基于STM32 的立方體衛(wèi)星姿控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

談曾巧，陸正亮，張 翔

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

立方體衛(wèi)星（CubeSat）始于1999 年美國加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)科學(xué)研究，斯坦福大學(xué)學(xué)者提出了立方星的概念，并規(guī)定了一單元立方體衛(wèi)星的質(zhì)量為1 kg，結(jié)構(gòu)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，使得立方體衛(wèi)星成為納衛(wèi)星的通用標(biāo)準(zhǔn)，如圖1 所示。隨著機(jī)械、電子等行業(yè)向著微型化、集成化方向發(fā)展以及空間任務(wù)的多樣化，立方體衛(wèi)星以其研制成本低、研制周期短、功能密度高、部署靈活等特點(diǎn)，逐漸成為國內(nèi)外航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖1 南理工1 號(hào)（2 單元立方體衛(wèi)星）

隨著空間技術(shù)的逐漸成熟，立方體衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)大范圍軌道機(jī)動(dòng)、編隊(duì)控制、交匯抵近、太空抓捕等復(fù)雜技術(shù)操作，使其廣泛應(yīng)用通信（如圖2 所示）、遙感（如圖3所示）、環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)試驗(yàn)和空間攻防等空間任務(wù)中，而這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制提出越來越高的要求。姿控計(jì)算機(jī)是姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)（ADCS）中的控制中心，需要完成傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、姿態(tài)確定、姿態(tài)控制等多個(gè)任務(wù)。目前，應(yīng)用在大衛(wèi)星上的姿控計(jì)算機(jī)發(fā)展較為成熟，但在小型化的過程中存在著計(jì)算能力、控制能力與功耗、成本相互沖突等問題。因而，如何設(shè)計(jì)一個(gè)低成本、低功耗、高性能的姿控計(jì)算機(jī)成為一個(gè)亟需解決的問題。

圖2 SPACE?X 通信星座

圖3 鴿群衛(wèi)星遙感星座

目前，國內(nèi)的姿控計(jì)算機(jī)有采用386、DSP、FPGA等芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的：386 CPU 的運(yùn)算速度較低，而且結(jié)構(gòu)和功耗均不理想；DSP 雖然運(yùn)算速度快，但是存在耦合松散、硬件調(diào)試周期長等問題；FPGA 雖然設(shè)計(jì)靈活，但由于沒有指令系統(tǒng)，所以其控制能力比較弱。相比之下，STM32芯片體積較小，集成度較高，低成本、低電壓、低功耗，有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算能力，且具有較強(qiáng)的控制能力。因此，本文基于STM32 芯片，設(shè)計(jì)了低成本、低功耗、高性能、外設(shè)接口豐富的適用于立方體衛(wèi)星的姿控計(jì)算機(jī)。文章首先基于立方體衛(wèi)星對(duì)姿控計(jì)算機(jī)的需求進(jìn)行分析，進(jìn)而完成對(duì)姿控計(jì)算機(jī)總體方案的設(shè)計(jì)；其次，完成姿控計(jì)算機(jī)各部分的硬件設(shè)計(jì)；最后，完成姿控計(jì)算機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。

1 總體方案設(shè)計(jì)

姿控計(jì)算機(jī)的功能主要是通過星上多個(gè)姿態(tài)敏感器的測(cè)量信息確定衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)，再根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)信息通過姿態(tài)控制算法控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的控制。目前，對(duì)于立方體衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)來說，姿態(tài)確定中姿態(tài)敏感器的主流配置是磁強(qiáng)計(jì)、陀螺儀、太陽敏感器和GPS，如果對(duì)姿態(tài)確定有高精度需求，還可以加入星敏感器來提高定姿精度；姿態(tài)控制中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有磁力矩器和動(dòng)量輪?；谧丝叵到y(tǒng)的這些配置，本文所設(shè)計(jì)的姿控計(jì)算機(jī)總體方案如圖4所示。

