專利名稱：一種在線監控衛星設備供電的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可在線監控衛星設備供電的裝置。
背景技術：
在常規的衛星測控系統中，常常需要采集各種模擬量信號、數字量信號，并對它們進行相應的處理。如配電器設備中就有許多需要采集的各種模擬量信號(如各個被加電設備的各路電源的供電電壓幅度及相應的該路電源的電流使用情況等)、數字量信號(如電源的開關狀態監視)，同時還需要對配電器設備中的繼電器進行相應的打開、閉合等處理，從而完成對載荷的加電、斷電功能。
在現有的衛星系統設計當中，一般通過常規的地面遙測、遙控通道來實現配電測控。例如由地面發出對某設備的操作指令，天上運行的設備執行指令后再通過天上衛星與地面大的遙測信道，將該設備有關執行情況的遙測數據返回到地面，由人工在地面來判斷其數據的內容的正確與否。如果地面發現該條指令執行不正常，則需要地面重新開始新的一輪過程地面發出指令->指令上行->設備執行->遙測下行->地面人工判讀。在這個過程中，對于進入很短暫的測控區來說，浪費了許多寶貴的時間，同時也增加了地面人工判讀的難度即要在很短的時間內判斷數據的準確性，同時針對異常的問題數據，還需要快速決斷，及時調整指令。這種完全由地面操作實現的遙測、遙控最大的弊端，就是當在太空運行過程中，對于某些設備受到空間環境的干擾，例如發生單粒子鎖定，出現了電流驟增等異常現象時，如果當時衛星并不處于地面的測控區，地面人員無法獲得當時的情況，或者衛星處在測控區，而地面人員沒有及時發現異常，那么長時間的大電流工作會對該設備部分或全部，乃至整個系統造成無法恢復的損失。
現有用于衛星的配電測控系統的不足主要在于1)配電設備沒有連接在系統總線上，因而系統無在線監控功能，在軌運行時不能自主測控；2)電路復雜，系統結構龐大，可能影響系統可靠性；
3)功耗和體積較大；4)需要軟件協同工作。
因此，需要一種能在太空運行過程中自動監視設備工作狀態，并針對異常及時進行處理的環境，尤其是對于負責對星上各設備加、斷電的配電器這類重要的電源設備。
實用新型內容本實用新型的目的是克服上述現有技術中存在的缺陷，從而提供一種適用于衛星在線監控衛星設備供電的裝置。
為了達到上述目的，本實用新型采取如下技術方案一種在線監控衛星設備供電的裝置，如圖1所示，包括系統調度與控制電路1，用于系統進行測控的調度與控制；1553B總線接口電路2，與所述系統調度與控制電路1連接，用于系統與1553B總線通信；模擬量遙測電路3，與所述系統調度與控制電路1連接，用于系統模擬量的采集，包括監測系統的各部分電源供電狀態、電流使用情況等系統監視內容；數字量遙測電路4，與所述系統調度與控制電路1連接，用于監測數字量的系統狀態如開關量等；開關指令輸出電路5，與所述系統調度與控制電路1連接，輸出滿足衛星接口要求的波形去控制相應電源的繼電器開關，實現對設備的加、斷電控制。
所述系統調度與控制電路1由MIL-STD-1553B總線數據接收與發送單元、開關指令發送及控制單元、開關指令輸出狀態監測單元、模擬量采集與控制單元、數字量采集與控制單元組成。
所述模擬量遙測電路3包括多路模擬切換器31、模擬量輸入接口電路32、信號調整電路33、接口保護電路35、模擬量AD轉換電路34順序連接，其中AD轉換電路34與所述系統調度與控制電路1進行雙向數據通信，所述系統調度與控制電路1控制多路模擬切換器31進行通道切換，選擇所需采集的模擬量；所述多路模擬切換器31接收來自配電器內部電路6的有關監視所有供電線路的模擬量遙測的數據，由此實現針對電源供電電壓幅度、電流使用大小等情況設計的多路(例如64路或64路以上)模擬量的采集。
