护被测试产品和NI板卡。在实际的测试中，测试人员可能会接错信号线，比如将D/A输出线直接接到地线上，造成测试设备的损坏。因此，对于标准板卡需要设置一定的输入/输出电压电流范围限制，通常D/A的最大输出电流为5 mA，为了提高D/A输出能力，必须外加调理电路提高输出电流，假定最大输出电流为50 mA，则当电流超过设定值时关闭输出，实现保护电路[5]。

图3为数字信号输出原理图。NI数字输出板卡输出信号给信号调理板；信号调理板通过高速数字隔离芯片将NI板卡和被测试单机接口的地隔离，同时调理电路设计了输出过流和过压保护，当输出电流和电压超过某一个值时，会自动切断电路，保护被测试单机不受损坏[6]。过流和过压值可以根据实际应用情况的需要进行多样设置。

图4为模拟信号输入板卡实现的原理图。被测试单机的模拟信号与信号调理板连接；信号调理板与被测试单机之间通过一级阻抗匹配,同时通过模拟信号隔离芯片将NI板卡和被测试单机接口的地隔离，同时调理电路设计了输出过流和过压保护电路，当输出电流和电压超过某一个值时，会自动切断电路，保护被测试单机不受损坏。过流和过压值可以根据客户的需要设置。

图3 数字信号输出原理

图4 模拟信号输入原理

2.3 多功能可编程智能负载匹配器

智能负载匹配器用于实现遥控、遥测、火工品等效以及其他等效负载功能。遥控功能采用PXIe-7802R可编程控制卡，该板卡带有可编程FPGA，可以提供128路可编程数字I/O的输入或输出，同时配合OC输出信号调理实现脉冲指令和锁存指令。遥测功能采用PXI-6345数据采集卡，该板卡带有80路单端/40路差分输入，通过0～50 V电压隔离信号调理可满足模拟量电压采集，通过电阻采集信号调理可以实现电阻信号采集[7]。火工品等效功能采用可编程程控电阻，可编程程控电阻可以满足64 kΩ，补偿2 Ω的调节精度，同时火工品等效功能输入电压通过0～50 V信号调理直接通过PXI-6345采集，即可得到输入信号的幅度和脉冲持续时间。其他等效负载可采用自研程控动态负载等效器，负载等效输入信号为0～10 V模拟量，模拟量可以输入任意波形，负载等效器的负载电流随着模拟量的输入做线性变化，最快的跟随达到10 kΩ。

2.4 测试系统供电和接地设计

系统的测试供电主要给各个设备供电，因此需要进行各种保护，图5为配电箱的连接示意图。可以看到，当电流电压过载时，系统会自动跳闸，保护整个系统。同时机柜直接与220 V的地接在一起，保证了系统的安全。图6为系统电信号流向图，系统通过220 V供电，输出24 V电源给隔离DC/DC，DC/DC给信号调理供电。通过信号调理，测试系统与被测试系统的地分成了GND1和GND2两个地，这两个地之间完全隔离，即测试单机的地GND2是完全浮起，保障了整个系统的电气安全。

3 软件设计

整个软件采用CS构架模式，即在系统控制器端布置了Server，用于控制系统控制器的底层硬件的接口和与测试端进行数据通信，而控制终端方面布置Client，用于测试的执行。图7为Client端软件方案的框架原理图。该应用软件分为4层：① 人机交互层为用户提供了友好的人机交互界面，如各种控件元素、表格和按钮等，为测试提供友好的环境；图形界面层采用Eclipse平台开发，采用JFace和SWT技术，实现界面的灵活配置。② 业务逻辑层为软件的核心层，各功能软件的业务处理各不相同，如显示监控、自动化测试、数据判读和数据存储等。③ 基础服务层提供了测试网络的通信服务及数据库服务；通信服务为软件的外部网络接口的管理，通过TCP/IP和JMS实现与外部数据的交互，包括连接的管理、数据的分发/订阅、转发等功能；数据库服务提供了对数据库的访问接口，包括存储、查询功能。④ 数据通信层包含了串口通信、以太网通信等多种通信方式。

图5 配电箱连接示意图

图6 系统电信号流向图

图7 系统软件架构

3.1 软件功能组成

3.1.1 加载和保存测试工程信息

在测试之初，测试输入软件需要加载测试工程信息，加载过程可以通过两种方式：① 加载本地已有工程和同步配置库中的新工程；② 在打开测试输入软件后，能在资源栏中选择“导入”的方式加载本地已有的工程。

3.1.2 测试指令编辑与管理

测试工程中的所有指令都保存在测试指令库文件夹中，可在测试指令库文件夹中创建多个子文件夹与测试指令集文件，每个测试指令集文件可以包含多条测试指令。能够对进行对指令、指令集文件以及指令子文件夹进行如下操作：测试指令编辑完成后，可直接发送该条指令，对星载计算机进行指令输入。

