上電時(shí)間對(duì)衛(wèi)星單機(jī)設(shè)計(jì)的影響分析

錢(qián) 威，張國(guó)勇，董 房，徐錫杰，盧 丹

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

?

上電時(shí)間對(duì)衛(wèi)星單機(jī)設(shè)計(jì)的影響分析

錢(qián) 威，張國(guó)勇，董 房，徐錫杰，盧 丹

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

摘要：衛(wèi)星整星測(cè)試時(shí)系統(tǒng)接口多，供電環(huán)境復(fù)雜，工作時(shí)需要嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)控制。文章結(jié)合典型故障案例進(jìn)行了上電時(shí)間對(duì)單機(jī)設(shè)計(jì)、工作的影響分析，發(fā)現(xiàn)2類(lèi)常見(jiàn)的異常現(xiàn)象：1）上電欠壓引起的狀態(tài)不可確定問(wèn)題；2）上電時(shí)序不合理造成的單機(jī)數(shù)據(jù)異常問(wèn)題。最后給出實(shí)用的排查方法供工程設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；上電時(shí)間；故障樹(shù)分析；整星測(cè)試

0 引言

為實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星穩(wěn)定可靠控制，目前各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大量采用單片機(jī)和FPGA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換和控制功能[1-3]。由于衛(wèi)星分系統(tǒng)間接口種類(lèi)多、工作時(shí)序要求高，整星測(cè)試環(huán)境與分系統(tǒng)單機(jī)單獨(dú)測(cè)試環(huán)境差異大，導(dǎo)致地面整星測(cè)試中暴露出許多由于上電時(shí)間問(wèn)題引起的測(cè)試故障。

星地?zé)o線通道中，測(cè)控分系統(tǒng)與地面測(cè)控網(wǎng)一起完成對(duì)衛(wèi)星的跟蹤測(cè)軌、遙測(cè)和遙控功能；數(shù)傳分系統(tǒng)接收載荷儀器探測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后將射頻信號(hào)可靠地傳輸?shù)降孛妫呤切l(wèi)星平臺(tái)重要組成部分，與其他分系統(tǒng)接口最為密切。鑒于測(cè)控分系統(tǒng)的重要性，單機(jī)大都采用冗余設(shè)計(jì)并對(duì)脈沖波形有嚴(yán)格要求。同時(shí)數(shù)傳分系統(tǒng)為滿足高碼率傳輸需要采用高速數(shù)據(jù)處理器FPGA、高速固態(tài)存儲(chǔ)器，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)指令執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行順序也有嚴(yán)格要求。

本文結(jié)合測(cè)控和數(shù)傳分系統(tǒng)的2個(gè)典型故障分析上電時(shí)間對(duì)衛(wèi)星單機(jī)設(shè)計(jì)的影響，并對(duì)上電測(cè)試異常現(xiàn)象及其原因進(jìn)行分析與總結(jié)。

1 上電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)單機(jī)的影響分析

1.1異常現(xiàn)象

在某衛(wèi)星整星電測(cè)試期間，發(fā)現(xiàn)測(cè)控分系統(tǒng)遙控終端乙機(jī)數(shù)據(jù)保護(hù)模塊上電初始遙測(cè)異常，單機(jī)大部分遙測(cè)異常；發(fā)送復(fù)位指令后，乙機(jī)數(shù)據(jù)保護(hù)模塊遙測(cè)恢復(fù)正常。

1.2故障樹(shù)分析

遙控終端研制從開(kāi)始調(diào)試到裝星測(cè)試階段，各項(xiàng)試驗(yàn)加/斷電數(shù)百次，沒(méi)有發(fā)生過(guò)遙測(cè)初態(tài)異常的現(xiàn)象，鑒定星在整星測(cè)試過(guò)程中發(fā)生的一次乙機(jī)數(shù)據(jù)保護(hù)模塊上電初始遙測(cè)異常，可能是由于整星上電電源特性[4]不同于單機(jī)獨(dú)立供電電源特性引起，外部因素可能性較大。故障樹(shù)如圖1所示[5-7]。

圖1　遙控終端乙機(jī)數(shù)據(jù)保護(hù)模塊上電初始遙測(cè)異常故障樹(shù)Fig. 1 The fault tree of the abnormal initiation for the Terminal B’s data protection module

1.3影響分析

整星上電時(shí)示波器采樣給出的波形如圖2所示，電源電壓在16V左右有大約70ms的過(guò)渡時(shí)間；單機(jī)單獨(dú)測(cè)試采用獨(dú)立供電時(shí)，電壓16V的過(guò)渡時(shí)間約為4ms，而電壓16V的過(guò)渡時(shí)間會(huì)影響單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)間的寬度。單片機(jī)在上電復(fù)位過(guò)程中，器件的內(nèi)部RAM、內(nèi)部特殊寄存器、對(duì)外管腳需要進(jìn)行配置，如果單片機(jī)上電過(guò)程中復(fù)位端的復(fù)位時(shí)間過(guò)短，可能會(huì)造成單片機(jī)上電復(fù)位后，器件的內(nèi)部配置沒(méi)有達(dá)到最后穩(wěn)定，引起上電遙測(cè)異常。經(jīng)過(guò)查詢，單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)間一般要求大于20ms，整星上電波形斜率不應(yīng)小于170V/s，上電過(guò)程不能產(chǎn)生DC輸出振蕩。