所述數字遙測電路4，包括數字量輸入接口電路41與接口保護電路42連接，其中接口保護電路連接至所述系統調度與控制電路1，所述數字量輸入接口電路41接收來自配電器內部電路6的顯示各加電設備電源供電狀態的數據。
所述開關指令輸出電路5主要包括OC門輸出電路51，所述系統調度與控制電路1通過OC門輸出電路51將滿足衛星接口要求的波形輸出到配電器內部電路，從而控制配電器內部電路6輸出信號來控制各設備電源的開啟或關閉。
在上述技術方案中，所述模擬量遙測電路3還包括一接口保護電路35串聯在所述AD轉換電路34和信號調整電路33之間。
在上述技術方案中，所述系統調度與控制電路1主要由FPGA芯片組成，通過編寫內部執行程序或設計FPGA內部邏輯來實現測控的調度與控制。
本實用新型通過1553B數據總線接口與大系統相聯實現系統的測控。由于系統總線是分時的，所以本實用新型與總線通訊相關的遙測、遙控是分時進行的，但本實用新型的遙測數據采集與開關指令的輸出功能獨立，可以并行工作。
如圖2所示，遙控部分的工作過程可描述為帶有開關指令信息及相應勤務信息的數據通過1553B總線接口電路2獲得，由系統調度與控制電路1中MIL-STD-1553B總線數據接收與發送部分進行處理，按照總線協議內容，通過識別有效的RT地址和有效的指令相關地址，進行譯碼控制，讀取帶有開關指令信息的數據內容，并將其存儲于內存中，通過FPGA中設計的識別電路，判斷接收到的數據的有效性，對于驗證數據內容符合規定的指令格式，認為該數據有效，并將其存儲到有效命令單元中。通過對指令集各個有效命令的具體編碼進行譯碼后，選擇不同編碼指令所對應的通道，并對該通道執行開關指令。輸出符合規定的脈沖波形到其對應的OC門電路后，最終加載到配電器中的繼電器上，控制其打開或閉合，從而實現對該路供電電源的開、關控制。
如圖3所示，遙測部分的工作過程可描述為被監視的遙測量(如數字量或模擬量)通過相應的遙測數據采集控制電路，將被測數據按照一定的順序和頻率進行采集，組織成符合規定格式的數據塊，存儲在內存當中。按照總線協議內容，通過識別來自MIL-STD-1553B總線的有效的RT地址和有效的遙測發送的相關地址，進行譯碼后，將存儲好的數據內容以消息的形式控制輸出到1553B總線7上。
針對模擬信號的遙測，還需要經過整形及轉換電路，參見圖1模擬量部分，其具體過程為來自各路電源的各種模擬量電信號(含電源的輸出電壓監測及使用電流檢測)，連接到多路模擬切換器31上，由系統調度與控制電路1內設計的模擬開關控制信號依照一定的頻率和順序切換不同通道，選擇需要采集的模擬量。該路模擬量通過模擬量接口電路32后經信號調整電路33進行整形及接口保護電路35后，送到A/D采集轉換電路34，在系統調度與控制電路1中模擬量采集與控制部分的A/D采集控制邏輯的作用下，啟動并完成模擬量信號的轉換，將其生成的數據輸入并存儲在內存中。可重復上述操作，至所需采集的內容全部采集完畢為止。
本實用新型的優點在于1)小型化配電測控；本實用新型完全滿足衛星系統的各種接口要求，通過功能強大的FPGA的設計使常規復雜的數字邏輯測控存儲電路集中在一片芯片內，并且它使常規的配電裝置直接掛接在星上系統的1553B數據總線上，將配電器與整個系統有機的結合起來，成為總線上的一部分，并隨時保持雙向通訊，完全實現了星上系統的自主在線監控，通過總線可以對整個系統的任何設備的加電、斷電功能在星上完全自主實現。
2)由于系統完全是由硬件實現的，具有較高的可靠性和穩定性，而且集成度高，體積小、功耗低，滿足航空、航天所要求的體積、重量、功耗、可靠性、抗輻射等方面的要求。
