基于微處理器的載人航天器地面測(cè)試設(shè)備環(huán)境參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張福生，于 峰，張 歡

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著航天科技的迅速發(fā)展，我國(guó)載人航天器類(lèi)型不斷增多，其規(guī)模和功率呈明顯上升趨勢(shì)，與之配套的地面測(cè)試設(shè)備往往具有功率大、散熱要求高、環(huán)境控制要求高等特點(diǎn)[1-2]。在航天領(lǐng)域，測(cè)試技術(shù)水平很大程度上決定了型號(hào)性能的整體水平[3]，測(cè)試結(jié)果的定量、定性驗(yàn)證對(duì)設(shè)計(jì)起到了很大的促進(jìn)作用，而地面設(shè)備穩(wěn)定工作是精確測(cè)試開(kāi)展的前提，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)設(shè)備環(huán)境參數(shù)的有效監(jiān)測(cè)。

目前，對(duì)于地面設(shè)備的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)主要使用通用溫濕度計(jì)測(cè)量、人工記錄的方式開(kāi)展。測(cè)試點(diǎn)只能設(shè)置在視線可及位置，因而不能反映設(shè)備內(nèi)部如功率二極管等關(guān)鍵發(fā)熱元器件的真實(shí)環(huán)境，不利于設(shè)備工作狀態(tài)的趨勢(shì)判讀；當(dāng)發(fā)生極端燒灼現(xiàn)象時(shí)只能靠感官去判讀；具有主觀性，且存在著數(shù)據(jù)記錄實(shí)時(shí)性差，狀態(tài)記錄時(shí)間顆粒度大，無(wú)分析預(yù)警及閉環(huán)控制的缺點(diǎn)。本文提出了一種基于STC89C5X系列單片機(jī)和Arduino單元的遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[4-5]，該系統(tǒng)能夠?qū)囟取穸取熿F濃度等常用環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)回傳、越限報(bào)警，且可以通過(guò)GSM消息形式遠(yuǎn)程預(yù)警[6]，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵器件環(huán)境的自動(dòng)、精細(xì)監(jiān)視，從環(huán)境參數(shù)角度對(duì)航天器綜合測(cè)試起到有效反饋?zhàn)饔谩?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度等環(huán)境參數(shù)具有緩變的特征，對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求不高。系統(tǒng)選用基于單片機(jī)的解決方案，在滿足數(shù)據(jù)處理要求的前提下，可有效縮減系統(tǒng)規(guī)模和開(kāi)發(fā)周期，并降低成本[7-9]。系統(tǒng)由傳感器單元、單片機(jī)處理單元、GSM消息發(fā)送單元、主控計(jì)算機(jī)、用戶(hù)客戶(hù)端5個(gè)部分組成，可實(shí)現(xiàn)8路溫度、濕度、煙霧濃度參數(shù)的同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從主控計(jì)算機(jī)訂閱數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架與各部分的通信關(guān)系如圖1所示。

圖1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)框架圖Fig. 1 Structure of the environmental parameter monitoring system

系統(tǒng)各模塊功能如下：

1）傳感器單元。采集環(huán)境溫度、濕度、煙霧以及越限的報(bào)警指示；傳感器端設(shè)固定卡，通過(guò)15 m電纜與處理單元連接，可根據(jù)用戶(hù)需求固定在包括設(shè)備內(nèi)部在內(nèi)的敏感測(cè)點(diǎn)[10-11]。

2）單片機(jī)處理單元（含網(wǎng)絡(luò)模塊）。驅(qū)動(dòng)8路傳感器單元，并接收傳感器單元數(shù)據(jù)；驅(qū)動(dòng)傳感器單元發(fā)出報(bào)警指示提示用戶(hù)；將數(shù)據(jù)通過(guò)串口協(xié)議和TCP/IP協(xié)議發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)單元；如果數(shù)據(jù)越限，則驅(qū)動(dòng)GSM短信發(fā)送單元發(fā)送短信消息。為便于系統(tǒng)調(diào)試和在網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)下能夠繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了LCD模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在本地LCD1602液晶屏上[12-13]。

3）GSM短信發(fā)送單元。通過(guò)參數(shù)越限后向用戶(hù)發(fā)送短信預(yù)警提示實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視，可增加系統(tǒng)的可靠性，使報(bào)警信息在無(wú)人監(jiān)視的情況下也可通知到用戶(hù)。本模塊作為系統(tǒng)可選模塊，能夠在管理允許的情況下配置進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)人監(jiān)視運(yùn)行。

4）主控計(jì)算機(jī)單元。接收單片機(jī)處理單元（含網(wǎng)絡(luò)模塊）的數(shù)據(jù)，并顯示在主控計(jì)算機(jī)顯示器上，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至用戶(hù)客戶(hù)端單元，如果數(shù)據(jù)越限，則進(jìn)行顏色、聲音報(bào)警。

