航天器供配电测试设备硬件模块化、软件配置化设计思路

张洪光

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

我国各型号航天器对地面供配电测试设备系统的大部分系统需求是一致和稳定的,仅有个别型号有少量的特殊需求。目前,各型号地面供配电测试设备互换性差的主要原因之一是各型号对系统的子设备功能划分很相近但又略有不同,使得各型号间的子设备不能互换[1-2]。

综上所述,对于个别型号的少量特殊系统需求,需要具体问题具体分析,采用专用设计。对于各型号的大部分一致性系统需求,应该首先统一各型号系统子设备的功能定义,开展硬件模块化设计,提高各型号之间地面供配电测试设备硬件模块的互换性,开展软件配置化设计,实现地面供配电测试设备软件在同类型号和不同类型号之间的延用或重用[3-4]。

某航天器的地面供配电测试设备的系统需求具有典型性,没有特殊性需求。在系统研制过程中,采用了硬件模块化、软件配置化的设计思路;在系统硬件方面,实现了某航天器的硬件子模块可互换;在系统软件方面,由于飞船系统有测试的特殊需求,实现了某航天器典型功能部分的软件延用。

2 系统设计

典型的地面供配电测试设备包含上位计算机、有线前端测试设备、集中供电设备和太阳电池阵模拟器。上位计算机实现对整个系统的统一控制,测试时接收总控主测试计算机(M T P)的指令并执行;有线前端测试设备实现有线指令发送、模拟量测量和状态量测量,包含测控单元、信号调理机箱、前端电源箱和前端跳线箱;集中供电设备实现地面稳压供电和蓄电池恒流充电,包含稳压电源、恒流电源和集中供电接口机箱;太阳电池阵模拟器为太阳翼的地面模拟电源,包含太阳电池阵模拟电源和太阳电池阵接口机箱[5-6]。

2.1 系统硬件设计

地面供配电测试设备的安全性、可靠性要求高,进行系统硬件设计时,系统硬件结构的繁简应遵循客观需求,力求结构简单、不冗杂。针对各型号地面供配电测试设备的共同典型性需求,统一子设备功能定义,遵循增强模块内聚性和模块间松散性的设计原则,实行硬件模块化设计[7-8]。

2.1.1 系统硬件构架分析

地面供配电测试设备是一种基于局域总线或网络的综合电子测量控制系统,涉及强电、弱电低频信号,不涉及高频信号,典型的系统硬件构架如图1 所示。这种局域总线或网络可以是局域网(LA N)、GPIB、RS232、LXI 等一种或几种接口构成的综合性网络[9]。上位计算机通过局域总线或网络实现对测控单元和通用电源设备的程控,从而实现对地面供配电测试设备的统一控制。

有线前端测试设备、集中供电设备和太阳电池阵模拟器的硬件构架和各子设备功能需求分析如下:

1)有线前端测试设备

(1)使用的测控单元有A glient 34970、Aglient 34980 和NI PXI 系统,为货架式通用产品;

(2)前端电源箱为有线前端测试设备的供电电源,较为简单,仅需统一前端电源箱的对外供电接口定义;

(3)星表插头的接点定义千差万别,使用前端跳线箱就是为了实现星地有线信号的跳线、归类。现阶段各航天器星表插头接点定义很难规范化设计,跳线箱的规范化、模块化设计时机还不够成熟;

(4)信号调理机箱实现有线模拟量、有线状态量和开出指令的调理变换,三项功能彼此独立,适合于开展硬件模块化设计,统一规范对外接口功能及对外插头接点定义,从而达到各型号在上述三方面硬件模块的可互换性和可重用性。

2)集中供电设备和太阳电池阵模拟器

(1)稳压电源、恒流电源和太阳电池阵模拟电源均为货架式通用产品;

(2)集中供电接口机箱和太阳电池阵接口机箱实现机柜内各电源的机械式继电器加断电控制,两种机箱在硬件结构和工作原理上是很相近的,设计几种类型的接口机箱单元模块,各型号接口机箱可以通过选用相应类型单元模块和加工机箱内的电缆,来实现整个接口机箱的设计,从而达到各型号在接口机箱内部所使用单元模块的可互换性和可重用性。

2.1.2 硬件模块化设计

信号调理机箱属于弱电设备,开展信号调理机箱的硬件模块设计时,需要注意信号调理机箱的弱电特性,综合考虑电设计和结构设计。

1)电设计方面考虑如何实现信号调理机箱的模拟量、状态量、开出指令调理的功能,实现时可以设计为相互独立的功能单元,然后根据独立功能单元的繁简程度,设计出统一规格的一种型号板卡或几种型号板卡;

2)结构设计方面考虑如何实现各功能板卡安装方便、固定可靠,这需要首先统一各子卡的机械尺寸和安装件规格,子卡的机械尺寸统一后,机箱整体结构采用各大公司广泛使用的背插卡式机箱结构较好。