3.1.3 测试序列编辑与管理

测试工程中的所有测试序列都保存在测试序列文件夹中，可在测试序列文件夹中创建多个子文件夹与测试序列文件，每个测试由一系列测试指令和逻辑流程组成，逻辑流程元素包含两种：for循环与wait等待，在循环过程中也能实现循环嵌套的功能，支持多级的嵌套。在编辑测试序列过程中，通过拖入流程元素和测试指令，构建一个测试序列，并保存为一个测试序列文件。

3.1.4 测试序列执行与调试

测试过程中，测试是通过指令来实现输入激励的。测试序列的执行分为两种模式：运行和调试。在运行模式下，测试序列被顺序执行，断点无效。在调试模式下，测试序列按照断点执行，也可以按照调试需求单步执行，执行数据可通过相应的窗口进行查看。

当选择某一测试序列后，执行该测试序列，监控界面能够动态显示当前测试到哪一步。在测试过程中，能实时监控某些变量，并将测试结果高亮显示。测试中可进行暂停，测试序列会停止在当前步骤，也可完全中止测试序列，恢复到初始状态。在测试序列的执行过程中，测试序列左侧会出现一个箭头符号，标识当前执行的测试指令。

在测试过程中，测试序列中可以添加断点功能，程序运行到断点位置自动停止，可根据需要选择单步执行或继续执行。测试序列执行结束后，在视图中会标示出其已终结的状态，并在下个测试序列开始执行时，移除视图中显示的所有已结束的测试序列。

3.1.5 测试报告自动生成

执行测试序列之前，可通过首选项设置配置是否生成测试报告、测试报告的格式及测试报告的存放路径等信息。若设置生成测试报告，则测试序列执行完成后，会在指定路径生成指定格式的测试报告。测试报告目前支持的格式为Word。也可修改配置文件，改变测试报告生成的内容，通过这种方式，能够生成特定的项目报告，如专门针对遥测遥控测试任务生成遥测遥控测试报告等。

3.2 数据显示终端

在测试过程中，数据监视软件从总控网络中订阅相关的指令和数据，进行动态的显示，或在测试完成之后，从数据库进行数据回放，分析测试过程。在数据监视软件中，提供了丰富的控件可供使用。数据监视软件界面如图8所示。在数据监视软件中，左侧为工程导航栏，显示测试工程内容。右侧为监视显示区域，可通过拖拽左侧导航栏中的卫星格式数据到编辑区域中，以图形化界面显示，全部数据域显示为文本框，也可修改控件属性，编辑图形类型及是否显示等。数据监视软件提供LED灯、波形控件、普通文本和枚举控件等4种控件。数据显示软件并不影响故障模拟测试过程，可随时增加显示计算机，从测试总控网络中订阅相关数据进行显示。

图8 数据监视软件界面

测试过程中，点击软件界面上的开始按钮，数据显示软件运行。软件会根据界面上控件相关的ICD数据信息，从以太网络中接收数据，然后根据ICD格式信息进行数据解析，在界面上动态显示。在测试过程中，点击停止按钮，显示软件停止工作，可对显示界面进行编辑。

在测试完成后，可从数据库中重新获取数据，进行测试过程重现或测试分析。测试结果的重现和分析包括数据回放和检索数据库。在测试完成之后，从数据库中获取试验数据，重现测试过程。再点击数据回放按钮，输入回放的起始时间，点击开始后，数据显示软件从数据库获取测试数据，解析后在控件上进行显示。在回放过程中，可以点击停止，并进行单步回放，满足特定的显示要求。在测试完成之后，数据显示软件可以远程检索数据库，检索条件包括参数名称、参数代码、所属系统、时间范围等。在检索完成后，对于遥测类数据，其数据长度较长，无法在检索界面中完整显示，可以点击数据值，检索界面会弹出新的对话框显示完整的数据原包。同时可以对检索后的结果绘制曲线，曲线的横轴为检索结果的序号，纵轴为检索结果存入数据库的时间。通过绘制曲线，能确认在数据存储过程中是否有丢包的情况存在。也可以将检索得到的结果导出成Excel文件，进行外部软件处理。

4 系统特点

卫星测试系统能够完成供配电系统级测试和电源控制器、均衡器、配电器单机的全自动测试过程，系统功率大于2400 W(可扩容)，功能涵盖配电、火工品、加热器和阀门控制等多项内容。

为保持产品的安全及测试设备安全，智能化供配电测试系统设计了软、硬件结合的过压、过流和过温等多种防护与监测措施。

5 结束语

本文设计的智能化供配电测试系统是一种可一键启动的智能全自动测试平台。通过外围电缆将需要测试的供配电产品与测试系统外围进行连接，同时定义好测试流程和相应的判定依据。系统一键启动后，能够自动执行相关测试，实现测试全过程的智能化。实际应用表明该系统不仅功能完善、操作简便、控制灵活，而且系统的模块化、通用化和系列化程度高，能够满足星座模式下多星综合测试中的地面供配电测试需求。