5）用戶(hù)客戶(hù)端單元。通過(guò)TCP/IP協(xié)議訂閱主控計(jì)算機(jī)單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，并顯示在客戶(hù)端計(jì)算機(jī)的顯示器上，具有曲線監(jiān)視功能——如果數(shù)據(jù)越限，則進(jìn)行顏色、聲音報(bào)警。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 傳感器單元

溫濕度傳感器使用AM2302，該傳感器為數(shù)字式傳感器，其溫度測(cè)量精度為±0.2 ℃、濕度測(cè)量精度為±2%。煙霧濃度采集功能采用MQ2傳感器，該傳感器輸出為模擬量，可探測(cè)煙霧顆粒物占空氣比重范圍10-5～10-2mg/L。

傳感器單元設(shè)計(jì)外圍信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的初步處理和越限報(bào)警。電路設(shè)計(jì)中使用78L05作為穩(wěn)壓芯片，利用555定時(shí)器，分別制作2個(gè)記憶電路，用于溫度、濕度與煙霧傳感器的越限報(bào)警指示，一旦采集數(shù)值越限，將點(diǎn)亮電路中的發(fā)光二極管。選用LM393作電壓比較器，用于判斷煙霧傳感器輸出的模擬電壓是否越限：越限則輸出高電平，否則輸出低電平。

2.2 單片機(jī)處理單元

基于單片機(jī)處理單元的可靠性與擴(kuò)展性，同時(shí)兼顧傳輸速率與測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的匹配，系統(tǒng)采用51單片機(jī)與Arduino單元結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸[14]。

單片機(jī)采集單元的處理器采用STC89C5X系列單片機(jī)；液晶顯示采用LCD1602；3塊8路模擬開(kāi)關(guān)芯片采用CD4051芯片，其中1塊用于采集8路溫濕度信息、另1塊用于采集8路煙霧濃度信息、最后1塊為傳輸溫濕度越限報(bào)警信號(hào)（高電平報(bào)警、低電平正常）；A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0832，該芯片與采集煙霧濃度信息的CD4051相連接，將煙霧傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；與計(jì)算機(jī)串口通信采用MAX232芯片；配8個(gè)RJ11接口，分別與CD4051相連接，最多可以外接8個(gè)傳感器單元。

STC89C5X系列單片機(jī)內(nèi)部程序共有6個(gè)模塊，程序工作流程如圖2所示。

圖2 單片機(jī)程序工作流程Fig. 2 Programming process of the micro controller unit

1）LCD模塊

該模塊有LCD初始化函數(shù)、LCD寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)、LCD寫(xiě)命令函數(shù)、LCD檢測(cè)函數(shù)、LCD延時(shí)函數(shù)、LCD位置顯示函數(shù)、正常顯示界面函數(shù)、報(bào)錯(cuò)顯示界面函數(shù)共8個(gè)函數(shù)。

2）CD4051模塊

該模塊包含1個(gè)函數(shù)，用于驅(qū)動(dòng)CD4051芯片，使其可以導(dǎo)通需要選擇的某一路模擬開(kāi)關(guān)。

3）ADC0832模塊

該模塊有ACD0832延時(shí)函數(shù)和驅(qū)動(dòng)ADC0832工作函數(shù)2個(gè)函數(shù)。

4）ADC2302模塊

該模塊有讀傳感器函數(shù)、讀單個(gè)字節(jié)函數(shù)、顯示溫度函數(shù)、顯示濕度函數(shù)、串口發(fā)送函數(shù)、校驗(yàn)失敗函數(shù)、清空數(shù)據(jù)函數(shù)、傳感器延時(shí)函數(shù)共8個(gè)函數(shù)。

5）GSM模塊

該模塊包含1個(gè)函數(shù)，為AT初始化函數(shù)，發(fā)送AT指令控制GSM模塊進(jìn)行短信發(fā)送。

6）串口輸出模塊

該模塊有串口初始化函數(shù)、串口輸出單個(gè)函數(shù)，串口輸出字符串函數(shù)共3個(gè)函數(shù)。

7）網(wǎng)絡(luò)模塊

采用數(shù)據(jù)傳輸速率高的Arduino開(kāi)發(fā)板和Arduino庫(kù)函數(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，就像是在對(duì)一個(gè)類(lèi)似于物理的計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的連線，所用函數(shù)在龐大的資源庫(kù)中調(diào)用即可[15-16]。網(wǎng)絡(luò)模塊程序流程見(jiàn)圖3。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模塊程序流程Fig. 3 Program process of network module

