低成本衛(wèi)星智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計

崔 陽,趙笙罡,周文妹,梁 廣,王文川

(中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201210)

0 引言

傳統(tǒng)衛(wèi)星一般按照系統(tǒng)功能對整星進(jìn)行劃分。整星由各個不同的分系統(tǒng)構(gòu)成。各個分系統(tǒng)相對較為獨(dú)立，如姿軌控分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)、星務(wù)分系統(tǒng)(星務(wù)計算機(jī))等。其中，星務(wù)計算機(jī)負(fù)責(zé)對各個分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令管理，如采集各個分系統(tǒng)的遙測信號，并向其發(fā)送各種遙控、程控指令等。分系統(tǒng)方案的特點(diǎn)是系統(tǒng)接口設(shè)計復(fù)雜，系統(tǒng)通用性和移植重用性較弱。星務(wù)計算機(jī)系統(tǒng)尤為如此，需要適應(yīng)衛(wèi)星各個分系統(tǒng)、單機(jī)的接口和指令需求。星務(wù)計算機(jī)接口種類繁多，不同衛(wèi)星、不同任務(wù)間移植性差，相應(yīng)衛(wèi)星研制周期長、研制成本高，不能適應(yīng)目前低成本衛(wèi)星的研制模式和應(yīng)用需求。

智能節(jié)點(diǎn)由標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成，可根據(jù)衛(wèi)星實(shí)際需求靈活配置。通過在衛(wèi)星上靈活配置、布置智能節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)星上種類繁多的接口轉(zhuǎn)換，從而有效簡化星上電接口種類和電纜網(wǎng)的設(shè)計。通過標(biāo)準(zhǔn)化智能節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，可以有效縮短衛(wèi)星研制周期、降低衛(wèi)星研制和生產(chǎn)成本。

1 智能節(jié)點(diǎn)架構(gòu)設(shè)計

一般而言，星務(wù)計算機(jī)作為衛(wèi)星控制、信息處理的核心，星上其他系統(tǒng)均需要與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信[1]。星務(wù)計算機(jī)電接口種類復(fù)雜，電纜種類和接口復(fù)雜，衛(wèi)星測試、調(diào)試工作量巨大，從而使得衛(wèi)星設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、可移植性、繼承性較差，設(shè)計和研制成本增加。

智能節(jié)點(diǎn)由各種標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成，并可提供標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用服務(wù)。通過智能節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，可將星務(wù)計算機(jī)外圍接口歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化。通過合理的智能節(jié)點(diǎn)應(yīng)用和配置，可以有效簡化整星接口、電纜網(wǎng)設(shè)計，提高衛(wèi)星功能密度和整體性能。

基于智能節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星系統(tǒng)框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 基于智能節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星系統(tǒng)框架設(shè)計圖Fig.1 Design of satellite system framework based on intelligent node

圖1中，各個分系統(tǒng)、單機(jī)均通過智能節(jié)點(diǎn)與星務(wù)計算機(jī)連接和通信(區(qū)域性管理)[2]，可以極大地簡化星務(wù)計算機(jī)接口復(fù)雜度，從而有效提升星務(wù)計算機(jī)的可靠性(有利于固化星務(wù)計算機(jī)的狀態(tài)，提高可移植性和繼承性)。智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)衛(wèi)星實(shí)際需求靈活配置。

另外，通過系統(tǒng)設(shè)計體系架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計方案，在衛(wèi)星研制、測試、試驗(yàn)及應(yīng)用過程中如遇異常、故障等現(xiàn)象可快速定位[3]。智能節(jié)點(diǎn)模塊化如圖2所示。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)模塊化示意圖Fig.2 Modularization diagram of intelligent node

智能節(jié)點(diǎn)主要由控制模塊、標(biāo)準(zhǔn)模塊和電源模塊組成。其中，控制模塊為智能節(jié)點(diǎn)的核心，通過控制模塊對各個標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行配置和協(xié)調(diào)。電源模塊用于將智能節(jié)點(diǎn)輸入電源轉(zhuǎn)換為所需的各種二次電源。各個標(biāo)準(zhǔn)模塊可根據(jù)實(shí)際需求靈活擴(kuò)展。

2 智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

2.1 硬件需求

根據(jù)衛(wèi)星一般應(yīng)用需求，智能節(jié)點(diǎn)需要提供各種遙測信號采集、模擬量控制、測溫/控溫等功能。因此，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊類型主要有星上模擬電壓采集模塊、星上模擬電流采集模塊、星上模擬量輸出模塊、星上測溫模塊/控溫模塊和星上接口轉(zhuǎn)換模塊等[4]。各種標(biāo)準(zhǔn)模塊主要功能及典型技術(shù)指標(biāo)要求如下。

