基于PCI总线的卫星用陀螺仪测试系统设计与实现

路景泽，刘亚斌，张秀磊

（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191）

卫星用惯性敏感器是卫星姿态测量的主要部件，其精度、可靠性等对卫星的正常运行及其重要。因此，对陀螺仪进行完善的室内测试对提高陀螺仪研发生产进度，保障陀螺仪生产质量具有重要意义。为满足卫星用陀螺仪模拟仿真和全自动测试的需求，设计开发了一套基于PCI总线的自动测试系统，该系统配合三轴转台对陀螺组件的准确率、灵敏度等进行测试[2]。

1 系统硬件设计

1.1 总体架构设计

测试设备的逻辑结构框图如图1所示。测试系统大体分为4部分，系统控制单元，信息采集单元，转台控制单元，电源管理单元。系统控制单元主要由一台PCI接口的工控机组成，负责操作电源管理单元，给转台控制单元发送控制信息，给信息采集单元发送采集命令并接收处理信息采集单元采集的转台和产品的速率位置等信息，是整个系统的控制中枢[3]。转台控制单元主要是接收控制单元的控制信息，驱动转台按照控制单元的命令运动，并接收采集单元的指令，将转台的位置速率信息发送给采集单元。信息采集单元主要由转台上的数字卡和模拟卡组成，用于采集转台及陀螺的位置速率等信息[4]。此外，为了保证产品和远端信息采集单元的正常供电还有电源管理单元，电源管理单元由机械开关、电源管理卡、电压电流采集卡、产品供电电源、指令电源等组成，通过机械+程控的方式保证产品合理上电、断电，还可以监测产品的电压电流，如果出现异常情况，马上进行声光报警，并切断电源。

图1 测试设备逻辑结构图

1.2 信息采集单元设计

信息采集单元是放置于转台上的远端采集盒，由嵌入式AD采集卡和嵌入式RS422功能卡组成[5]。主要负责测量产品的陀螺角速率以及多种遥测模拟量数据和转台的三轴角速率信息。信息采集单元是测控系统中最关键的部位，负责几乎所有的测控功能[6]。信息采集单元需要对产品发出的脉冲信号进行计数，并通过串口向转台和产品发送控制命令，并回读转台和产品的相关信息。

1.2.1 嵌入式AD采集卡

嵌入式AD采集卡原理图如图2所示，板卡总体由电压调理电路，AD采集电路，数据处理电路组成，可以采集48路模拟量信号。采集卡首先通过分压电路，对遥测信号进行调理，此过程中要根据产品输出的模拟量大小和产品输出阻抗选择合适的分压电阻，经过分压电路调理后的信号要经过电压跟随器输入到AD采集芯片[7]。AD选用6片ANALOG公司16位精度的AD转换芯片AD7606，每个AD采集芯片有8路AD采集通道，共48路AD采集通道。FPGA读取48路通道的AD数字量，要对这些数据进行排列整理，统一打包，加上帧头、帧类型、校验位等信息，通过串口驱动电路将数据发送给上位机[8]。串口驱动电路由磁耦和422驱动电路组成，使用磁耦将AD采集卡与其他单元隔离，保护产品不会因测控设备不明故障受到损害[9]。

1.2.2 嵌入式RS422功能卡

嵌入式RS422功能卡原理图如图3所示。嵌入式RS422功能卡主要是采集产品发出的422电平形式的脉冲，产生产品测试所需要的422电平的同步脉冲，而且可以通过422接口实现与产品的通讯。此设备要完成多种型号产品的测量工作，因此嵌入式RS422卡可以通过配置命令实现多种通信协议的解析，有极高的灵活性。为了保护产品，在嵌入式RS422功能卡与设备通信链路中间加入了磁耦器件进行隔离，磁耦相对光耦有更高的传输速度和更长的使用寿命，可实现高速的测量需求[10]。远端采集单元放置于转台上，因此对远端采集卡的大小有严格的限制，为简化板卡设计，嵌入式RS422功能卡协议解析实现功能全部由FPGA完成，放弃使用UART协议专用芯片，也提高了FPGA程序的复杂度[11]。

图2 嵌入式AD采集卡原理图

图3 嵌入式RS422功能卡原理图

1.3 测试可靠性设计

测试过程中使用了大型的三轴转台，工作在强电磁干扰的环境下，而且测试线要过多级滑环，信号干扰非常严重。为保证测量的准确性和可靠性，要尽可能减少信号过滑环的通道数量，因此设计了远端调理箱，将数字量和模拟量的测量单元放置到转台上，这样产品的数字信号和模拟信号就可以避免过滑环，远端调理箱再将测量的信号用2路422信号传送到主控单元。这样将原本过滑环的并行传输改为串行传输，极大的提高了数据通讯的稳定性[12]。