2.3 GSM信息發(fā)送單元

采用TC35I芯片進(jìn)行短信的發(fā)送，選擇主板型號(hào)為GTM900C的GSM短信發(fā)送模塊，通過(guò)RS232串行接口與單片機(jī)處理單元連接。

2.4 主控計(jì)算機(jī)單元

主控計(jì)算機(jī)可使用地面測(cè)試系統(tǒng)中的普通PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，配置串口和2塊以上網(wǎng)卡。主控軟件界面如圖4所示，可對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并顯示網(wǎng)絡(luò)、串口通信信息。

圖4 上位機(jī)軟件主界面Fig. 4 Host software control panel

主控計(jì)算機(jī)單元軟件采用Visual Studio MFC開(kāi)發(fā)，工作流程如圖5所示，其主要功能如下：

1）主界面功能：包括串口數(shù)據(jù)接收、停止選擇，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、停止選擇，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置選擇，數(shù)據(jù)的顯示。2）串口接收功能：接收單片機(jī)處理單元通過(guò)串口發(fā)送的信息。該功能使用開(kāi)源的CSerialPort實(shí)現(xiàn)。3）網(wǎng)絡(luò)接收功能：使用SOCKET接收網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，由異步SOCKET編程實(shí)現(xiàn)。4）網(wǎng)絡(luò)發(fā)送功能：使用SOCKET向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)，由異步SOCKET編程實(shí)現(xiàn)。5）配置文件讀取功能：讀取配置文件，為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送與接收功能提供默認(rèn)信息；配置文件采用XML文件形式，使用TinyXml進(jìn)行XML文件解析。6）日志生成功能：將接收到的溫度、濕度、煙霧濃度信息存入日志中，以供查看。該功能采用CFile類(lèi)實(shí)現(xiàn)。7）數(shù)據(jù)處理功能：將接收到的數(shù)據(jù)解碼處理，當(dāng)數(shù)據(jù)越限時(shí)發(fā)出報(bào)警顯示提示用戶(hù)，同時(shí)具有報(bào)警解除功能。

2.5 用戶(hù)客戶(hù)端

用戶(hù)客戶(hù)端單元軟件同樣采用Visual Studio MFC開(kāi)發(fā)，具有網(wǎng)絡(luò)接收、顯示、日志生成、數(shù)據(jù)處理、讀取配置文件等功能，設(shè)計(jì)方法同主控軟件。程序讀取配置文件，接收采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)處理生成日志，并用于生成測(cè)試曲線進(jìn)行趨勢(shì)判讀。客戶(hù)端軟件界面如圖6所示，用戶(hù)通過(guò)連接主控機(jī)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)訂閱及實(shí)時(shí)觀測(cè)。

圖6 客戶(hù)端單元軟件界面Fig. 6 Client software control panel

3 系統(tǒng)指標(biāo)與測(cè)試

溫濕度和煙霧濃度的測(cè)量精度以及傳感器響應(yīng)時(shí)間如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)工作指標(biāo)Table 1 Specifications of environmental parameter monitoring system

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，分別開(kāi)展了溫度、濕度、煙霧濃度監(jiān)視與報(bào)警試驗(yàn)。試驗(yàn)初始環(huán)境溫度為21.7 ℃，相對(duì)濕度32.1%，煙霧含量為0 mg/L；分別設(shè)置各參數(shù)報(bào)警閾值為30.0 ℃、75.0%RH、10-3mg/L。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傳感器靠近激勵(lì)源后，系統(tǒng)采集與數(shù)據(jù)回傳正常，濕度和煙感實(shí)施激勵(lì)后立即觸發(fā)報(bào)警，溫度參數(shù)經(jīng)過(guò)一段溫升過(guò)程后成功觸發(fā)報(bào)警，并分別完成短消息發(fā)送。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)載人航天器地面測(cè)試設(shè)備環(huán)境參數(shù)監(jiān)視要求，基于STC89C5X系列單片機(jī)和Arduino單元，提出了一種小型化的遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、煙霧濃度的同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以對(duì)設(shè)備內(nèi)部敏感測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有測(cè)點(diǎn)分布靈活、數(shù)據(jù)連續(xù)可追溯、系統(tǒng)體積小、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。

這種基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)具有良好的移植性，系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)模擬量及數(shù)字量傳感器接入，支持TCP/IP設(shè)備接入，具備多路采集功能。不僅可用于地面設(shè)備環(huán)境測(cè)試與集成，也可以擴(kuò)展至對(duì)航天器不同設(shè)備所處環(huán)境的溫濕度測(cè)量。無(wú)線傳輸模塊為后續(xù)推動(dòng)自動(dòng)化測(cè)試和測(cè)試模式的轉(zhuǎn)型進(jìn)行了技術(shù)積累，便于在機(jī)房等噪聲干擾較大的環(huán)境或人力難以到達(dá)的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與反饋，對(duì)降低人力要求和提高測(cè)試自動(dòng)化程度有很大作用。

