門伯龍 張若林 周 楠

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

1 引 言

供配電測試系統(tǒng)是航天器地面測試過程中的核心測試設(shè)備之一，是衛(wèi)星測試系統(tǒng)的重要組成部分，其主要用途是為航天器供電、向航天器發(fā)送有線指令、進(jìn)行供電參數(shù)測量、接收和監(jiān)視航天器下行有線遙測信號、以及脫落電連接器控制等[1,2]。

其功能歸納起來主要包括：

(1)為整星提供供電功率通路和功率采樣通路，為整星供電及采樣；

(2)采集、監(jiān)視并記錄地面設(shè)備采集到的星上模擬量和狀態(tài)量；

(3)為整星提供有線控制指令，包括有源、無源脈沖指令及開關(guān)量信號；

(4)提供分離脫落控制功能；

(5)進(jìn)行警示燈控制和狀態(tài)監(jiān)視。

傳統(tǒng)的航天器供配電測試系統(tǒng)每套都需要根據(jù)不同航天器的接口要求進(jìn)行定制設(shè)計，其定制性增加了研發(fā)成本、延長了研制周期、降低了設(shè)備的可靠性。本文設(shè)計了一種通用化的供配電測試系統(tǒng)，以主機(jī)-總線-板卡的形式，輔助以轉(zhuǎn)接板，實現(xiàn)原有定制設(shè)備的通用化定型和批量化生產(chǎn)，解決了不同型號需求定義不統(tǒng)一的問題，大大降低了測試設(shè)備的研發(fā)成本，縮短了研制周期并有力保障了型號的進(jìn)度，同時提高了產(chǎn)品的可靠性。

2 傳統(tǒng)供配電測試系統(tǒng)

由于各個型號航天器的功能不同，其器地接口各不相同，為了滿足不同型號的航天器電氣性能要求，傳統(tǒng)的供配電測試設(shè)備一般針對特定航天器研制，測試設(shè)備繁多，體積龐大。系統(tǒng)一般包括：34980A多功能開關(guān)測量單元、信號調(diào)理器、SAS配電器、直流穩(wěn)壓配電器、測試電源、警示燈控制器、等效器等設(shè)備，一般集成在一個機(jī)柜中，所占機(jī)柜高度約為23U以上，并需要配置一臺計算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)集成控制，系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，信號調(diào)理期、配電器、等效器均為定制設(shè)備，開放性和靈活性不夠，很難做到設(shè)備級的通用化，如要應(yīng)用于其他型號還需改造，研制、改造周期長，很難迅速構(gòu)建測試系統(tǒng)[3]。

圖1 供配電測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of power supply and distribution test system

每套供配電測試系統(tǒng)有幾十個至幾百個通路不等，根據(jù)不同航天器的接口要求，每套設(shè)備的通路定義各不相同，因此在每臺航天器電測之前，都需要定制供配電測試系統(tǒng)，進(jìn)行重新設(shè)計、電路板投產(chǎn)和調(diào)試測試等工作。設(shè)備的不可復(fù)制性增加了研發(fā)成本、延長了研制周期，且設(shè)備的不一致性也降低了設(shè)備的可靠性，不利于設(shè)備的批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

但是，目前我國各型號航天器對地面供配電測試系統(tǒng)的需求大部分是穩(wěn)定和一致的，各個型號供配電測試系統(tǒng)不同的原因是功能相近卻通路定義略有區(qū)別，這些微小的區(qū)別使得各型號間的設(shè)備不能互換[4,5]。

3 通用化設(shè)計

為降低供配電測試系統(tǒng)的研發(fā)成本、縮短研制周期，加強(qiáng)設(shè)備的通用性和可互換性，我們在為各個型號研制配套供配電系統(tǒng)的同時，進(jìn)行系統(tǒng)性分析，針對供配電測試系統(tǒng)的多單機(jī)和專用性的不便，考慮各型號對供配電測試系統(tǒng)的典型需求，遵循增強(qiáng)模塊內(nèi)聚性和模塊間松散性的設(shè)計原則，我們將產(chǎn)品朝著模塊化、通用化、小型化的方向設(shè)計[6,7]。