张仲平心里暗笑，敢情人家把你当司机了，他不想搭理她，用手示意曾真不要说话，然后假装打着电话：“好好……那不行，行……好好。行，那不行。不是，我的意思是说……好好好，你说你说你先说……”

转台大电机的干扰，滑环的干扰仍然会影响主控单元与远端调理箱的通信，为保证通信可靠，在硬件层面上使用可靠的整形电路和大功率的422驱动芯片，提高422信号抗干扰能力。传输的数据帧采用CRC校验等可靠校验方法，保证数据的可靠无误的传输[13]。

此外，所有的设计都采用了降额设计，设备中所有的器件均采用知名厂家的工业级或者军品级器件。在测试设备内的器件布局上考虑了热设计和电磁兼容性设计，保证系统有效散热；对大功率器件单独安放，数据传输线均采用屏蔽双绞线，所有连接器都选用金属屏蔽壳。

1.4 电磁兼容性和可靠性设计

对系统在特定电磁环境下的工作特性进行论证，研究保证系统稳定工作的可靠性措施，采取屏蔽、隔离、搭接、滤波、接地等防护技术改善系统的电磁兼容性。采用以下工程设计方案和施工方案[14]。

1）采用磁隔技术实现测试设备与产品之间数字信号的电气隔离，保证任一部分的损坏不会伤害到另一部分。

2）高频信号，如远端模拟箱与主控单元通讯的脉冲信号要进行屏蔽和隔离，信号的传输、测量、隔离和屏蔽在电路和结构上专门设计，最终使各类信号相互分离，互不干扰，建立起良好的信号传输环境。

3）对系统硬件进行防静电、防高压、防过流、防辐射等保证人身安全和设备安全的设计。

2 测试软件设计

测试系统的软件部分由开发效率高、维护方便的C#语言编写[15]。测试程序主要由以下几个模块组成：产品测试软件，算法模块、设备自检模块、人机界面、辅助功能等模块组成。算法模块需要根据陀螺的协议内容将测得的数据解算得到需要的角速率等信息，设备自检模块主要用于对测试系统的422数据收发单元，数字量输出等单元进行自检。辅助功能包括软件管理员确认，设备报警等功能。

测试软件的层次结构如图4所示，软件系统分为硬件层、逻辑层和表现层。硬件层程序包括本系统中使用的RS422、7040卡的程序接口函数，是顶层模块操作底层硬件板卡的媒介；逻辑层程序是硬件层和表现层程序之间的过渡，根据上层软件的指令，通过调整硬件层的驱动程序接口，就可以调节送入表现层的数据流信息，还可以接受表现层控制组件的命令，封装功能模块，调用硬件层程序，将表现层的命令转换为硬件层的命令数据格式，下发到硬件层；表现层程序负责总体控制和处理功能，通过调用封装的动态库函数完成对板卡的操作和信息的读取，并进行后续的数据分析处理[16]。

图4 测试软件的层次结构图

本测试软件将系统的功能按照模块划分，每个模块相互独立。层次化和模块化设计的优点是可维护性强，可扩展性高。由于测试要求和测试方案会根据需求变化，这样在不更改硬件设计的情况下，增删软件模块便可以满足用户需求。

3 调试与实验

该测试系统用于某型卫星用陀螺仪测试，主控测试台的控制界面如图5所示。控制三轴转台按照某实际卫星运动曲线运动，设置遥测信号采集频率1 kHz，同步脉冲频率10 kHz，按照同步脉冲周期对陀螺仪发出的差分脉冲进行计数，并同时采集转台的三轴位置信息。上位机处理检测到的差分脉冲数量，将其转化为三轴角速率，并通过对转台的三轴角位置信息进行求导运算，得到角速率信息，进行长时间测量，比较两者数据，计算陀螺仪的测量精度，判断是否符合要求。

图5 主控测试台控制界面

4 结论

该测试系统以具有PCI总线的工控机为基础，由三轴转台，转台控制柜，远端信号采集单元，供电电源，电源管理单元，以及各种信号调理采集卡等外设组成，测试软件采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和可扩展性。该测试系统已用于某型卫星用陀螺仪测试，实际应用表明该测试系统测试准确、稳定可靠，达到了设计要求。

参考文献：

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