3)本實用新型所提出的這種基于FPGA技術的數據采集與處理的設計思想及實現方法，方便、簡單、高效，有利于提高硬件電路的集成性、可靠性及保密性，具有很強的實用性。利用FPGA的容量大、集成度高、I/O端口多，且可以自由設計、定義其功能的特點，配以VHDL編寫的FPGA內部執行軟件，能很好地解決系統采集的遙測信號路數多、存儲量大的問題。FPGA硬件的速度是ns級的，且其內部對各類數字量可設計并行處理，有較高的效率，因此本系統比其它系統更能實時地、快速地監測信號量的變化。所以狀態量特別多的監測系統中，本系統將更能發揮出自身的優勢。且鑒于FPGA和VHDL語言自身的特點，系統具有較好的擴展性，對于監測和控制系統中，具有一定的通用性。
4)本實用新型不僅可廣泛應用于使用1553B總線的系統中，而且還可廣泛應用于地面各種復雜的具有較強實時性要求的測控系統中。
圖1表示本實用新型的小型配電測控系統的電路框圖；圖2表示本實用新型一實施例的FPGA芯片中對開關指令接收與輸出的工作過程示意圖；圖3表示本實用新型一實施例的FPGA芯片中對數據遙測(模擬量或數字量)的過程示意圖；
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述參照圖1所示制作在線監控衛星設備供電的裝置，由系統調度與控制電路1，1553B總線接口電路2，模擬量遙測電路3，數字量遙測電路4，開關指令輸出電路5組成，其中系統調度與控制電路1包括MIL-STD-1553B總線數據接收與發送單元、開關指令發送及控制單元、開關指令輸出狀態監測單元、模擬量采集與控制單元、數字量采集與控制單元；系統調度與控制電路1由FPGA芯片組成，通過設計FPGA內部邏輯或用VHDL語言編寫內部執行模塊來實現測控的調度與控制，從而實現上述各單元的功能。本實施例采用VHDL語言編寫FPGA內部執行模塊。
模擬量遙測電路3包括多路模擬切換器31、模擬量輸入接口電路32、信號調整電路33、模擬量AD轉換電路34順序連接，還包括一接口保護電路串聯在所述AD轉換電路和信號調整電路之間；其中AD轉換電路與所述系統調度與控制電路1進行雙向數據通信，所述系統調度與控制電路1控制多路模擬切換器31進行通道切換，選擇所需采集的模擬量；所述多路模擬切換器31接收來自配電器內部電路的數據，由此實現針對電源供電電壓幅度、電流使用大小等情況設計的多路(例如64路)模擬量的采集。上述多路模擬切換器31、模擬量輸入接口電路32、信號調整電路33、模擬量AD轉換電路34均采用常規電路。
數字量遙測電路4，用于監測數字量的系統狀態如開關量等，包括數字量輸入接口電路41與接口保護電路連接，其中接口保護電路連接至所述系統調度與控制電路1，所述數字量輸入接口電路41接收來自配電器內部電路的數據。上述數字量遙測電路4中電路均采用常規電路。
開關指令輸出電路5主要包括OC門輸出電路，所述系統調度與控制電路1的數字量輸出電路通過OC門輸出電路將滿足衛星接口要求的波形輸出到配電器內部電路，從而控制配電器內部電路6輸出信號來控制各設備電源的開啟或關閉。
系統調度與控制電路1采用FPGA芯片，具有體積小、容量大、速度快，可靠性高的特點，它非常適合應用于計算機總線控制、地址譯碼、定時/計數器、存儲控制器等I/O密集型應用，通過FPGA內部電路設計可以將用戶所需要的所有總線通訊協議內容實現，完成數據采集、存貯、譯碼、接收與發送處理等功能，從而實現系統遙測、遙控、自控等。
1553B總線接口電路2采用DDC公司的BUS-65153，具有航天級的軍品；
FPGA芯片采用ACTEL公司的A1280A，具有航天級產品，且有較好的抗輻照能力。鑒于本實用新型應用于航空、航天領域，加之配電器又直接對設備進行加、斷電控制，其可靠性設計更為重要。因此，將配電器對所有設備的加、斷電指令進行了冗余編碼設計，并選取校驗碼，同時加強了指令接收后，對待執行的指令的數據身份驗證，對于校驗合格者，針對該條指令設計采用發三遍命令進行執行。本實施例的系統調度與控制電路1FPGA芯片內部還設計了實時監視窗口針對每次開關指令操作，對指令執行過程輸出相應監視波形，供系統監測指令執行計數及執行性能。
