一種智能化衛(wèi)星供配電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(合肥工業(yè)大學(xué) 工程實(shí)踐教學(xué)中心,安徽 宣城 242000)

星上電源、總體電路分系統(tǒng)地面自檢設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，每個(gè)單機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)地面自檢，使得地面自檢設(shè)計(jì)復(fù)雜化、功能單一，且在分系統(tǒng)聯(lián)試過程中，測(cè)試分系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)中需要多個(gè)設(shè)備相結(jié)合，讓測(cè)試更加繁瑣，測(cè)試周期拖長(zhǎng)[1]。

當(dāng)前衛(wèi)星在研制過程中普遍存在著任務(wù)量大、周期短和工作計(jì)劃緊張等特點(diǎn)[2]。因此在單機(jī)、分系統(tǒng)及分系統(tǒng)之間的測(cè)試過程中配置一套可編程的全自動(dòng)地面測(cè)試設(shè)備對(duì)于保證后續(xù)項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量、測(cè)試全面性及可靠性具有十分重大的意義。

1 系統(tǒng)總體方案

智能化供配電測(cè)試系統(tǒng)是基于自定義配置測(cè)試腳本流構(gòu)架體系下的專用軟、硬件全自動(dòng)綜合測(cè)試控制平臺(tái)系統(tǒng)[3]。測(cè)試系統(tǒng)基本原理架構(gòu)如圖1所示。各個(gè)分系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，配電控制箱用于給各個(gè)系統(tǒng)供電。各個(gè)分系統(tǒng)的接口根據(jù)測(cè)試需求來(lái)配置各種板卡和信號(hào)調(diào)理?？刂栖浖捎肅S構(gòu)架模式，在控制終端布局自動(dòng)化測(cè)試軟件客戶端，其他分系統(tǒng)上布局測(cè)試軟件的顯示端。

圖1 系統(tǒng)原理框架

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制器

控制器采用NI的PXIe-1062Q機(jī)箱和PXIe-8135處理器，安裝Windows操作系統(tǒng)，同時(shí)添加信號(hào)調(diào)理以滿足電氣接口的要求，其配置如圖2所示。PXI-6602定時(shí)器卡配合OC輸出信號(hào)調(diào)理[4]，實(shí)現(xiàn)遙控功能；PXI-6224數(shù)據(jù)采集卡，配合電壓信號(hào)調(diào)理，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)功能；RS232總線采用PXI8431串口通信卡，1553B總線通信配置了AIT公司的1553B總線板卡。

圖2 系統(tǒng)控制器原理圖

2.2 信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理有兩方面作用。一是實(shí)現(xiàn)NI板卡與被測(cè)試產(chǎn)品之間的電氣特性匹配。由于NI的I/O輸出板卡與被測(cè)試產(chǎn)品之間電氣特性有可能不一致，因此為了使外圍系統(tǒng)與NI板卡平臺(tái)通過線束連接起來(lái)，必須通過信號(hào)調(diào)制做信號(hào)匹配。一般情況下NI板卡是無(wú)法直接采集大電流的，必須將電流通過電流傳感器轉(zhuǎn)換成電壓，通過A/D板卡進(jìn)行采集。二是保護(hù)被測(cè)試產(chǎn)品和NI板卡。在實(shí)際的測(cè)試中，測(cè)試人員可能會(huì)接錯(cuò)信號(hào)線，比如將D/A輸出線直接接到地線上，造成測(cè)試設(shè)備的損壞。因此，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)板卡需要設(shè)置一定的輸入/輸出電壓電流范圍限制，通常D/A的最大輸出電流為5 mA，為了提高D/A輸出能力，必須外加調(diào)理電路提高輸出電流，假定最大輸出電流為50 mA，則當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)關(guān)閉輸出，實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路[5]。

圖3為數(shù)字信號(hào)輸出原理圖。NI數(shù)字輸出板卡輸出信號(hào)給信號(hào)調(diào)理板；信號(hào)調(diào)理板通過高速數(shù)字隔離芯片將NI板卡和被測(cè)試單機(jī)接口的地隔離，同時(shí)調(diào)理電路設(shè)計(jì)了輸出過流和過壓保護(hù)，當(dāng)輸出電流和電壓超過某一個(gè)值時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷電路，保護(hù)被測(cè)試單機(jī)不受損壞[6]。過流和過壓值可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況的需要進(jìn)行多樣設(shè)置。