圖4 總體方案圖

圖4 中：姿控計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星姿態(tài)的確定及控制；磁強(qiáng)計(jì)用來測(cè)量衛(wèi)星所在位置的地球磁場(chǎng)，通過IC通信協(xié)議與姿控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并采用冷備份的方式設(shè)計(jì)；太陽敏感器用于測(cè)量衛(wèi)星表面與太陽光夾角并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的四象限電流，通過采集芯片轉(zhuǎn)化成IC信號(hào)輸入姿控計(jì)算機(jī)，共需3 路IC；陀螺儀用于測(cè)量衛(wèi)星的三軸角速度，通過SPI 與姿控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；星敏感器通過星圖比對(duì)確定衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)，通過RS 422與姿控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；GPS 模塊用于向姿控計(jì)算機(jī)提供UTC 時(shí)間、位置及速度等信息，通過UART與姿控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；動(dòng)量輪通過輸出力矩來抵消星上擾動(dòng)力矩，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)控制，姿控計(jì)算機(jī)通過1路SPI控制動(dòng)量輪的驅(qū)動(dòng)芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速的控制；磁力矩器主要用于星箭分離后衛(wèi)星的角速度阻尼和三軸穩(wěn)定時(shí)對(duì)動(dòng)量輪的卸載，姿控計(jì)算機(jī)I/O 口輸出PWM 波控制磁力矩器驅(qū)動(dòng)芯片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁力矩器輸出力矩的控制。由于衛(wèi)星姿控系統(tǒng)涉及多個(gè)姿態(tài)敏感器，要進(jìn)行大量、快速的姿態(tài)信息讀取，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和處理的實(shí)時(shí)性要求很高，此外還涉及復(fù)雜的姿態(tài)確定和控制算法的解算以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。因此，要求姿控計(jì)算機(jī)具有很高的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和控制能力，外設(shè)接口具有很快的數(shù)據(jù)傳輸速度。綜合衛(wèi)星任務(wù)需求分析，提出姿控計(jì)算機(jī)的性能要求：運(yùn)算速度≥150 MHz，SRAM=2 MB，F(xiàn)LASH=1 MB，質(zhì)量≤0.5 kg，功耗≤2 W（長期三軸穩(wěn)定）；接口需求主要包括：12 路12 位A/D，2 路12 位D/A，4 路IC，2路SPI，1路RS 422，4路RS 232。

2 姿控計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心微控制器選型

STM32 系列微控制器是由ST（意法半導(dǎo)體）推出的基于ARM Cortex?M為內(nèi)核的32位微控制器，它支持32位廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)[13]利用STM32F1 系列芯片設(shè)計(jì)了基于光纖陣列的高精度太陽跟蹤系統(tǒng)；文獻(xiàn)[14]基于STM32F4 系列芯片完成了X型四旋翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)。STM32F4 系列芯片是基于超低功耗的ARM Cortex?M4內(nèi)核的高性能微控制器，該系列的STM32F407 工作頻率高達(dá)168 MHz，擁有140個(gè)快速I/O端口和多達(dá)15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口（2個(gè)CAN接口，4個(gè)USART，2 個(gè)UART，3 個(gè)IC 接口，3 路SPI，1 個(gè)SDIO 接口），可在低電壓下（1.8～3.6 V）工作。基于STM32F407 的這些資源和特點(diǎn)，滿足姿控計(jì)算機(jī)對(duì)控制器低功耗、高性能以及接口豐富的要求，此外，該芯片的正常工作溫度范圍在-40～+85 ℃，滿足衛(wèi)星上的工作條件。因此，本文選用STM32F407 作為主芯片，加上外圍電路來實(shí)現(xiàn)姿控計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。

2.2 基礎(chǔ)外圍電路設(shè)計(jì)

2.2.1 時(shí)鐘電路

使用CC5V?TIA?32.768 芯片給系統(tǒng)提供32.768 kHz 頻率作為外部時(shí)鐘，通過鎖相擴(kuò)頻和預(yù)分頻器可配置兩個(gè)AHB 總線，高速APB（APB2，最高頻率可達(dá)84 MHz）和低速APB（APB1，最高頻率可達(dá)42 MHz）。

