空间相机星务仿真测试系统设计

王 战，韩诚山，李祥之，赵庆磊，黄 良

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033；2.中国科学院大学，北京100049）

0 引 言

空间相机地面测试任务［1］繁琐，目前研制出的功能仿真测试设备也千差万别［2－4］，但大部分的测试设备集成度差，功能单一，只能完成特定的单机测试功能，一旦进行多个子系统的联调实验时，过多的仿真测试设备会使实验的操作过程变得复杂，测试的可靠性也无法得到充分保证。在相机交付卫星总体之前需要进行外场实验，体积过大的测试设备也不利于实验的进行。

本文针对现有空间相机测试手段的不足，结合实际项目需求，以FPGA 为硬件核心，结合VC 监控软件，设计出一种空间相机星务仿真系统。利用FPGA 丰富的I／O 硬件资源，将多种不同的仿真测试功能通过优化融合，由FPGA 统一调度，从而大大简化了硬件电路的接口逻辑。监控软件采用多线程技术［5］有效兼容了3 条总线 （RS485、GPIB、1553B）的通讯接口［6，7］，在确保系统时效性的同时实现了数据共享。系统可对空间相机进行全面的功能测试，提供在轨工作时所需的环境，包括母线电源、GPS时间码、姿态与轨道参数、成像控制、总线指令等，并可实时解析显示相机工况参数，真实地模拟出相机在轨运行时的工作状态。

1 星务仿真系统总体结构

星务仿真系统主要由3部分组成：综合星务仿真地检盒 （以下简称地检盒）、上位机控制单元和供电单元。地检盒用于模拟星上GPS秒脉冲信号、遥控信号、并实时采集相机关键状态遥测量，同时提供与上位机控制单元的通讯接口；上位机控制单元与1553B 总线板卡一起用于模拟星上1553B总线通讯功能，用于仿真卫星平台发送总线指令、相机工况参数采集、成像控制、程序上注等功能；供电单元用于模拟卫星平台给相机子系统提供一次母线电源。系统结构原理如图1所示。

图1 星务仿真系统结构原理

2 系统硬件设计

地检盒是整个系统的硬件基础，包含微处理器模块，遥控信号处理模块、遥测信号处理模块、GPS秒脉冲信号处理模块、GPS秒脉冲时间码通讯模块以及遥控遥测通讯模块。上位机控制单元由一台工控笔记本和星务仿真程序构成，它通过两条RS485串行链路与地检盒连接，一条用于接收地检盒发送GPS整秒时间码，一条用于向地检盒发送遥控指令以及采集遥测参数。供电电源选用的是安捷伦6702A 电源，上位机控制单元通过GPIB 接口控制电源的上、下电操作，同时监控电源的工作状态 （电流与电压值）。1553B总线仿真设备选用的是Excelibur公司的PCMCIA／B板卡，通过笔记本的Express接口与上位机控制单元连接，承担相机与星务仿真系统的总线通信任务。接下来本文将给出地检盒各功能模块的参考电路。

2.1 GPS秒脉冲信号处理模块

GPS秒脉冲是星务仿真系统发送给空间相机，用于相机子系统授时和校时功能，相机提供RS485接口进行连接。地检盒秒脉冲信号由FPGA 时序电路产生，主、备各两路秒脉冲信号，由RS485差分芯片DS26C31TM 将TTL 信号电平转化为RS485电平［8］，将秒脉冲信号差分后发送给空间相机。GPS秒脉冲信号处理电路如图2所示。

图2 GPS秒脉冲信号处理电路

2.2 遥控信号处理模块

遥控信号设计成以OC 门形式输出，用于模拟卫星平台控制相机子系统上下电以及主备份切换操作。相机的指令电源为＋30V，而FPGA 输出的指令脉冲为TTL 电平，为防止OC门击穿或对地短路进，＋30V 指令线电源反灌入FPGA 芯片的I／O 输出端，因此需加在指令脉冲输出端与其负载端 （即相机遥控指令输入端）设计隔离保护电路。本文选用的是TLP521－1光电耦合器件，当输入端为低电平时，其输出端对外呈高阻态，避免了输出端对输入端的影响。具体电路如图3所示。

图3 遥控信号处理电路

由于遥控指令信号对于脉冲宽度有严格要求，因此为了对地检盒实际输出指令脉冲进行监控，需在指令输出端加入脉冲信号检测模块，测量输出脉冲宽度，当OC 门输出端有脉冲信号输出时，上位机控制单元可以通过控制指令查询实际输出的指令脉冲宽度，从而确保实验过程的可靠性。其具体电路如图4所示。

图4 遥控信号检测电路

2.3 遥测信号处理模块

遥测信号是指相机在轨工作期间的关键性工况参数，包括指令电源遥测，DSP 状态遥测等，地检盒遥测信号处理模块需要模拟卫星平台周期性采集相机遥测数据，用于实验过程监控。本文设计的遥测电路处理模块包括前置放大电路和A／D 转换电路 （如图5 所示）。前置放大电路将遥测模拟量放大后送入A／D 转换器转换为数字信号，以便于FPGA 处理。FPGA 周期性读取AD7953输出结果即可实现对相机系统工况参数监控的功能。