某航天器的地面信号调理机箱采用背板插卡式设计,如图2 所示,母板为机箱底板,并设计了模拟量调理板、状态量调理板、开出指令扩展板、开出指令控制板。母板提供10 个板卡插槽,母板各插槽接点定义一致,使得不同功能板卡可以插在任意插槽上。某航天器的地面有线信号要比一般卫星的地面有线信号多很多,信号调理机箱实际使用7 块功能子板,还有3 个板卡插槽可以扩展。

集中供电接口机箱和太阳电池阵接口机箱在硬件结构上是一致的,区别仅在于接口机箱所使用继电器的额定电压、额定电流不同,使用继电器的额定电压与航天器一次母线电压高低相关,使用继电器的额定电流与对应星上接口的输入功率的大小相关。依据各型号一次母线电压和供电接口的输入功率,可以设计以下4 种类型的单元模块,每种单元模块参数和使用场合如表1 所示。

4 种类型的单元模块均可以独立安装,每类单元模块具有一个输入接口插头、一个输出接口插头和一个控制接口插头,统一规范4 种类型单元模块对外插头接点定义。类型Ⅰ和类型Ⅱ适用于太阳电池阵模拟器供电接口,如图3 所示;类型Ⅲ、类型Ⅳ

表1 接口机箱单元模块参数及应用表Table 1 Parameters and application table of unit model of interface cabinet

适用于稳压供电、恒流充电接口,如图4 所示。可以通过接口机箱内的电缆实现4 种类型单元模块的原理电路重构,来满足航天器的太阳电池阵接口电源通道多、稳压供电接口功率大、恒流充电接口无远端采样等要求,实现接口机箱组装化。

图3 类型Ⅰ、类型Ⅱ单元模块电路原理示意图Fig.3 Schematic diagram of type I and type Ⅱunit model

图4 类型III、类型IV 单元模块电路原理示意图Fig.4 Schematic diagram of type III and type IV unit model

2.2 系统软件设计

各型号地面供配电测试设备软件功能差异性较小,系统软件主要实现对测控单元和货架式通用电源的编程。传统的系统软件设计思路,使得各型号系统软件开发人员反复地做重复性编程工作[10]。以典型地面供配电测试设备软件需求集合为基础,开发出通过更改配置文件即可以实现软件升级或重构的地面供配电测试设备应用程序,从而实现系统软件在同类型号和不同类型号之间的延用或重用,而不需要软件开发人员在编译环境重新修改代码,从而大幅降低系统软件开发的人力成本和时间成本,延长了系统软件的生命周期,这就是软件配置化的设计思路。

2.2.1 系统软件需求分析

典型地面供配电测试设备软件需求集合包含模拟量测量、状态量测量、开出指令发送、稳压电源程控、充电电源程控、太阳电池阵模拟电源程控和与总控网络通信,共7 项功能。

从数据流和功能模块设计的角度分析,模拟量和状态量测量实现了对测控单元采集单元编程,属于数据输入流。开出指令发送实现对测控单元指令发送单元编程,属于数据输出流。稳压电源、充电电源、太阳电池阵模拟电源程控实现对各路电源的参数和输出设置,属于数据输出流,读取各电源输出参数,属于数据输入流。在与总控网络通信方面,系统软件接受总控指令,属于数据输入流,将采集数据回传给总控,属于数据输出流。

系统软件总构架适于采用初始、运行、退出的顺序式结构,初始结构主要实现通过配置文件配置软件系统、初始化各种板卡等;运行结构采用并行结构,实现测量、控制、与总控通信的主体功能;退出实现系统资源的释放。

2.2.2 软件配置化设计

在地面供配电测试设备软件的初始结构中,读取Excel 格式的配置文件,实现了模拟量、状态量、开出指令、货架式通用电源、总控主计算机(M TP)的配置。不同的配置文件,即实现了系统软件的升级或重构,详细的可配置项如表2 所示。某航天器系统软件实现了软件配置化设计,在初样第一阶段至第二阶段有线信号数量类型变化大、地面电源结构变化的情况下,仅用不到1h 更改软件配置文件,便实现软件升级,为后续空间站地面供配电测试设备软件打下了坚实的基础。

表2 地面供配电测试设备软件配置信息表Table 2 Software configuration information table of ground power supply system

2.3 硬件模块化、软件配置化剖析

采用硬件模块化、软件配置化设计思路,在系统硬件方面,可以统一各型号对地面供配电测试设备的功能划分,更容易形成统一功能、统一接口的产品化子模块、子设备;在系统软件方面,可以大幅降低系统软件开发的人力成本和时间成本,延长软件的生命周期。同时,可以优化地面供配电测试设备的研制流程,减少设计人员的重复性劳动,硬件方面变设计硬件为硬件模块选型,软件方面变编写软件为修改配置文件,如图5 所示。

图5 改进后的地面供配电测试设备的完整研制流程Fig.5 Development process of power supply system using hardw are modularization and softw are configuration design method

3 结论

各型号航天器地面供配电测试设备系统需求的一致性和稳定性是开展硬件模块化、软件配置化设计的基础。采用硬件模块化、软件配置化设计的目的,均是为了减少重复性开发、提高可互换性和可重用性,是地面供配电测试设备通用化研制过程中的一种有益尝试。

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