模塊化：新型供配電測試系統(tǒng)采用通用機(jī)箱+板卡式設(shè)計，各功能模塊相對獨立，易于更換和維修；

通用化：采用統(tǒng)一的通用總線和統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立成熟、定型的產(chǎn)品型譜，方便用戶根據(jù)需求選用；

小型化：將信號調(diào)理器、SAS配電器、直流穩(wěn)壓配電器、測試電源、警示燈控制器5臺設(shè)備集成為1臺，占用高度從20U降低為5U，并承擔(dān)了計算機(jī)的功能，無需另行配置計算機(jī)。

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與型譜

秉承模塊化的設(shè)計思想，根據(jù)以往的航天器供配電測試系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計開發(fā)了通用機(jī)箱以及多種功能模塊型譜，覆蓋全部供配電測試系統(tǒng)功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，通用主機(jī)包括總線、嵌入式計算機(jī)、觸摸顯示器、前面板指示燈、以及功能模塊接口。母板上共設(shè)計了8個功能模塊插槽，各功能模塊帶有助拔器，用戶可根據(jù)需求方便的任意更換功能模塊。功能模塊及其技術(shù)指標(biāo)見表1所示。

圖2 供配電測試系統(tǒng)通用化結(jié)構(gòu)Fig.2 Universalized structure of power supply and distribution test system

表1 供配電測試系統(tǒng)模塊型譜

秉承通用化的設(shè)計思想，母板插槽具有統(tǒng)一的接口定義和總線協(xié)議，不同模塊可以在任意位置插接，主機(jī)通過各個模塊上的地址撥碼開關(guān)進(jìn)行區(qū)分。所有功能模塊具有統(tǒng)一的接口和總線協(xié)議，采用雙CPCI的方式與母板連接。前面板的通路定義及LED燈均通過內(nèi)置的前端軟件控制，各個模塊上的通路與前面板LED燈以及軟件通道號的對應(yīng)關(guān)系通過配置文件進(jìn)行寫入，可方便的通過EXCEL修改配置文件實現(xiàn)通路的更換，無需更改硬件配置，更無需重新設(shè)計電路板，實現(xiàn)了通用化設(shè)計。

在指令控制發(fā)送和模擬量采集中，一些型號習(xí)慣使用Keysight 34980A多功能開關(guān)測量單元進(jìn)行控制和采集，另外一些型號直接使用專用設(shè)備進(jìn)行控制和采集。根據(jù)不同型號的使用習(xí)慣，通用供配電測試系統(tǒng)提供兩種版本的控制采集方式，在控制模塊中引入外接34980控制接口同時也可采用FPGA直接發(fā)送指令，在采集模塊中引出外接34980采集接口同時也使用AD進(jìn)行電壓采集，兼容了34980與內(nèi)置的控制采集功能，拓展了通用化能力。

3.2 轉(zhuǎn)接板

由于各個型號航天器對于地面供配電系統(tǒng)的接口要求并不一致，而通用化的供配電測試系統(tǒng)對外接口是確定的，雖然可以滿足各個型號的指標(biāo)要求，但無法直接進(jìn)行連接。為此，在型號測試之前，需要單獨定制轉(zhuǎn)接電纜，但轉(zhuǎn)接電纜存在著連接器多、線纜復(fù)雜、非固定、易損壞等劣勢，因此我們在通用化設(shè)計中設(shè)計了電纜轉(zhuǎn)接板，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，固定式轉(zhuǎn)接板一端安裝在機(jī)柜后面板上，其連接器用于插接器地電纜，轉(zhuǎn)接的工作在轉(zhuǎn)接板內(nèi)部完成，引出若干電纜并采用懸浮式連接器，用于與通用設(shè)備相連接。

圖3 轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch map of pinboard structure

在航天器測試前，根據(jù)型號接口節(jié)點表，修改或重新生產(chǎn)轉(zhuǎn)接板，系統(tǒng)集成時將轉(zhuǎn)接板固定于機(jī)柜上，懸浮連接器直接插接到設(shè)備相應(yīng)端口中，轉(zhuǎn)接板上的連接器與器地電纜進(jìn)行插接，即可完成系統(tǒng)集成工作，解決了各型號接口不一致的問題，大幅提高了工作效率。

