陳 昱，王 淼，任海燕，曾 立

(北京航空航天大學(xué)空間與環(huán)境學(xué)院,北京 102206)

1 引言

感應(yīng)式磁力儀SCM(Search Coil Magnetometer)是某試驗(yàn)衛(wèi)星的主要有效載荷之一，用于獲取沿衛(wèi)星軌道10 Hz至20 kHz頻率范圍的低頻交流磁場(chǎng)波形和頻譜信息。在載荷的研制生產(chǎn)過(guò)程中，通常需要配套的地面檢測(cè)系統(tǒng)，用于模擬與衛(wèi)星平臺(tái)的控制總線和數(shù)據(jù)總線接口，為載荷調(diào)試、測(cè)試和定標(biāo)提供支持。例如Demeter衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)[1]、歐空局Silex地面光學(xué)終端測(cè)試平臺(tái)[2]等。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是將儀器輸出的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換、校正和信號(hào)分析等過(guò)程，獲得可供研究人員和用戶直接使用的探測(cè)的物理量及導(dǎo)出量[3,4]。本文基于某試驗(yàn)衛(wèi)星感應(yīng)式磁力儀的外部接口特點(diǎn)設(shè)計(jì)了地面檢測(cè)系統(tǒng)，并根據(jù)載荷的工作模式和探測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用Visual C++調(diào)用Matlab的方法設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件。地面檢測(cè)系統(tǒng)和預(yù)處理軟件用于模擬與衛(wèi)星的控制總線和數(shù)據(jù)總線接口，具有向儀器發(fā)送指令、接收/存儲(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和可視化的功能[5]。

2 星載感應(yīng)式磁力儀介紹

2.1 工作原理

感應(yīng)式磁力儀系統(tǒng)由三軸(X軸、Y軸和Z軸)正交傳感器、電子學(xué)機(jī)箱以及連接電纜組成。為了避免衛(wèi)星平臺(tái)低頻電磁干擾，感應(yīng)式磁力儀傳感器安裝在衛(wèi)星平臺(tái)鉸鏈?zhǔn)缴鞐U的末端，距離衛(wèi)星本體4.5 m。

儀器設(shè)計(jì)基于法拉第電磁感應(yīng)原理，通過(guò)傳感器三軸正交的磁天線測(cè)量空間中變化的磁場(chǎng)矢量三分量，得到的感應(yīng)電壓為：

e=-μappNS(dB/dt)

(1)

其中,e為感應(yīng)電壓，μapp為磁導(dǎo)率，N為磁天線繞線匝數(shù)，S為磁芯截面積，B為感應(yīng)磁場(chǎng)。

感應(yīng)電壓通過(guò)連接電纜傳輸?shù)诫娮訉W(xué)機(jī)箱進(jìn)行信號(hào)放大處理。第一級(jí)為固定倍數(shù)的前置放大，之后信號(hào)通過(guò)模擬濾波得到低頻(頻帶范圍10 Hz～200 Hz)、中頻(頻帶范圍200 Hz～2.2 kHz)和高頻(頻帶范圍1.8 kHz～20 kHz)三路波形信號(hào)。第二級(jí)為自動(dòng)增益控制AGC(Automatic Gain Control)放大，通過(guò)將一級(jí)放大后波形的幅度值與系統(tǒng)設(shè)定的上下限閾值進(jìn)行比較，并將結(jié)果反饋給前置放大器進(jìn)行放大倍數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，使輸出的數(shù)據(jù)幅度保持在一定的測(cè)量范圍。

三軸傳感器探測(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后得到九路波形信號(hào)，不同頻段的信號(hào)被電子學(xué)機(jī)箱的AD(Analog-Digital)芯片以不同的采樣率連續(xù)采集(低頻采樣率1.024 kHz，中頻10.24 kHz，高頻51.2 kHz)，并保存為16位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式。當(dāng)高頻段采集4 096點(diǎn)時(shí)，即根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行模式進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后打包由衛(wèi)星平臺(tái)接口傳輸至地面接收站。某衛(wèi)星選用RS422做為與載荷的數(shù)傳接口，數(shù)傳時(shí)鐘信號(hào)為6 MHz，以達(dá)到高速數(shù)率傳輸功能；星務(wù)平臺(tái)采用CAN(Controller Area Network)總線做為其與載荷的通信紐帶，用于實(shí)現(xiàn)向儀器發(fā)送廣播信號(hào)、控制指令以及遙測(cè)數(shù)據(jù)采集等功能。感應(yīng)式磁力儀設(shè)備系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2.2 工作模式和數(shù)據(jù)產(chǎn)品