圖4為模擬信號(hào)輸入板卡實(shí)現(xiàn)的原理圖。被測(cè)試單機(jī)的模擬信號(hào)與信號(hào)調(diào)理板連接；信號(hào)調(diào)理板與被測(cè)試單機(jī)之間通過一級(jí)阻抗匹配,同時(shí)通過模擬信號(hào)隔離芯片將NI板卡和被測(cè)試單機(jī)接口的地隔離，同時(shí)調(diào)理電路設(shè)計(jì)了輸出過流和過壓保護(hù)電路，當(dāng)輸出電流和電壓超過某一個(gè)值時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷電路，保護(hù)被測(cè)試單機(jī)不受損壞。過流和過壓值可以根據(jù)客戶的需要設(shè)置。

圖3 數(shù)字信號(hào)輸出原理

圖4 模擬信號(hào)輸入原理

2.3 多功能可編程智能負(fù)載匹配器

智能負(fù)載匹配器用于實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、火工品等效以及其他等效負(fù)載功能。遙控功能采用PXIe-7802R可編程控制卡，該板卡帶有可編程FPGA，可以提供128路可編程數(shù)字I/O的輸入或輸出，同時(shí)配合OC輸出信號(hào)調(diào)理實(shí)現(xiàn)脈沖指令和鎖存指令。遙測(cè)功能采用PXI-6345數(shù)據(jù)采集卡，該板卡帶有80路單端/40路差分輸入，通過0～50 V電壓隔離信號(hào)調(diào)理可滿足模擬量電壓采集，通過電阻采集信號(hào)調(diào)理可以實(shí)現(xiàn)電阻信號(hào)采集[7]?；鸸て返刃Чδ懿捎每删幊坛炭仉娮?，可編程程控電阻可以滿足64 kΩ，補(bǔ)償2 Ω的調(diào)節(jié)精度，同時(shí)火工品等效功能輸入電壓通過0～50 V信號(hào)調(diào)理直接通過PXI-6345采集，即可得到輸入信號(hào)的幅度和脈沖持續(xù)時(shí)間。其他等效負(fù)載可采用自研程控動(dòng)態(tài)負(fù)載等效器，負(fù)載等效輸入信號(hào)為0～10 V模擬量，模擬量可以輸入任意波形，負(fù)載等效器的負(fù)載電流隨著模擬量的輸入做線性變化，最快的跟隨達(dá)到10 kΩ。

2.4 測(cè)試系統(tǒng)供電和接地設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的測(cè)試供電主要給各個(gè)設(shè)備供電，因此需要進(jìn)行各種保護(hù)，圖5為配電箱的連接示意圖?？梢钥吹?，當(dāng)電流電壓過載時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳閘，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)機(jī)柜直接與220 V的地接在一起，保證了系統(tǒng)的安全。圖6為系統(tǒng)電信號(hào)流向圖，系統(tǒng)通過220 V供電，輸出24 V電源給隔離DC/DC，DC/DC給信號(hào)調(diào)理供電。通過信號(hào)調(diào)理，測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)試系統(tǒng)的地分成了GND1和GND2兩個(gè)地，這兩個(gè)地之間完全隔離，即測(cè)試單機(jī)的地GND2是完全浮起，保障了整個(gè)系統(tǒng)的電氣安全。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件采用CS構(gòu)架模式，即在系統(tǒng)控制器端布置了Server，用于控制系統(tǒng)控制器的底層硬件的接口和與測(cè)試端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而控制終端方面布置Client，用于測(cè)試的執(zhí)行。圖7為Client端軟件方案的框架原理圖。該應(yīng)用軟件分為4層：① 人機(jī)交互層為用戶提供了友好的人機(jī)交互界面，如各種控件元素、表格和按鈕等，為測(cè)試提供友好的環(huán)境；圖形界面層采用Eclipse平臺(tái)開發(fā)，采用JFace和SWT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)界面的靈活配置。② 業(yè)務(wù)邏輯層為軟件的核心層，各功能軟件的業(yè)務(wù)處理各不相同，如顯示監(jiān)控、自動(dòng)化測(cè)試、數(shù)據(jù)判讀和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。③ 基礎(chǔ)服務(wù)層提供了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)；通信服務(wù)為軟件的外部網(wǎng)絡(luò)接口的管理，通過TCP/IP和JMS實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的交互，包括連接的管理、數(shù)據(jù)的分發(fā)/訂閱、轉(zhuǎn)發(fā)等功能；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)提供了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問接口，包括存儲(chǔ)、查詢功能。④ 數(shù)據(jù)通信層包含了串口通信、以太網(wǎng)通信等多種通信方式。