2.2.2 供電電路

為了簡化供電電路，在選用傳感器和執(zhí)行器等部件時(shí)，盡可能地挑選供電電壓在同一范圍的器件，因此整個(gè)姿控系統(tǒng)只需要兩種供電標(biāo)準(zhǔn)：5 V和3.3 V。外部母線供電電壓為7.4 V，因此需要通過轉(zhuǎn)壓芯片來實(shí)現(xiàn)，本文分別使用了ADP3303和LMZ12001 兩個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)5 V 和3.3 V 的供電。為了輸入輸出穩(wěn)定，不受其他信號(hào)干擾，在輸入輸出引腳與地之間串聯(lián)了電容。

2.2.3 復(fù)位電路

TPS382X 系列監(jiān)控器主要為DSP 和基于處理器的系統(tǒng)提供電路初始化和定時(shí)監(jiān)控。該系列器件由內(nèi)部分壓器設(shè)置一個(gè)固定的檢測(cè)門限電壓，當(dāng)電源電壓高于門限電壓時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，當(dāng)電源電壓低于門限電壓時(shí)，保持----------RESET 有效。本文選用該系列的TPS3823?3.3芯片，該芯片還包括一個(gè)手動(dòng)復(fù)位輸入引腳----MR，---MR 為低電平時(shí)激活----------RESET，如圖5 所示。

圖5 復(fù)位電路

2.3 姿控部組件接口設(shè)計(jì)

2.3.1 磁力矩器驅(qū)動(dòng)電路

磁力矩是由通電線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的安培力而來，可通過控制線圈中的電流大小來調(diào)節(jié)磁力矩的大小。立方體衛(wèi)星上使用驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流來驅(qū)動(dòng)磁力矩器，驅(qū)動(dòng)芯片由主芯片STM32F407 的I/O 口輸出PWM 波控制，通過控制PWM 波的占空比可控制輸出電流的大小。磁力矩器工作所需的驅(qū)動(dòng)電流大小在1 A 以下，主芯片I/O 口的輸出電壓范圍是0～3.3 V。因此，本文選用DRV8839 芯片作為磁力矩器的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片可提供高達(dá)1.8 A 的電流輸出，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，滿足磁力矩器的驅(qū)動(dòng)需求；工作電壓范圍在1.8～7 V，可由主芯片的I/O 口直接控制。磁力矩器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 磁力矩器驅(qū)動(dòng)電路

2.3.2 動(dòng)量輪驅(qū)動(dòng)電路

本文選用的動(dòng)量輪是福爾哈貝公司的2610012B 型動(dòng)量輪，該動(dòng)量輪在12 V 電壓下工作，最大轉(zhuǎn)速為6 400 V/min，最大轉(zhuǎn)矩3.1 mN·m，額定轉(zhuǎn)矩2.85 mN·m，轉(zhuǎn)速常數(shù)為543 min/V，轉(zhuǎn)速由驅(qū)動(dòng)芯片輸出電壓的大小控制，驅(qū)動(dòng)芯片通過SPI 接收姿控計(jì)算機(jī)的控制指令并轉(zhuǎn)換成電壓輸出驅(qū)動(dòng)動(dòng)量輪。AD5664 是一款低功率、16 位的DACs，工作電壓在2.7～5.5 V，與標(biāo)準(zhǔn)SPI 接口兼容，符合上述要求。

2.3.3 太陽敏感器、磁強(qiáng)計(jì)接口電路

太陽敏感器和磁強(qiáng)計(jì)都是通過IC 與姿控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的。本文考慮在立方體衛(wèi)星三個(gè)面上安裝太陽敏感器，每個(gè)面上安裝一個(gè)，每個(gè)太陽敏感器產(chǎn)生四象限電流，由兩塊電流采集芯片INA3221Q1 采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過IC 接口與姿控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；磁強(qiáng)計(jì)產(chǎn)生的信號(hào)通過放大電路和A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADS1115 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，通過IC 與姿控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主芯片STM32F407 內(nèi)部集成了3 路IC，不滿足系統(tǒng)需求，且片內(nèi)集成的IC 不夠穩(wěn)定，因此本文設(shè)計(jì)利用擴(kuò)展芯片對(duì)片內(nèi)IC 進(jìn)行擴(kuò)展。TCA9544A 是一款四通道雙向轉(zhuǎn)換IC 多路復(fù)用器，最高頻率可達(dá)400 kHz，本文利用TCA9544A 將1 路IC 擴(kuò)展成4 路，供3 個(gè)太陽敏感器和磁強(qiáng)計(jì)使用。擴(kuò)展電路如圖7 所示。