通過數字量和模擬量遙測電路設計，系統可以隨時對配電器自身的工作狀態、各項性能及全方位監視系統內各個設備的主份或備份電源的加電電壓、使用電流情況進行實時全局的在線監測，對有效載荷加電狀態進行分析與判斷，當監測到異常情況時，通過服務請求機制，發出緊急消息，通知系統進行相關處理。
對本實施例中，FPGA芯片內部設計有如下方面(1)集數據采集、組織、發送；指令接收、識別、分發、執行等功能為一體，直接與系統進行數據交互；(2)設計判別總線通訊協議，選擇相應譯碼電路，讀取有效數據；(3)設計實現符合航天規范要求的遙控開關指令通道，輸出脈寬160ms的開關指令控制繼電器工作；(4)設計指令編碼識別電路，使符合要求的有效數據才執行對設備的加電、斷電，滿足航天系統的可靠性要求；(5)設計可選擇最小工作單元和功能，包括對配電器自身的主/備電源切換控制；對系統進行電流檢測的功能選擇；重要的是控制整個系統的各設備加電、斷電或主/備機的切換；(6)設計輸出開關指令的監測電路，通過第三方監視指令執行情況、信號輸出狀態；(7)通過數字量遙測通道，監視配電器繼電器閉合狀態，并傳送給系統；(8)通過模擬量遙測通道，監視整個系統電源供電和各路電流的使用情況狀態，遙測系統中各設備加電、斷電或主/備機的切換情況，模擬量及數字量采集的有效數據預先存儲在FPGA開辟的內存當中，等所有內容依照一定的順序和頻率采集完畢后，統一將數據形成一整條消息直接發送給系統；(9)設計總線通訊自檢功能，如實現系統長抱環測試等。
本實施例通過1553B數據總線接口與大系統相聯實現系統的測控。由于系統是分時的，所以本實施例的與總線通訊相關的遙測、遙控功能也是分時進行的，但本實施例的遙測數據采集與開關指令的輸出功能是獨立的，可以并行工作。具體工作過程如下如圖3所示，遙測電路的處理過程為被監視的遙測量(如數字量或模擬量)通過相應的遙測數據采集控制電路將被測數據按照一定的順序和頻率進行采集，組織成符合規定格式的數據塊，存儲在內存當中。按照總線協議內容，通過識別來自MIL-STD-1553B總線的有效的RT地址和有效的遙測發送的相關地址，進行譯碼后，將存儲好的數據內容以消息的形式控制輸出到1553B總線7上。
針對模擬信號的遙測，還需要經過整形及轉換電路，參見圖1模擬量部分，其具體過程為從各路電源送出的各種模擬量電信號(含電源的輸出電壓監測及使用電流檢測)，連接到模擬多路開關上，由FPGA內設計的模擬開關控制信號依照一定的頻率和順序切換不同通道，選擇需要采集的模擬量。該路模擬量通過模擬量接口電路后經運放電路進行整形及接口保護電路后，送到A/D采集轉換芯片，在系統調度與控制電路1(FPGA)中模擬量采集與控制部分的A/D采集控制邏輯的作用下，啟動并完成模擬量信號的轉換，將其生成的數據輸入并存儲在內存中?？芍貜蜕鲜霾僮?，至所需采集的內容全部采集完畢為止。
如圖2所示，遙控部分的工作過程可描述為帶有開關指令信息及相應勤務信息的數據通過1553b總線接口獲得，由系統調度與控制電路1中MIL-STD-1553B總線數據接收與發送部分進行處理，按照總線協議內容，通過識別有效的RT地址和有效的指令相關地址，進行譯碼控制，讀取帶有開關指令信息的數據內容，并將其存儲于內存中，通過FPGA中設計的識別電路，判斷接收到的數據的有效性，對于驗證數據內容符合規定的指令格式，認為該數據有效，并將其存儲到有效命令單元中。通過對指令集各個有效命令的具體編碼進行譯碼后，選擇不同編碼指令所對應的通道，并對該通道執行開關指令。輸出符合規定的脈沖波到其對應的OC門電路后，最終加載到配電器中的繼電器上，控制其打開或閉合，從而實現對該路供電電源的開、關。