①星上模擬電壓采集模塊。該模塊主要對星上各系統(tǒng)的模擬量電壓遙測進(jìn)行采集、存儲，并通過通信總線傳輸至星務(wù)計算機(jī)處理。一般而言，智能節(jié)點(diǎn)中模擬量電壓采集范圍為(-5～+5)V，通道數(shù)量不少于10路，采集精度不小于12 bits。

②星上模擬電流采集模塊。該模塊主要對星上各系統(tǒng)的模擬量電流遙測進(jìn)行采集、存儲，并將其通過通信總線傳輸至星務(wù)計算機(jī)處理。一般而言，智能節(jié)點(diǎn)中模擬量電流采集范圍為(-20～+20)mA，數(shù)量不少于10路，采集精度不小于12 bits。

③星上模擬量輸出模塊。該模塊主要用于滿足星上有模擬量驅(qū)動、控制需求的各類產(chǎn)品(如模擬型太陽敏感器等)。一般而言，智能節(jié)點(diǎn)中模擬量輸出電壓范圍為(-5～+5)V，數(shù)量不少于5路，轉(zhuǎn)換精度不小于12 bits，電流驅(qū)動范圍為(-10～+10)mA。

④星上測溫/控溫模塊。該模塊主要用于滿足星上各個系統(tǒng)的溫度檢測和溫度控制需求(測溫也可單獨(dú)應(yīng)用)。一般而言，智能節(jié)點(diǎn)中測溫、控溫為16通道，測溫范圍可通過電路參數(shù)靈活配置；一般情況下加熱電源為星上一次電源28 V，加熱電流1 A。

⑤星上接口轉(zhuǎn)換模塊。該模塊主要用于滿足星上各種電接口之間的轉(zhuǎn)換需求，如姿軌控部組件常用接口為異步RS-422接口。如果部組件直接與星務(wù)計算機(jī)連接，則需對星務(wù)計算機(jī)外圍接口進(jìn)行擴(kuò)展。這會導(dǎo)致星務(wù)計算機(jī)接口復(fù)雜，不利于系統(tǒng)移植應(yīng)用。接口轉(zhuǎn)換模塊可提供部組件所需的異步RS-422接口，并將部組件指令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)通信總線數(shù)據(jù)(如標(biāo)準(zhǔn)CAN總線)與星務(wù)計算機(jī)通信。一般而言，智能節(jié)點(diǎn)接口轉(zhuǎn)換模塊提供不少于4路的異步RS-422接口，CAN總線速率可支持1 Mbit/s[5]。

⑥星上集電極開路(open controller,OC)指令輸出模塊。該模塊主要用于滿足星上各個系統(tǒng)對直接指令的需求(星務(wù)計算機(jī)通過通信總線發(fā)送指令至智能節(jié)點(diǎn)，智能節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)需求輸出一定條件的直接指令)。一般而言，智能節(jié)點(diǎn)OC指令輸出模塊提供不少于4通道的直接指令，脈沖寬度為(80±10)ms。

⑦星上數(shù)字量輸入輸出模塊。該模塊主要用于滿足星上各個系統(tǒng)對數(shù)字量信號的輸入、輸出需求，如星箭分離、脫落信號信號的采集需求。一般而言，智能節(jié)點(diǎn)數(shù)字量輸入輸出模塊需要提供8通道、驅(qū)動電流為(-5～+5)mA的通道。 智能節(jié)點(diǎn)硬件原理如圖3所示。

圖3 智能節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖Fig.3 Schematic diagram of intelligent node hardware

處理器為智能節(jié)點(diǎn)的核心。其主要完成對各個標(biāo)準(zhǔn)模塊管理和數(shù)據(jù)通信。為了提高智能節(jié)點(diǎn)的通用化設(shè)計，設(shè)計通過標(biāo)準(zhǔn)總線接收星務(wù)計算機(jī)發(fā)送的各類指令和數(shù)據(jù)(應(yīng)用配置等)，并接受星務(wù)計算機(jī)的統(tǒng)一調(diào)度。

目前流行的低成本衛(wèi)星應(yīng)用總線主要有CAN總線、異步RS-422接口等，如姿軌控單機(jī)星敏感器、磁力矩器等為通信接口異步RS-422接口?？紤]到智能節(jié)點(diǎn)的通用性和成本等因素，智能節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)通信總線采用CAN總線，智能節(jié)點(diǎn)作為終端與星務(wù)計算機(jī)通信。為了盡可能提高智能節(jié)點(diǎn)通信速率，CAN總線波特率設(shè)計為1 Mbit/s[5]。

