故障复现嵌入式硬件平台的电源系统设计

王 双，董云峰

（北京航空航天大学 宇航学院，北京100191）

0 引 言

卫星姿轨控是星上容易发生故障的分系统，需要对故障诊断技术进行模拟研究。传统的卫星故障模拟一般采用计算机进行数值仿真的方式，它具有设计周期短，成本低等优点，但计算机数值仿真缺乏真实性和实时性，无法准确模拟出部件的实际接口，可能得出与星上控制系统完全不同的结论，没有实际意义［1］。基于 ARM7 （advanced RISC machines）和 FPGA （field programmable gate array）的嵌入式卫星故障复现平台，实时性好，成本低，使用方便，在故障诊断专家系统和故障模型库的支持下，能快速验证故障假设，有效定位故障源。通过CAN （controlle rarea network）总线连接，该平台可以方便地构成十几个甚至几十个分布式实时仿真节点。

故障复现嵌入式硬件平台运行时，因更换嵌入式程序和故障模拟的需要，需要经常开关机箱和ARM板。以往的嵌入式硬件大都需要手动控制电源开关，繁琐且不方面。该平台的电源系统在稳定运行的基础上，利用AVR单片机数据处理能力、FPGA和CPLD （complex programmable logic device）的现场可编程功能，再依据三极管的电流放大作用和继电器的原理，实现了机箱和ARM板开关的自动化。电源系统的优化设计，保证了平台其他部分的正常运行。

1 故障复现嵌入式硬件平台介绍

故障复现嵌入式系统包括3个部分，分别是PC机、调试监控箱、卫星姿轨控设备模拟器 （以下简称模拟器）。三部分共同组装成一个机柜，来模拟卫星的各种故障状态。其中，模拟器包括一个执行结构箱、两个姿轨控中心计算机箱、两个敏感器箱。

PC机运行MFC控制程序和环境模拟程序，进行数据归档。调试监控箱装有一个开关电源，给模拟器供电，并对其机箱中各个电路板的程序进行更新。模拟器采用相同的模块化的设计，各机箱在硬件上保持一致。每个机箱依次安装两块转接板、4块总线板、2块FPGA板、8块ARM板。ARM板运行仿真程序，模拟不同的星上部件，如动量轮、地球敏感器等；FPGA板实现逻辑动态分配；总线板进行TTL电平和差分信号电平之间的转换；转接板按照实际接口实现信号的分配。下面将详细介绍电源系统的软硬件设计方案。

2 故障复现硬件平台信号转接协议

故障复现硬件系统是按照一定的信号转接协议，来实现机箱和ARM板电源开关的自动化。通讯编码格式为0xff＋Command＋BOXn＋BOARDn＋CRC。其中0xff为起始码，Command为信号选择指令，例如ARM开为0x05、ARM关为0x06、机箱开为0x08、机箱关为0x09，BOXn为模拟箱中FPGA板的ID号，BOARDn为ARM板的编号。

PC机MFC程序按照此协议产生控制信号，信号按照路径调试监控板→转接板→总线板→FPGA板→ARM板进行传输，实现控制功能。

3 电源系统硬件设计

在电源系统中，调试监控板控制模拟器5个机箱的开关，FPGA板控制相对应的4个ARM板的开关，转接板和总线板只输送控制信号、电源。下面将介绍调试监控板、FPGA板和ARM板电源部分的硬件设计。

3.1 调试监控板

调试监控箱装有一个开关电源，给硬件平台供电。为保护电路板，12V和5V线路各串联一个贴片保险。EPM240T100C5、ATmega8等需要供电3.3V，添加相应的线性稳压器LM1084IS－3.3，把5V电压转变成3.3V［2］。电源引脚连接一些滤波电容，降低交流脉动波纹系数，提升高效平滑直流输出，给芯片提供一个稳定的电压。绘制PCB图时，根据电流的大小，硬件平台所有电路板的电源线宽度尽量加粗，减少环路电阻［3］；不同层之间的电源线，要经过多过孔处理，增加电源输送能力。