本實施例基于FPGA技術的數據采集與處理方法，有利于提高硬件電路的集成性、可靠性及保密性，具有很強的實用性。利用FPGA的I/O端口多，且可以自由編程支配、定義其功能的特點，配以VHDL編寫的FPGA內部執行軟件，能很好地解決采集的遙測信號路數多的問題。因為FPGA硬件的速度是ns級的，且其內部對各類數字量可按并行處理，有較高的效率，因此本系統比其它系統更能實時地、快速地監測信號量的變化。所以在狀態量特別多的監測系統中，本系統將更能發揮出自身的優勢。且鑒于FPGA和VHDL語言自身的特點，系統具有較好的擴展性，對于監測和控制系統中，具有一定的通用性。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1.一種在線監控衛星設備供電的裝置，包括系統調度與控制電路(1)，其特征在于，由以下部分組成1553B總線接口電路(2)，與所述系統調度與控制電路(1)連接；模擬量遙測電路(3)，與所述系統調度與控制電路(1)連接；數字量遙測電路(4)，與所述系統調度與控制電路(1)的連接；開關指令輸出電路(5)，與所述系統調度與控制電路(1)連接。
2.根據權利要求1所述的在線監控衛星設備供電的裝置，其特征是，所述系統調度與控制電路(1)由MIL-STD-1553B總線數據接收與發送單元、開關指令發送及控制單元、開關指令輸出狀態監測單元、模擬量采集與控制單元、數字量采集與控制單元組成。
3.根據權利要求1所述的在線監控衛星設備供電的裝置，其特征是，所述模擬量遙測電路(3)包括多路模擬切換器(31)、模擬量輸入接口電路(32)、信號調整電路(33)、接口保護電路(35)、AD轉換電路(34)順序連接，其中，AD轉換電路(34)與所述系統調度與控制電路(1)進行雙向數據通信，所述系統調度與控制電路(1)控制多路模擬切換器(31)進行通道切換；多路模擬切換器(31)接收來自配電器內部電路(6)的模擬量遙測的數據。
4.根據權利要求1所述的在線監控衛星設備供電的裝置，其特征是，所述數字遙測電路(4)，包括數字量輸入接口電路(41)與接口保護電路(42)連接，其中接口保護電路(42)連接至所述系統調度與控制電路(1)，所述數字量輸入接口電路(41)接收來自配電器內部電路(6)的顯示各加電設備電源供電狀態的數據。
5.根據權利要求1所述的在線監控衛星設備供電的裝置，其特征是，所述開關指令輸出電路(5)主要包括OC門輸出電路(51)，所述系統調度與控制電路(1)通過OC門輸出電路(51)將滿足衛星接口要求的波形輸出到配電器內部電路。
6.根據權利要求1所述的在線監控衛星設備供電的裝置，其特征是，所述系統調度與控制電路(1)主要由FPGA芯片組成，通過VHDL語言編寫芯片內部執行程序或設計FPGA內部電路來實現測控的調度與控制。
7.根據權利要求1所述的在線監控衛星設備供電的裝置，其特征是，所述系統調度與控制電路(1)的FPGA芯片內部包括一用于針對每次開關指令操作對指令執行過程輸出監視波形的實時監視窗口。
專利摘要本實用新型公開了一種可在線監控衛星設備供電的裝置，包括系統調度與控制電路、1553B總線接口電路、模擬量遙測電路、數字量遙測電路、開關指令輸出電路。本實用新型完全實現了星上系統的自主在線監控，具有較高的可靠性和穩定性，而且體積小、功耗低，提出的這種基于FPGA技術的數據采集與處理的設計思想及實現方法，方便、簡單、高效，具有很強的實用性。
文檔編號G01R19/00GK2838130SQ200520121890
公開日2006年11月15日 申請日期2005年9月30日 優先權日2005年7月15日
發明者黃繼紅, 陳小敏, 余光華, 薛長斌, 周昌義, 周晴, 汪大星 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