3.3 前端軟件

產(chǎn)品的數(shù)字部分硬件采用嵌入式計算機(jī)——單片機(jī)——FPGA結(jié)合的方式。嵌入式計算機(jī)負(fù)責(zé)運行前端軟件，與用戶進(jìn)行交互；單片機(jī)位于母板上，負(fù)責(zé)處理嵌入式計算機(jī)的消息，并管理各個功能模塊的地址；每個模塊賦予一個硬件地址，并使用FPGA管理板卡上的各條通路。

在設(shè)備使用過程中，單片機(jī)根據(jù)前端軟件的指令，尋找相應(yīng)地址的功能模塊并對其FPGA發(fā)送指令。反之，各功能模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)由FPGA發(fā)送至母板單片機(jī)，再由單片機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給前端軟件。這樣實現(xiàn)了軟件通用化，針對不同型號的通路定義編號，用戶只需配置軟件對應(yīng)關(guān)系，將硬件通路與軟件顯示和前面板指示燈通過配置文件對應(yīng)，即可實現(xiàn)軟件通用化，無需更改電路設(shè)計和更換功能模塊。

軟件的界面如下圖，分為有線指令、配電控制、模擬量測量、狀態(tài)量監(jiān)測和分離脫落控制幾個部分，適合用戶觸摸控制，并集成了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制處理模塊，無需另行配置計算機(jī)，即可完成全部航天器供配電測試工作。

3.4 等效器

供配電等效器作為驗證供配電測試系統(tǒng)、進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、確認(rèn)地面系統(tǒng)狀態(tài)的重要設(shè)備，需要模擬等效航天器的接口和內(nèi)部供電原理，由于各個航天器的接口不可能統(tǒng)一，所以各個型號的供配電等效器也均為定制設(shè)計。

新型供配電等效器的設(shè)計與供配電測試系統(tǒng)一致，采用機(jī)箱-板卡式架構(gòu)，采用與供配電測試系統(tǒng)完全一致的通用機(jī)箱，含嵌入式計算機(jī)、母板和總線、機(jī)箱、前面板、液晶屏等，并配有通用的等效板卡模塊。等效板卡模塊主要包括指令等效功能、配電等效功能和測量等效功能，其通路性能和數(shù)量覆蓋了絕大多數(shù)型號的供配電等效需求。

用戶在供配電測試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)使用過程中，僅需要將等效模塊接入機(jī)箱中，再使用專用的轉(zhuǎn)接電纜連接即可進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試。供配電等效器采用與供配電測試系統(tǒng)通用的機(jī)箱和總線設(shè)計，可互為備份使用。

3.5 優(yōu)勢與創(chuàng)新點

(1)該系統(tǒng)將以往的定制式供配電測試系統(tǒng)經(jīng)重新設(shè)計，成為通用的機(jī)箱+功能模塊板卡組合的形式，滿足絕大部分型號需求，使一套供配電測試系統(tǒng)可以通用到各個型號中，每個型號無需定制新設(shè)備，可以直接進(jìn)行量產(chǎn)。

(2)將以往的多單機(jī)型供配電測試系統(tǒng)改為板卡型，板卡具有統(tǒng)一的總線，各個功能模塊板卡具有統(tǒng)一的接口，可在母板上自由插接，通過撥碼開關(guān)確定地址，增強(qiáng)了通用性和互換性，為后續(xù)型譜拓展奠定了基礎(chǔ)，同時避免了重復(fù)的接口設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

(3) 集成了嵌入式計算機(jī)，運行供配電前端軟件，可通過軟件配置各個通道的定義，無需硬件改型即可靈活配置通道與軟件和指示燈的對應(yīng)關(guān)系。實現(xiàn)觸屏操作和遠(yuǎn)程控制，無需另行配置計算機(jī)，整套設(shè)備由原來的20U設(shè)備+計算機(jī)縮減為5U單機(jī)設(shè)備。

(4)供配電等效器與供配電測試系統(tǒng)同等設(shè)計，將以往每款航天器的定制等效器也進(jìn)行通用化設(shè)計，實現(xiàn)多型號通用的等效器。并可與供配電測試系統(tǒng)共用機(jī)箱，可互為備份。