PC机MFC程序，按照信号转接协议，产生控制信号，经USB传输到调试监控板。USB的数字信号，经芯片CP2102转化成异步串行数据。其SUSPEND引脚串联一个发光二极管接地。观看二极管的亮灭，可以得知CP2102与电脑USB通信是否正常［4］。

ATmega8－16AC是AVR系列单片机，使用精简指令集，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令［5］。SPI接口使它与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。经过解析控制信号，ATmega8执行相关指令，改变其I/O引脚的电平，进而控制EPM240T100C5I/O引脚的逻辑。

EPM240T100C5属于复杂可编程逻辑器件 （CPLD），有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能［6］。通过JTAG接口，对EPM240T100C5进行在线编程。EPM240T100C5共有100个I/O引脚，让I/O77连接三极管的基极，进而控制继电器的开关。

调试监控板使用电磁继电器［7］控制模拟器5个机箱的供电，5个机箱对应5个继电器。为了简洁，软硬件设计只讲述调试监控板控制执行机构箱的供电。根据三极管的电流放大作用，图1中的SET1被拉高时，引起基极电流的微小变化，集电极电流必定会发生较大的变化［8］。此时，继电器开启，输出＋12V电压，机箱上电。作为冗余设计，图1中的IDC10的1、2引脚之间用一个按钮开关相连，手动控制机箱电源开关。

图1 调试监控板电源部分原理框架

接插件IDC40用特制电线与转接板相连。运行状态下，机箱需要的电流相对较大，这里采用三根线输送电流。EPM240T100C5的TTL电平信号通过SP3490，转化为差分电压信号，进行信息传输，能对外部干扰能够起到很强的抗干扰能力。PCB布线时，差分信号被安排成 “密近平行线”。

3.2 FPGA板

12V的电压从调试监控板输送到转接板后，经LM2596－5V开关电压调节器，产生5V电压。通过四条电源线，电源输送到图2的大四P插头。线性稳压器LM1084IS－3.3、LM1084IS－1V2，分 别 把 5V 电 压 转 变 成3.3V、1.2V，满足了EP2C20F484C8、ATmega8等对电压的需求。绘制PCB图时，为了给EP2C20F484C8稳定供电，对其3.3V、1.2V、GND进行局部多边形敷铜处理。此外，电源经接插件1、2，分别传输到ARM板、总线板。

FPGA是现场可编程门阵列的英文缩写。为满足引脚数量的需要，该板使用芯片EP2C20F484C8。差分信号由总线板转化成TTL电平信号，经接插件2，传输到FPGA板。ATmega8解析控制信号，改变EP2C20F484C8I/O引脚的逻辑，最终控制ARM板的开关。一块FPGA板插有4块ARM板。为了简洁，软硬件设计只讲述控制执行机构箱的第一块ARM板。接插件1和ARM板相连，SET是ARM电源开启信号，RESET是关闭信号。

图2 FPGA板电源部分原理框架

3.3 ARM 板

ARM是一个32位元精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。ARM7系列整合了Thumb16位指令集，使得能以8/16位系统的成本实现32位的性能［9］。ARM板采用芯片AT91SAM7X25作为CPU，18.432MHZ的低频晶振为其提供时钟频率。在PCB布线时，晶振应尽量靠近芯片的引脚，以减少对其它芯片的高频干扰。晶振旁的电容选用15pF的无极电容，在芯片内部经PLL电路倍频后，达到48MHZ的工作主频，以提高CPU 的工作速度［10］。

图3中的62针公头接插件DB62ML和FPGA相连，传输信号和电压。ARM板用磁保持继电器控制电源，其开关状态的转换是靠一定宽度的脉冲电信号触发而完成的。SET有脉冲电信号时，磁保持继电器开启，Vout输出12V电压。相反，RESET有脉冲电信号时，继电器关闭。LM1084IS－3.3 把 12V 电 压 转 变 成 3.3V， 给AT91SAM7X25 供 电。 绘 制 PCB 图 时， 在AT91SAM7X256中间放置填充，其电源引脚和填充相连。