星載感應(yīng)式磁力儀具有三種工作模式：詳查、巡查和定標(biāo)。在不同模式下，儀器輸出不同內(nèi)容的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)境內(nèi)上方空間時(shí)，載荷工作進(jìn)入詳查模式工作，此模式下將其采集的低頻帶、中頻帶和高頻帶原始科學(xué)數(shù)據(jù)連同系統(tǒng)參數(shù)(數(shù)據(jù)包序列、儀器電壓及電流監(jiān)測(cè)信號(hào)、當(dāng)前工作模式代碼、三分量增益放大倍數(shù)及8位累加和校驗(yàn)碼等)發(fā)送至地面；當(dāng)衛(wèi)星處于境外地區(qū)時(shí)，載荷進(jìn)入巡查模式，僅需發(fā)送低、中頻和精簡(jiǎn)的高頻頻譜與相位數(shù)據(jù)至地面；定標(biāo)模式則用于儀器自檢，于開機(jī)或由地面主控進(jìn)入，數(shù)據(jù)處理方式與巡查模式一致。儀器根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)指令在三種模式間切換。

巡查和定標(biāo)模式下，為了降低數(shù)據(jù)率需要對(duì)數(shù)據(jù)量最大的高頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)每25包輸出一次幅度平均譜和相位譜。幅度平均譜通過(guò)將每包的高頻帶原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行4 096點(diǎn)快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transformation)，當(dāng)計(jì)數(shù)到第25包時(shí)，對(duì)其幅度譜進(jìn)行平均后，得到分辨率12.5 Hz、包含2 048點(diǎn)譜線的幅度平均譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品：

D25th=(D1+D2+…+D25)/25

(2)

其中,D25th為每25包輸出的幅度平均譜數(shù)據(jù)，D1至D25表示1至25包高頻帶數(shù)據(jù)FFT變換后的幅度譜數(shù)據(jù)。由于后續(xù)科學(xué)研究需要用到相位數(shù)據(jù)，而相位有不可平均性質(zhì)，因此感應(yīng)式磁力儀相位譜數(shù)據(jù)取第25包信號(hào)的相位譜做為相位數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

3 地面檢測(cè)系統(tǒng)及預(yù)處理軟件設(shè)計(jì)

3.1 地面檢測(cè)系統(tǒng)

在載荷的研制過(guò)程中，需要針對(duì)儀器特點(diǎn)，根據(jù)其數(shù)據(jù)端接口設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的地面檢測(cè)設(shè)備，用于在沒(méi)有衛(wèi)星數(shù)傳與星務(wù)分系統(tǒng)的情況下完成設(shè)備的調(diào)試和檢測(cè)等過(guò)程。

感應(yīng)式磁力儀系統(tǒng)地面檢測(cè)設(shè)備選用Xilinx公司的FPGA為主控芯片，分別擴(kuò)展USB、RS422以及CAN為外圍接口，并配置SRAM做為數(shù)據(jù)緩存。CAN總線接口使用SAJ1000，RS422采用DS26F32作為接收芯片，實(shí)現(xiàn)模擬衛(wèi)星平臺(tái)與載荷接口匹配、總線轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。地面檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)USB 2.0接口與上位機(jī)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，選用的是Cypress公司的CY7C系列控制芯片。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件

感應(yīng)式磁力儀發(fā)送的數(shù)據(jù)包中含有不同類型的數(shù)據(jù)信息，且為16位二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)格式，因此數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行重建，以便從中提取各類參數(shù)信息。為了監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行狀態(tài)，軟件需要實(shí)時(shí)顯示圖像和部分參數(shù)信息。此外，在數(shù)據(jù)接收和可視化的過(guò)程中，還具有對(duì)儀器啟動(dòng)、停止及工作模式進(jìn)行切換的能力，同時(shí)軟件還集成了信息統(tǒng)計(jì)和頻譜分析等多種功能。

(1)軟件平臺(tái)。

Matlab被稱為矩陣實(shí)驗(yàn)室，是一款具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、處理以及可視化功能的軟件，其豐富的函數(shù)資源可以為地面檢測(cè)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及顯示提供極大的便利。Visual C++能夠進(jìn)行可視化編程，是一款應(yīng)用廣泛、性能強(qiáng)大的綜合性軟件開發(fā)工具，但是其編寫圖形界面的過(guò)程比較復(fù)雜繁瑣，因此數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件設(shè)計(jì)采用Visual C++調(diào)用Matlab的方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短，融合兩者優(yōu)勢(shì)。