4 系統(tǒng)可靠性

4.1 可靠性設(shè)計與驗證

作為航天器測試系統(tǒng)，其高可靠性是產(chǎn)品的必要條件。系統(tǒng)機(jī)箱結(jié)構(gòu)采用PCB插接連接形式時，采取有效固定措施，保護(hù)接插件和PCB板的安全，系統(tǒng)中的接插件通過額定電流進(jìn)行不低于50%的降額設(shè)計。

為驗證系統(tǒng)的可靠性，對系統(tǒng)進(jìn)行了240個小時的系統(tǒng)級老化試驗，老化試驗過程中，系統(tǒng)將在滿功率狀態(tài)下連續(xù)工作，試驗人員每24小時進(jìn)行兩次功能檢查，每小時檢查系統(tǒng)狀態(tài)，每6小時記錄溫濕度。試驗過程中的設(shè)備負(fù)載采用額定功率為1.6kW的Agilent電子負(fù)載N3300。試驗部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)老化試驗記錄Tab.2 Record of system ging test

通過試驗數(shù)據(jù)分析可得，經(jīng)過240小時的老化試驗，系統(tǒng)功能運行正常，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定。

系統(tǒng)通過老化試驗測試后，使用專用包裝箱進(jìn)行包裝，裝載于載重為1.5噸的奧鈴貨車，在2級公路上進(jìn)行連續(xù)運輸200km的公路運輸試驗。完成運輸里程后，進(jìn)行外觀及系統(tǒng)功能檢查，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)運輸試驗記錄Tab.3 Record of transportation test

試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在經(jīng)過200km公路運輸后，包裝完整，系統(tǒng)功能運行正常。

4.2 可測試性

系統(tǒng)中的適配器與等效器均采用機(jī)箱-板卡式設(shè)計，機(jī)箱提供總線、電源與用戶交互接口，板卡實現(xiàn)具體功能，各板卡相對獨立，便于故障隔離；設(shè)計遵循增強(qiáng)模塊內(nèi)聚性和模塊間松散性的原則，板卡接口僅2個CPCI連接器，并配有助拔器和軌道，維修和替換時，無需進(jìn)行焊接等操作，可直接進(jìn)行插拔；各個子板均設(shè)計有電源輸入點和測試點，允許進(jìn)行單板測試。

4.3 安全性設(shè)計

系統(tǒng)中的電源子板的后面板上設(shè)計有接地柱，220V電源地通過連線接到接地柱，保證整機(jī)機(jī)殼接地；電源模塊的每一路輸出都有過壓、過流保護(hù)措施，每個電源都有輸出防倒灌防護(hù)，電源模塊的任何一路輸出發(fā)生過壓、過流時能夠自動切斷此路的輸出，當(dāng)過壓、過流等故障因素消失后再重新啟動電源時可以恢復(fù)正常供電。除電源子板和分離子板外，其它子板均無220V電源，涉及的最高電壓為36V，處于人體安全電壓。

5 結(jié)束語

新型通用化供配電測試系統(tǒng)的應(yīng)用顛覆了以往每個型號都重新定制設(shè)備的形式，縮短了型號測試設(shè)備的研制周期，極大的提高了型號科研生產(chǎn)效率。通用化設(shè)計使得其可以定型批量生產(chǎn)，無需后續(xù)為每個型號再次研發(fā)，降低了研發(fā)成本和人力成本，降低設(shè)計錯誤率，提高了產(chǎn)品的可靠性。統(tǒng)一的型譜和通用的平臺，使供配電測試系統(tǒng)在各個型號都可以得到應(yīng)用，有助于產(chǎn)品形象的打造，同時為建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

目前，新型通用化供配電測試系統(tǒng)已成功應(yīng)用在了多種衛(wèi)星、火星探測器、載人飛船等多個航天器的測試工作中，大幅縮短了設(shè)備研制周期，有力保障了型號進(jìn)度，提高了設(shè)備可靠性。未來隨著型譜的不斷豐富和航天器型號的深入應(yīng)用，將有著更廣闊的應(yīng)用前景。