4 电源系统软件设计

4.1 PC机 MFC控制程序［11］

MFC控制程序的人机界面的一部分如图4所示。

图4中的BOX1对应执行机构箱，BOX2、BOX3对应两个AOCC箱，BOX4、BOX5对应两个敏感器箱。8个Radio Button按钮依次对应机箱中的8块ARM板。

人机界面具有多项控制功能。点击功能按钮后，程序按照制定的协议，产生控制信号。核心代码是SendUARTMessage（ucChannelNo，chrSendMessage，iLength），uc－ChannelNo表示通道号，chrSendMessage是要发送的信息，iLength是信息的长度。

4.2 调试监控板

4.2.1 ATmega8－16AC

在CodeVisionAVR软件上，用Verilog HDL编写AT－mega8的控制代码，程序用AVR＿fighter下载到芯片中。主要代码如下：

定义引脚名称

＃defineBOXSwitch0 PORTD.3

编写信号解析函数［12］

void ProcCMD （unsigned charCommand，unsigned charBOXn，unsigned charBOARDn）

｛

switch （Command）

｛

case 0x08： //机箱开信号

if（（BOXn＞＞4）＝＝0x01）BOXSwitch0＝0；break；

case 0x09： //机箱关信号

if（（BOXn＞＞4）＝＝0x01）BOXSwitch0＝1；break；

｝

｝

把函数ProcCMD（）写入中断函数，在主函数中添加代码＃asm （"sei"），使能全局中断［13］。当控制信号传输到ATmega8中时，产生中断，执行函数ProcCMD （），改变引脚PD3的电平。

4.2.2 EPM240T100C5

EPM240T100C5属于CPLD器件，使用 Quartus II［14］软件编写代码，程序需用USB Blaste下载到芯片中。具体程序如下：

用Quartus II新建一个工程，选定芯片EPM240T100C5。按照原理图，定义相关引脚的名称，如图5所示。

图5 EPM240T100C5部分引脚名称

定义引脚的I/O类型［15］

inputUSB＿COM1＿TX，UART1＿RX，AVR＿TX，［4：0］AVR；

outputUSB＿COM1＿RX，UART1＿TX，AVR＿RX，［4：0］BoxSwitch；

对I/O引脚进行逻辑连线

assignUSB＿COM1＿RX＝UART1＿RX＆AVR＿TX；

assignUART1＿TX＝USB＿COM1＿TX；

assignAVR＿RX＝USB＿COM1＿TX；

变量赋值

assignBoxSwitch［0］＝ （AVR［0］？1'bZ：1'b1）；

手动打开调试监控箱的开关电源，使用USB线连接调试监控板和电脑的USB接口后，再按照MFC控制程序，在设备管理器设置通讯端口号为COM3，波特率为38400 bps，数据位为8，无奇偶校验，停止位为1，无控制流。运行PC机MFC控制程序，点击按钮打开串口3。此时，控制程序就可以给硬件板发送信号转接协议。

选中BOX1、SOC1，单击机箱开按钮，MFC程序发送0xff＋0x8＋0x11＋0x0＋0x19信号。信号传输到调试监控板的 ATmega8，执行函数ProcCMD （）。0x11＞＞4＝0x01，即判断条件 （BOXn＞＞4）＝＝0x01为真，BOXS－witch0赋值为零，ATmega8的PD3引脚为低电平。相应的，EPM240T100C5的引脚AVR［0］为逻辑0。式子AVR［0］？1'bZ ：1'b1的值等于逻辑1，引脚BoxSwitch［0］输出高电平。这时，调试监控板上对应的电磁继电器开启，输出＋12V电压，执行机构箱上电。同理，单击机箱关按钮，相对应的机箱断电。