圖5 配電箱連接示意圖

圖6 系統(tǒng)電信號(hào)流向圖

圖7 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.1 軟件功能組成

3.1.1 加載和保存測(cè)試工程信息

在測(cè)試之初，測(cè)試輸入軟件需要加載測(cè)試工程信息，加載過程可以通過兩種方式：① 加載本地已有工程和同步配置庫(kù)中的新工程；② 在打開測(cè)試輸入軟件后，能在資源欄中選擇“導(dǎo)入”的方式加載本地已有的工程。

3.1.2 測(cè)試指令編輯與管理

測(cè)試工程中的所有指令都保存在測(cè)試指令庫(kù)文件夾中，可在測(cè)試指令庫(kù)文件夾中創(chuàng)建多個(gè)子文件夾與測(cè)試指令集文件，每個(gè)測(cè)試指令集文件可以包含多條測(cè)試指令。能夠?qū)M(jìn)行對(duì)指令、指令集文件以及指令子文件夾進(jìn)行如下操作：測(cè)試指令編輯完成后，可直接發(fā)送該條指令，對(duì)星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行指令輸入。

3.1.3 測(cè)試序列編輯與管理

測(cè)試工程中的所有測(cè)試序列都保存在測(cè)試序列文件夾中，可在測(cè)試序列文件夾中創(chuàng)建多個(gè)子文件夾與測(cè)試序列文件，每個(gè)測(cè)試由一系列測(cè)試指令和邏輯流程組成，邏輯流程元素包含兩種：for循環(huán)與wait等待，在循環(huán)過程中也能實(shí)現(xiàn)循環(huán)嵌套的功能，支持多級(jí)的嵌套。在編輯測(cè)試序列過程中，通過拖入流程元素和測(cè)試指令，構(gòu)建一個(gè)測(cè)試序列，并保存為一個(gè)測(cè)試序列文件。

3.1.4 測(cè)試序列執(zhí)行與調(diào)試

測(cè)試過程中，測(cè)試是通過指令來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入激勵(lì)的。測(cè)試序列的執(zhí)行分為兩種模式：運(yùn)行和調(diào)試。在運(yùn)行模式下，測(cè)試序列被順序執(zhí)行，斷點(diǎn)無(wú)效。在調(diào)試模式下，測(cè)試序列按照斷點(diǎn)執(zhí)行，也可以按照調(diào)試需求單步執(zhí)行，執(zhí)行數(shù)據(jù)可通過相應(yīng)的窗口進(jìn)行查看。

當(dāng)選擇某一測(cè)試序列后，執(zhí)行該測(cè)試序列，監(jiān)控界面能夠動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前測(cè)試到哪一步。在測(cè)試過程中，能實(shí)時(shí)監(jiān)控某些變量，并將測(cè)試結(jié)果高亮顯示。測(cè)試中可進(jìn)行暫停，測(cè)試序列會(huì)停止在當(dāng)前步驟，也可完全中止測(cè)試序列，恢復(fù)到初始狀態(tài)。在測(cè)試序列的執(zhí)行過程中，測(cè)試序列左側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)箭頭符號(hào)，標(biāo)識(shí)當(dāng)前執(zhí)行的測(cè)試指令。

在測(cè)試過程中，測(cè)試序列中可以添加斷點(diǎn)功能，程序運(yùn)行到斷點(diǎn)位置自動(dòng)停止，可根據(jù)需要選擇單步執(zhí)行或繼續(xù)執(zhí)行。測(cè)試序列執(zhí)行結(jié)束后，在視圖中會(huì)標(biāo)示出其已終結(jié)的狀態(tài)，并在下個(gè)測(cè)試序列開始執(zhí)行時(shí)，移除視圖中顯示的所有已結(jié)束的測(cè)試序列。

3.1.5 測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成

執(zhí)行測(cè)試序列之前，可通過首選項(xiàng)設(shè)置配置是否生成測(cè)試報(bào)告、測(cè)試報(bào)告的格式及測(cè)試報(bào)告的存放路徑等信息。若設(shè)置生成測(cè)試報(bào)告，則測(cè)試序列執(zhí)行完成后，會(huì)在指定路徑生成指定格式的測(cè)試報(bào)告。測(cè)試報(bào)告目前支持的格式為Word。也可修改配置文件，改變測(cè)試報(bào)告生成的內(nèi)容，通過這種方式，能夠生成特定的項(xiàng)目報(bào)告，如專門針對(duì)遙測(cè)遙控測(cè)試任務(wù)生成遙測(cè)遙控測(cè)試報(bào)告等。