2.2 主要硬件設(shè)計

①控制模塊。

控制模塊作為智能節(jié)點(diǎn)的核心，主要完成對各個標(biāo)準(zhǔn)模塊的初始化和工作管理?？刂破鬟x用易于接口擴(kuò)展的現(xiàn)場可編程門陣列芯片，控制模塊與其他標(biāo)準(zhǔn)模塊通過內(nèi)部通信接口通信，如串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)，實(shí)現(xiàn)配置指令、測量數(shù)據(jù)的傳輸[6]。

②模擬電壓采集模塊。

模擬電壓采集模塊主要對星上模擬電壓遙測信號進(jìn)行采集，主要包括信號調(diào)理(放大)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD976)。為了實(shí)現(xiàn)多通道信號采集，考慮到星上遙測信號一般為緩變信號，且對應(yīng)采樣速率要求不高，因此采用多路開關(guān)對模擬通道進(jìn)行切換[7]。電壓采集原理如圖4所示。

圖4 電壓采集原理框圖Fig.4 Schematic diagram of voltage acquisition

③模擬電流采集模塊。

電流信號采集方式是先將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過多路模擬開關(guān)進(jìn)行采集。電流采集原理如圖5所示。

圖5 電流采集原理框圖Fig.5 Current collection principle block diagram

④測溫、控溫模塊。

智能節(jié)點(diǎn)內(nèi)部設(shè)計多路溫度量遙測通道，采用熱敏電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采集。熱敏電阻輸出電壓信號經(jīng)過模擬開關(guān)后，輸出至放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。溫度采集原理如圖6所示。為了提高智能節(jié)點(diǎn)功能密度，內(nèi)部功率驅(qū)動電路采用厚膜電路模塊化設(shè)計，每個模塊實(shí)現(xiàn)16路40 W加熱器通斷控制[8]。

圖6 溫度采集原理框圖Fig.6 Temperature acquisition principle block diagram

3 軟件設(shè)計

嵌入式軟件設(shè)計和運(yùn)行需要體現(xiàn)“智能化”設(shè)計理念，即智能節(jié)點(diǎn)本身工作模式、外部系統(tǒng)連接等通過星務(wù)計算機(jī)注入指令實(shí)現(xiàn)或由裝機(jī)參數(shù)決定。智能節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖7所示。

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flowchart

智能節(jié)點(diǎn)由星務(wù)計算機(jī)通過CAN總線指令完成功能配置(根據(jù)衛(wèi)星實(shí)際應(yīng)用需求)，如智能節(jié)點(diǎn)各標(biāo)準(zhǔn)模塊的通道配置、智能節(jié)點(diǎn)地址等[9]。

智能節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件主要設(shè)計如下所述。

①軟件內(nèi)部按照功能劃分為不同模塊，各模塊可根據(jù)衛(wèi)星實(shí)際需求靈活配置。

②內(nèi)部初始化完成軟件運(yùn)行的基本內(nèi)容，智能節(jié)點(diǎn)外部系統(tǒng)、設(shè)備等參數(shù)配置由星務(wù)計算機(jī)注入指令的方式實(shí)現(xiàn)[10]。

③星務(wù)計算機(jī)分配每個智能節(jié)點(diǎn)的ID、地址，以及每個智能節(jié)點(diǎn)主要功能等。

通過上述智能節(jié)點(diǎn)軟件的靈活設(shè)計和配置，智能節(jié)點(diǎn)軟硬件可設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)模塊，具體應(yīng)用可根據(jù)具體任務(wù)配置，以最大程度體現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)的“智能”特性。類似于即插即用的應(yīng)用模式。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的智能節(jié)點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計思想，極大地提高了系統(tǒng)和產(chǎn)品的適用性和可擴(kuò)展性。該設(shè)計可根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)的不同，在不改變系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上對內(nèi)部模塊進(jìn)行刪減；可在不改動硬件產(chǎn)品的狀態(tài)下，通過指令配置智能節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各項參數(shù)狀態(tài)，使其滿足具體的衛(wèi)星應(yīng)用要求。尤其對于低成本衛(wèi)星應(yīng)用而言，智能節(jié)點(diǎn)可有效縮短衛(wèi)星和產(chǎn)品的研制周期，同時降低研制成本。因此，智能節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計思路和方案對于低成本衛(wèi)星研制具有較高的參考價值。