4.3 FPGA板

4.3.1 ATmega8－16AC

使用ID号识别FPGA板，按照制定的规则定义执行机构箱第一块FPGA板的ID号

＃defineID0x11

定义引脚名称

＃defineAVR1 PORTC.0

＃defineAVR2 PORTC.1

＃defineAVR3 PORTC.2

＃defineAVR4 PORTC.3

＃defineSCKPORTB.5

编写信号解析函数ProcCMD（）

switch （Command）

｛

case 0x05： //ARM开信号

if（ID＝＝BOXn）

｛

AVR1＝BOARDn＆0x01；

AVR2＝ （BOARDn＞＞1）＆0x01；

AVR3＝1；SCK＝0；SCK＝1；

delay＿ms（200）；SCK＝0；AVR3＝0；

｝

elseAVR3＝0；

break；

case 0x06： //ARM关信号

if（ID＝＝BOXn）

｛

AVR1＝BOARDn＆0x01；

AVR2＝ （BOARDn＞＞1）＆0x01；

AVR4＝1；SCK＝0；SCK＝1；

delay＿ms（200）；SCK＝0；AVR4＝0；

｝

elseAVR4＝0；

break；

｝

把函数ProcCMD（）写入中断函数，在主函数中添加＃asm （"sei"），使能全局中断。当PC的ARM开关控制信号传输到ATmega8中时，通过解析信号，改变相应引脚的电平。

4.3.2 EP2C20F484C8

EP2C20F484C8属于FPGA，使用Quartus II软件编写代码，程序需用USB Blaste下载到芯片中。核心操作如下：

用Quartus II新建一个工程，选定芯片EP2C20F484C8。按照原理图，定义相关引脚的名称如图6所示。

图6 EP2C20F484C8部分引脚名称

定义引脚的I/O类型

inputSCK，AVR3，AVR4， ［1：0］AVR，RX0，AVR＿TX；

outputAVR＿RX，SOCSET0，SOCRESET0；

output regTX0；

对I/O引脚进行逻辑连线

assignAVR＿RX＝RX0；

assignTX0＝AVR＿TX；

变量赋值

assignSOCSET0＝ （（AVR3）＆＆ （AVR＝ ＝2'b00））？SCK：1'b0； //ARM ON

assignSOCRESET0＝ （（AVR4）＆＆ （AVR＝＝2'b00））？SCK：1'b0； //ARM OFF

运行PC机MFC控制程序，选中BOX1、SOC1，单击ARM开按钮，发送0xff＋0x5＋0x11＋0x0＋0x16信号。信号传输到FPGA板的ATmega 8，产生中断，执行函数ProcCMD（）。ID和BOXn都等于0x11，判断条件ID＝＝BOXn为真。BOARDn＆0x01＝0x0， （BOARDn＞＞1）＆0x01＝0x0，所以该程序中的变量AVR1、AVR2都赋值为0。AVR3、SCK先赋值为1，200ms后，它们又赋值为0。相应地，EP2C20F484C8程序中的AVR等于0，AVR3、SCK先等于1，200ms后，二者又等于0。所以，原先为0的SOCSET0会先赋值为1，200ms后又清零，即引脚SOCSET0产生了一定宽度的脉冲电信号。此电信号传输到ARM板，开启磁保持继电器，第一块ARM板上电。相反，单击MFC控制程序的ARM关按钮，相对应的ARM板断电。

5 结束语

电源系统是嵌入式硬件平台的关键部分。在设计电路板时，连接保险、滤波电容，电源线加粗、多过孔、多线传输，局部多边形敷铜，填充等处理措施［16］，保证了电源系统稳定、安全、可靠地运行。另一方面，系统的软硬件使操作者只要点击上位机MFC程序按钮，就可以控制机箱和ARM板的开关，实现了电源开关自动化。

此外，系统软硬件还实现了ARM板更新程序、打印ARM输出信息、ARM板复位的自动化，满足了仿真的需要。该故障模拟平台无需损坏硬件，通过改变软件就可以模拟出故障行为，为提高航天器故障处理能力起到积极的作用。

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