（References）

[1]周建平. 我國(guó)空間站工程總體構(gòu)想[J]. 載人航天,2013, 19(2): 1-10 Zhou Jianping. Chinese space station project overall vision[J]. Manned Spaceflight, 2013, 19(2): 1-10

[2]李廷中, 王蓓蓓, 周新順. 航天器電源系統(tǒng)大功率智能配電技術(shù)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2011, 28(6): 511-515 Li Tingzhong, Wang Beibei, Zhou Xinshun. Intelligent power distribution for spacecraft large capacity power system[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2011,28(6): 511-515

[3]張黎明, 孫寧 于慧亮, 等.基于PXI的衛(wèi)星綜合測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2008, 16(1):27-29 Zhang Liming, Sun Ning, Yu Huiliang, et al. Design and implementation of satellite synthesis test system based on PXI[J]. Computer Measurement and Control, 2008,16(1): 27-29

[4]楊繼志, 郭敬. Arduino的互動(dòng)產(chǎn)品平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2012, 12(2): 39-41 Yang Jizhi, Guo Jing. Arduino-based interactive product innovation[J]. Microcontrollers & Embedded Systems,2012, 12(2): 39-41

[5]蔡睿妍. Arduino的互動(dòng)產(chǎn)品平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2012, 20(16): 155-157 Cai Ruiyan. Principle and application of Arduino[J].Electronic Design Engineering, 2012, 20(16): 155-157

[6]楊洋, 沈小青, 柏永斌. 基于 AVR和以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2013,21(2): 418-420 Yang Yang, Shen Xiaoqing, Bo Yongbin. Design of tele-measurement and control system of environment based on AVR and internet[J]. Computer Measurement and Control, 2013, 21(2): 418-420

[7]申強(qiáng), 楊登紅, 李東光. 基于MSP430單片機(jī)的彈道解算方法研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(2):140-143 Shen Qiang, Yang Denghong, Li Dongguang. Trajectroy calculation method based on MPS430 MCU and its implementation[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2011, 31(2): 140-143

[8]代杰, 樊瑜瑾, 張學(xué)麗, 等. 基于單片機(jī)的光電編碼器位置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2011, 19(1):17-19 Dai Jie, Fan Yujin, Zhang Xueli, et al. Design of photoelectric encoder position measuring system based on single-chip[J]. Computer Measurement and Control,2011, 19(1): 17-19

[9]戴光武, 都洪基, 賈磊, 等. 基于 P89LPC952單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009, 37(2): 73-79 Dai Guangwu, Du Hongji, Jia Lei, et al. Motor protection equipment research based on P89LPC952 microcontroller[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(2): 73-79

[10]奚建榮. 基于 51單片機(jī)的多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2009, 32(2): 186-188 Xi Jianrong. Multi-point temperature control system based on 51 single chip computer[J]. Modern Electronics Technique, 2009, 32(2): 186-188

[11]張菁. 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)方案的研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 41(1): 142-144 Zhang Jing. Study on single chip processor temperature control system[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2007, 41(1): 142-144

[12]陳享成, 耿長(zhǎng)青. 基于單片機(jī)的LCD顯示終端設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備, 2007, 27(9): 110-112 Chen Xiangcheng, Di Changqing. LCD terminal design based on single chip[J]. Electric Power Automation Equipment, 2007, 27(9): 110-112

[13]王海霞, 武一. 基于SOPC的LCD顯示模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 液晶與顯示, 2012, 27(4): 508-513 Wang Haixia, Wu Yi. Design and implementation of LCD module based on SOPC[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2012, 27(4): 508-513

[14]賓俊, 艾芳芳, 劉念, 等. 基于Arduino和Python搭建的實(shí)時(shí)在線 pH測(cè)量平臺(tái)[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2013, 30(1): 48-52 Bin Jun, Ai Fangfang, Liu Nian, et al. Instantaneous and online pH measuring platform based on Arduino and Python[J]. Computers and Applied Chemistry, 2013,30(1): 48-52

[15]紀(jì)欣然. 基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的智能尋光小車(chē)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2012, 35(15): 161-163 Ji Xinran. Design of intelligent light-seeking car based on Arduino IDE[J]. Modern Electronics Technique,2012, 35(15): 161-163

[16]崔才豪, 張玉華, 楊樹(shù)財(cái). 利用Arduino控制板的光引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)小車(chē)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化儀表, 2011, 32(9): 5-11 Cui Caihao, Zhang Yuhua, Yang Shucai. Design of the light-guided car by using Arduino control board[J].Process Automation Instrumentation, 2011, 32(9): 5-11