在混合編程方法中，較常用的有：MCC編譯器法、Matcom編譯法和Matlab計(jì)算引擎調(diào)用法[6]。其中，Matcom編譯法使用Mathtools公司推出的Matlab到C++平臺(tái)編譯軟件(Matcom)，將需要調(diào)用的.m文件轉(zhuǎn)換生成對(duì)應(yīng)的C++源代碼，再將此代碼嵌入對(duì)應(yīng)的Visual C++程序中。該方法方便可行，生成的代碼可讀性好，因此本文設(shè)計(jì)選用Matcom編譯法實(shí)現(xiàn)軟件的搭建。嵌入程序的聲明代碼如下：

//在Visual C++中初始化Matlab環(huán)境

initM(MATCOM_VERSION);

//(插入.m文件轉(zhuǎn)換后的C++代碼)

//退出調(diào)用

exitM();

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

為了還原感應(yīng)式磁力儀探測(cè)的真實(shí)感應(yīng)電壓值，地面系統(tǒng)軟件需要對(duì)接收的載荷科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后由載荷AD芯片采集，AD輸入信號(hào)的量程為±10 V，輸出編碼格式如表1所示[7]。

根據(jù)表1說(shuō)明,AD輸入端0 V電壓對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制代碼為00H，正電壓最大值7FH對(duì)應(yīng)輸入電壓為+10 V，負(fù)電壓為補(bǔ)碼表示，即80H對(duì)應(yīng)-10 V輸入電壓。因此,AD前端輸入電壓，即探頭采集信號(hào)放大后電壓值的計(jì)算方法如下：

Dtmp=WH*256+WL;//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制

/*根據(jù)編碼格式判斷數(shù)據(jù)正負(fù)值并根據(jù)AD芯片量程計(jì)算出對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸入電壓值*/

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)任務(wù)規(guī)模較小時(shí)，三種算法在任務(wù)完成時(shí)間上的差距相對(duì)較小，改進(jìn)算法收斂速度更快且更穩(wěn)定.隨著任務(wù)規(guī)模的提升，可以看到改進(jìn)的粒子群算法表現(xiàn)出更為明顯的優(yōu)勢(shì).相比較而言，F(xiàn)IFO算法的迭代次數(shù)比其他算法更大，收斂速度較慢.算法初期，傳統(tǒng)粒子群算法相比FIFO算法具有更好的收斂速度，但后期收斂速度明顯變慢，且無(wú)法跳出局部極值過(guò)早的收斂.隨著任務(wù)數(shù)的提升，改進(jìn)的粒子群算法在總的任務(wù)完成時(shí)間上相比其他算法優(yōu)勢(shì)更為明顯，可以看到通過(guò)慣性權(quán)重優(yōu)化和調(diào)整算子的設(shè)置，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)較好的目標(biāo)區(qū)域的搜索，降低了任務(wù)總時(shí)間，從而在優(yōu)化資源以及合理調(diào)度資源方面具有良好的效果．

ifDtmp>(215-1)

VOUT=(Dtmp-216)/((215-1)×10)

ifDtmp≤(215-1)

VOUT=Dtmp/((215-1)×10)

其中,WH為16進(jìn)制數(shù)據(jù)高8位，WL為16進(jìn)制數(shù)據(jù)低8位，VOUT為計(jì)算所得輸入端電壓值，單位為伏特。

由于探頭采集的感應(yīng)電壓還經(jīng)過(guò)了固定增益和動(dòng)態(tài)增益兩級(jí)放大，因此AD輸入端電壓數(shù)據(jù)還需除以兩級(jí)放大倍數(shù)才能得到原始的感應(yīng)電壓值，即：

Vsensor=VOUT/Afix/AGCn

(3)

其中,Afix為固定增益放大倍數(shù)，AGCn(n=1,2,3)為當(dāng)前分量的動(dòng)態(tài)增益放大倍數(shù)，Vsensor為傳感器探測(cè)的感應(yīng)電壓，即數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件計(jì)算得到并顯示的最終電壓值。