图5 遥测信号处理电路

2.4 GPS和遥控遥测通讯模块

GPS秒脉冲时间码通讯模块和遥控遥测通讯模块用于为上位机与地检盒之间提供RS485通讯接口，其实质就是简单的逻辑电平转换。设计时选用的是MAX488 接口处理芯片。仅以GPS通讯模块为例给出参考电路，如图6所示。

图6 GPS通讯模块电路

2.5 上位机控制单元接口说明

安捷伦电源提供了GPIB接口，用于控制电源上下电操作以及监控显示，使用USB－GPIB 转接电缆与电脑连接；1553B总线接口卡是Express接口，可直接与电脑相连；星务仿真地检盒采用USB－RS485转接电缆与电脑连接。充分利用笔记本电脑丰富的USB接口资源，通过硬件接口的巧妙转换，大大简化了系统间接口的复杂性。

3 软件设计

星务仿真系统软件包括微处理器模块FPGA 控制程序和上位机控制单元星务仿真程序。微处理器模块选用Xilinx公司的Virtex XCV300FPGA 芯片，软件开发环境为ISE 8.1，使用VHDL语言编程。FPGA 首先进行上电初始化，用FPGA 中自带的CLKDLL 模块中的clock信号作为复位信号，在上电初始化完成后进行全局复位。全局复位后FPGA 开始工作，主要完成以下4 个任务：①产生主、备共4路GPS硬件秒脉冲信号；②生成GPS整秒时间码，经GPS秒脉冲时间码通讯模块发送至上位机控制单元；③控制遥测信号处理模块周期性采集相机系统的遥测量，并进行存储；④接收上位机控制单元的控制指令，并进行指令解析，生成相应的遥控信号以及GPS秒脉冲选通信号。

具体程序流程如图7所示。

星务仿真程序是基于VC＋＋平台开发的，主要用于为星务仿真系统提供人机交互的界面，实现指令发送与遥测参数解析与显示功能，同时管理整个测试过程中的各种配置参数，实验数据，总线消息，以及指令记录等数据。仿真软件对外提供3个通信接口：RS485，GPIB以及1553B，各接口均采用多线程技术实现并行处理，系统为每个线程分配一个CPU 时间片，由于时间片很小，所以看上去好像是多个线程在同时运行，这样就可以充分保证测试软件的实时性。各线程同时拥有对数据库的访问权限，实现数据共享的同时，能很好地保证CPU 的时效性［9］。

本文采用ADO 数据库访问技术对Access数据库进行读写操作［10，11］。为了避免多个线程同时对同一块共享资源进行操作而导致的数据混乱，利用互斥对象实现线程同间的同步处理。入库数据都会被打上时间戳，一旦测试出现问题，便可用于故障分析与问题定位。程序设计时需在VC＋＋主框架下添加3个通讯接口的驱动程序以及相应的DLL和LIB文件，然后调用相应的库函数来完成不同的通讯任务，具体实现本文不做介绍。图8给出了星务仿真程序的数据流，该图表征了软件的功能架构与数据流向。

4 测试应用与分析

由于星务仿真系统软硬件的高度集成性，硬件接口集中，实验现场组建与维护非常简单，测试过程中设备及设备之间的连接关系如图9所示。

图7 FPGA 软件流程

图8 星务仿真程序数据流

测试时首先对星务仿真系统进行上电初始化：开启上位机，启动星务仿真程序；开启星务仿真地检盒；供电单元初始化设置，为空间相机提供电源。通过星务仿真软件指令发送界面 （如图10所示）可向相机发送遥控指令 （主备切换、上下电）、1553B总线指令 （相机模式设置，成像控制，调焦控制，程序上注等）以及姿态轨道参数和时间码等。仿真程序可通过不同的指令以及参数来为相机提供不同的在轨工作环境 （包括一些故障测试），并实时解析相机工作状态遥测参数，显示在遥测参数显示界面 （如图11所示），实验人员可据此判断相机的工作状态。与此同时，所有进出星务仿真软件的指令、数据都将被印上时间戳存储在数据库中，用于问题分析与故障定位。

图9 星务仿真系统测试

5 结束语

本文针对目前空间相机地面仿真测试设备功能单一，集成度差，无法满足繁琐的测试任务的问题，设计了一种新型的功能完备的星务仿真测试系统，详细说明了系统的硬件组成及设计原理，并给出了部分参考电路，同时给出了软件设计架构与数据流图。

图10 指令、参数发送界面

图11 遥测参数显示界面

系统软硬件经过充分调试，目前已成功应用于某型号空间相机的测试工作中。实践结果表明，本文所设计的星务仿真系统能很好模拟卫星平台与星载相机的数据、指令接口，可对相机不同的在轨工作状态进行综合测试，完全能满足不同测试阶段的测试任务。本文设计的星务仿真系统功能完备，集成度高，能大大降低开发研制不同功能的仿真测试设备的成本，具有广泛的工程应用价值。

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