3.2 數(shù)據(jù)顯示終端

在測(cè)試過程中，數(shù)據(jù)監(jiān)視軟件從總控網(wǎng)絡(luò)中訂閱相關(guān)的指令和數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的顯示，或在測(cè)試完成之后，從數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，分析測(cè)試過程。在數(shù)據(jù)監(jiān)視軟件中，提供了豐富的控件可供使用。數(shù)據(jù)監(jiān)視軟件界面如圖8所示。在數(shù)據(jù)監(jiān)視軟件中，左側(cè)為工程導(dǎo)航欄，顯示測(cè)試工程內(nèi)容。右側(cè)為監(jiān)視顯示區(qū)域，可通過拖拽左側(cè)導(dǎo)航欄中的衛(wèi)星格式數(shù)據(jù)到編輯區(qū)域中，以圖形化界面顯示，全部數(shù)據(jù)域顯示為文本框，也可修改控件屬性，編輯圖形類型及是否顯示等。數(shù)據(jù)監(jiān)視軟件提供LED燈、波形控件、普通文本和枚舉控件等4種控件。數(shù)據(jù)顯示軟件并不影響故障模擬測(cè)試過程，可隨時(shí)增加顯示計(jì)算機(jī)，從測(cè)試總控網(wǎng)絡(luò)中訂閱相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

圖8 數(shù)據(jù)監(jiān)視軟件界面

測(cè)試過程中，點(diǎn)擊軟件界面上的開始按鈕，數(shù)據(jù)顯示軟件運(yùn)行。軟件會(huì)根據(jù)界面上控件相關(guān)的ICD數(shù)據(jù)信息，從以太網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)，然后根據(jù)ICD格式信息進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，在界面上動(dòng)態(tài)顯示。在測(cè)試過程中，點(diǎn)擊停止按鈕，顯示軟件停止工作，可對(duì)顯示界面進(jìn)行編輯。

在測(cè)試完成后，可從數(shù)據(jù)庫(kù)中重新獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)試過程重現(xiàn)或測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果的重現(xiàn)和分析包括數(shù)據(jù)回放和檢索數(shù)據(jù)庫(kù)。在測(cè)試完成之后，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，重現(xiàn)測(cè)試過程。再點(diǎn)擊數(shù)據(jù)回放按鈕，輸入回放的起始時(shí)間，點(diǎn)擊開始后，數(shù)據(jù)顯示軟件從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，解析后在控件上進(jìn)行顯示。在回放過程中，可以點(diǎn)擊停止，并進(jìn)行單步回放，滿足特定的顯示要求。在測(cè)試完成之后，數(shù)據(jù)顯示軟件可以遠(yuǎn)程檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索條件包括參數(shù)名稱、參數(shù)代碼、所屬系統(tǒng)、時(shí)間范圍等。在檢索完成后，對(duì)于遙測(cè)類數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，無(wú)法在檢索界面中完整顯示，可以點(diǎn)擊數(shù)據(jù)值，檢索界面會(huì)彈出新的對(duì)話框顯示完整的數(shù)據(jù)原包。同時(shí)可以對(duì)檢索后的結(jié)果繪制曲線，曲線的橫軸為檢索結(jié)果的序號(hào)，縱軸為檢索結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)間。通過繪制曲線，能確認(rèn)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中是否有丟包的情況存在。也可以將檢索得到的結(jié)果導(dǎo)出成Excel文件，進(jìn)行外部軟件處理。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

衛(wèi)星測(cè)試系統(tǒng)能夠完成供配電系統(tǒng)級(jí)測(cè)試和電源控制器、均衡器、配電器單機(jī)的全自動(dòng)測(cè)試過程，系統(tǒng)功率大于2400 W(可擴(kuò)容)，功能涵蓋配電、火工品、加熱器和閥門控制等多項(xiàng)內(nèi)容。

為保持產(chǎn)品的安全及測(cè)試設(shè)備安全，智能化供配電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了軟、硬件結(jié)合的過壓、過流和過溫等多種防護(hù)與監(jiān)測(cè)措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能化供配電測(cè)試系統(tǒng)是一種可一鍵啟動(dòng)的智能全自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。通過外圍電纜將需要測(cè)試的供配電產(chǎn)品與測(cè)試系統(tǒng)外圍進(jìn)行連接，同時(shí)定義好測(cè)試流程和相應(yīng)的判定依據(jù)。系統(tǒng)一鍵啟動(dòng)后，能夠自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)測(cè)試全過程的智能化。實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)不僅功能完善、操作簡(jiǎn)便、控制靈活，而且系統(tǒng)的模塊化、通用化和系列化程度高，能夠滿足星座模式下多星綜合測(cè)試中的地面供配電測(cè)試需求。