圖7 I2C 擴(kuò)展電路

2.3.4 陀螺儀接口電路

2.3.5 星敏感器接口電路

本文選用的星敏感器是天銀星際（TY?SPACE）的納型星敏感器NST?4，該型星敏感器體積小、質(zhì)量輕（＜200 g）、功耗低（＜0.6 W）、精度高（5″，3）、具有高動(dòng)態(tài)性能（2（°）/s）、高抗雜光性能，通信接口是RS 422。主芯片STM32F407 片內(nèi)沒有集成RS 422 通信接口，因此需要選用轉(zhuǎn)換芯片將1 路串口轉(zhuǎn)換成RS 422 電平供星敏感器通信。MAX3488 是用于RS 485 和RS 422 通信的低功率收發(fā)器，工作電壓3.3 V。這款芯片的特點(diǎn)是它的slew?rate 限制驅(qū)動(dòng)器能最大限度地減少電磁干擾和減少由不正確的電纜端引起的反射，允許無錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250 Kb/s，滿足本文需求。因此，本文選用MAX3488 完成RS 422 的電平轉(zhuǎn)換。

2.3.6 GPS 接口電路

GPS 模塊是基于STM32F205 設(shè)計(jì)的，與姿控計(jì)算機(jī)通過UART 進(jìn)行通信，STM32F205和主芯片STM32F407都有UART 通信接口，本文使用STM32F205 的USART1（PA9，PA10）和STM32F407 的UART4（PC10，PC11）進(jìn)行通信。

3 硬件實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述的總體設(shè)計(jì)方案和硬件電路的設(shè)計(jì)，姿控計(jì)算機(jī)的最終實(shí)物如圖8 所示，與星上其他部組件之間通過PC104 連接，與姿控各部組件的硬件接口通過Molex 連接器連接。姿控計(jì)算機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示，滿足姿控系統(tǒng)對(duì)姿控計(jì)算機(jī)的要求。

圖8 姿控計(jì)算機(jī)實(shí)物圖

表1 主要性能指標(biāo)

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

將姿控計(jì)算機(jī)接入衛(wèi)星總體進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，如圖9所示。

圖9 測(cè)試實(shí)物圖

圖中左側(cè)部分為姿控系統(tǒng)，包括磁棒板、姿控計(jì)算機(jī)和磁強(qiáng)計(jì)板，動(dòng)量輪通過轉(zhuǎn)接板引出；中間部分為電源系統(tǒng)和星務(wù)計(jì)算機(jī)，分別負(fù)責(zé)星上供電和星上任務(wù)管理；右側(cè)是通信模塊，負(fù)責(zé)遙控遙測(cè)信息的收發(fā)。測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。

圖10 測(cè)試結(jié)果顯示

由測(cè)試結(jié)果可知，姿控系統(tǒng)各敏感器讀數(shù)正常，執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作正常，姿控計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文基于STM32F407 芯片設(shè)計(jì)了立方體衛(wèi)星姿控計(jì)算機(jī)，主要包括主芯片的一些基礎(chǔ)的外圍電路和姿控計(jì)算機(jī)與姿控部組件之間的接口設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案考慮了立方體衛(wèi)星上常用的多種姿態(tài)敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使之可以適應(yīng)多種姿控配置模式的要求；主芯片的超強(qiáng)運(yùn)算能力和控制能力能夠滿足復(fù)雜的姿控算法實(shí)時(shí)性需求以及系統(tǒng)多任務(wù)處理能力。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試應(yīng)用表明，本方案所設(shè)計(jì)的姿控計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的實(shí)用性、可靠性和穩(wěn)定性，低成本、低功耗，可作為立方體衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)組件。