為了觀察信號(hào)的頻域特征，數(shù)據(jù)預(yù)處理還對(duì)高頻帶科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了FFT處理。高頻帶信號(hào)采樣率fs=51.2 kHz，一個(gè)數(shù)據(jù)包中采樣點(diǎn)數(shù)N=4096，由此得到頻率分辨率為fs/N=12.5 Hz，幅度為AOUT=abs(fft(Vsensor[1:4096],4096))/(4096*2)的頻譜圖形。

(3)多線程設(shè)計(jì)。

由于地面檢測(cè)系統(tǒng)連續(xù)不間斷地向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，軟件必須在保證數(shù)據(jù)完整接收的同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整理及可視化等功能，因此設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)接收和圖形實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)并行運(yùn)行的線程。

以高頻段為例，感應(yīng)式磁力儀設(shè)備的采樣率為51.2 kHz，每4 096個(gè)數(shù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)包輸出，如果對(duì)接收的每包數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，則需每80 ms刷新一次圖形。然而,這種高頻率的刷新占用了較多的CPU資源，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)接收線程的執(zhí)行，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，而數(shù)據(jù)接收的完整性必不可少，因此根據(jù)計(jì)算機(jī)的處理能力，設(shè)計(jì)圖形顯示進(jìn)程每間隔一定數(shù)據(jù)包顯示一次。計(jì)算機(jī)的性能越好，則間隔的數(shù)據(jù)包越少，圖形刷新頻率越高，圖形顯示越流暢。

感應(yīng)式磁力儀地面數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件運(yùn)行流程如圖2所示。

Figure 2 Flow chart of data preprocessing圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

上位機(jī)與地面檢測(cè)系統(tǒng)連接后，加電啟動(dòng)時(shí)首先檢測(cè)連接狀態(tài)，并彈出對(duì)應(yīng)連接結(jié)果的提示框。如連接成功，說(shuō)明地面檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備完畢，數(shù)據(jù)傳輸通道連接正常，則彈出數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件界面進(jìn)行后續(xù)操作，軟件主界面如圖3所示。

Figure 3 Interface of data preprocessing software圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件操作界面

軟件界面中，路徑區(qū)選擇接收的數(shù)據(jù)文件保存地址，模式選擇區(qū)用于控制切換載荷的工作模式，通道選擇區(qū)可以選擇需要在實(shí)時(shí)顯示界面觀測(cè)的分量，操作區(qū)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換十進(jìn)制區(qū)用于在非數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對(duì)已接收的數(shù)據(jù)包文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、繪圖和進(jìn)制轉(zhuǎn)換，控制區(qū)則包含開啟或暫停傳輸、顯示切換和FFT處理顯示等功能。

當(dāng)傳輸啟動(dòng)時(shí)會(huì)彈出實(shí)時(shí)圖形可視化界面，界面含有9幅子框圖，分別顯示數(shù)據(jù)預(yù)處理后X、Y、Z軸的低頻、中頻和高頻帶(L、M、H)數(shù)據(jù)圖像，即傳感器探測(cè)的感應(yīng)電壓Vsensor。圖像X軸單位為毫秒(ms)，Y軸單位為毫伏(mV)。通過(guò)切換至FFT譜分析顯示，會(huì)彈出高頻帶數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FFT處理后的頻譜圖形。其中X軸單位為千赫茲(kHz)，Y軸單位為毫伏(mV)。圖形顯示界面如圖4所示。

Figure 4 Real-time graphy interface圖4 實(shí)時(shí)圖形可視化界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)星載感應(yīng)式磁力儀設(shè)備的工作特點(diǎn)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品格式，設(shè)計(jì)了地面檢測(cè)系統(tǒng)及基于Visual C++調(diào)用Matlab編寫的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件。地面檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了連接感應(yīng)式磁力儀載荷及上位機(jī)軟件的功能，預(yù)處理軟件具有在保持接收數(shù)據(jù)完整性的同時(shí)，并行實(shí)時(shí)顯示傳感器三分量多頻帶的數(shù)據(jù)圖形的功能，且能夠切換顯示FFT處理后頻譜圖形，以便對(duì)載探測(cè)的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行直觀判斷。

軟件設(shè)計(jì)通用方便，操作簡(jiǎn)單易用，經(jīng)測(cè)試可用于Windows XP和Windows 7操作系統(tǒng)。目前已經(jīng)過(guò)了衛(wèi)星多個(gè)階段的實(shí)際應(yīng)用，滿足了感應(yīng)式磁力儀設(shè)備地面測(cè)試的需求，為后續(xù)拓展及載荷研制提供了測(cè)試條件。