圖2　整星電源上電波形Fig. 2 The waveform of the satellite power-up

圖3所示電路中54AC00芯片為兩輸入與非門(mén)；40106芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)反相功能；80C32單片機(jī)用于數(shù)據(jù)保護(hù)模塊的控制，工作前需要進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位信號(hào)為高電平且保持一定時(shí)間。電源上電時(shí)，復(fù)位電路是通過(guò)電阻電容積分電路來(lái)控制復(fù)位端復(fù)位時(shí)間寬度的。一般情況下，DC/DC輸出電壓剛建立時(shí)，由于電容C14兩端的電壓不能突變，須從0V開(kāi)始充電；80C32器件的9腳剛上電時(shí)為高電平，當(dāng)電容C14兩端的電壓上升到40106器件的高電平有效值時(shí)，80C32器件的9腳為低電平，單片機(jī)開(kāi)始工作，設(shè)計(jì)復(fù)位時(shí)間為80 ms。

圖3　數(shù)據(jù)保護(hù)模塊上電復(fù)位電路Fig. 3 The power-up reset circuit of the data protection module

如果電壓16V的過(guò)渡時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)電源剛上升到16V時(shí)，DC/DC輸出5V電壓，同時(shí)電容C14 從0V開(kāi)始充電；當(dāng)C14兩端的電壓上升到40106器件的高電平有效值時(shí)，80C32的RESET管腳由此前的高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥?fù)位過(guò)程結(jié)束，80C32單片機(jī)開(kāi)始工作。但是這一過(guò)程中，DC/DC可能會(huì)發(fā)生掉電再加電現(xiàn)象，也就是DC輸出振蕩，造成單片機(jī)再次復(fù)位：當(dāng)單片機(jī)掉電時(shí)，C14上的電荷開(kāi)始放電，使C14上的電壓下降，當(dāng)下降到不能滿足40106器件的高電平有效值時(shí)，16V振蕩期內(nèi)80C32單片機(jī)開(kāi)始重新復(fù)位；當(dāng)單片機(jī)再次加電時(shí)，由于C14本來(lái)有電荷，使得C14的起始充電電壓不是0V，故而其電壓上升到40106器件的高電平有效值的時(shí)間變短，80C32器件的復(fù)位端的脈沖也同時(shí)變窄，最終導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位時(shí)間不足。

2 上電時(shí)間、時(shí)序不合理對(duì)單機(jī)的影響分析

2.1異常現(xiàn)象

某遙感衛(wèi)星進(jìn)行載荷1次開(kāi)機(jī)多次工作測(cè)試時(shí)[8]，除第1次工作數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)不能恢復(fù)。

經(jīng)過(guò)初步分析，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)有如下特征：

1）2次工作數(shù)據(jù)相接部分有數(shù)傳半幀出現(xiàn)；

2）2次工作數(shù)據(jù)相接部分插入3幀全零幀；

3）2次工作數(shù)據(jù)相接部分?jǐn)?shù)傳幀計(jì)數(shù)回頭；

4）2個(gè)通道均發(fā)生錯(cuò)誤；

5）地面數(shù)傳服務(wù)器遇到全零幀和幀計(jì)數(shù)回頭時(shí)引起處理異常，導(dǎo)致2個(gè)通道后續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)位，載荷無(wú)法合成數(shù)據(jù)。

2.2故障樹(shù)分析

考慮可能引起數(shù)傳全零幀和數(shù)據(jù)錯(cuò)位的原因，建立故障樹(shù)如圖4所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，地面設(shè)備驗(yàn)證、指令時(shí)序調(diào)整可以將X1、X2、X3、X5、X6原因排除。數(shù)據(jù)處理器有產(chǎn)生全零幀以及幀計(jì)數(shù)變大的可能，但該故障現(xiàn)象需要半幀數(shù)據(jù)作為觸發(fā)條件，而開(kāi)機(jī)時(shí)序控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致固存數(shù)據(jù)讀出時(shí)產(chǎn)生半幀，因此基帶接口X4不能排除。

圖4　載荷多次記錄數(shù)據(jù)不能恢復(fù)故障樹(shù)Fig. 4 The fault tree of non-recovery for the recorded payload data

2.3影響分析

記錄、回放模式控制流如圖5所示。

圖5　記錄控制流Fig. 5 The flowchart of the record time control

數(shù)據(jù)處理器的AOS單元接收載荷數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式編排后輸出給固存，輸入輸出共用1個(gè)64kByte（相當(dāng)于64數(shù)傳幀）的緩存。數(shù)據(jù)處理器輸出至固存的接口如圖6所示。

固存接收到“固存寫(xiě)”指令后，當(dāng)Flag信號(hào)有效時(shí)記錄數(shù)據(jù)，首先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸入緩存，該緩存大小為24MByte（相當(dāng)于24576數(shù)傳幀），當(dāng)記滿24MByte數(shù)據(jù)時(shí)將緩存數(shù)據(jù)寫(xiě)入固存的存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)固存接收到“寫(xiě)停”指令后，停止向存儲(chǔ)區(qū)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，同時(shí)清空輸入緩存中的數(shù)據(jù)。

圖6　數(shù)據(jù)處理器輸出至固存信號(hào)時(shí)序Fig. 6 The timing signals of data processor’s output to the solid state memory

根據(jù)上述數(shù)據(jù)流和控制流可知，第1次工作時(shí)數(shù)據(jù)處理器開(kāi)機(jī)2s后“固存寫(xiě)”指令發(fā)出，此時(shí)數(shù)據(jù)處理器在加載FPGA[9-10]，輸出接口的Flag處于不受控狀態(tài)，固存根據(jù)Flag信號(hào)將記錄0.5s（理論值）的廢數(shù)據(jù)。由于固存讀完第1個(gè)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)后立即輸出第2個(gè)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)容，在2次記錄數(shù)據(jù)連接處有半幀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理器在收到半幀數(shù)據(jù)后啟動(dòng)3幀保護(hù)機(jī)制，退出碼鎖定狀態(tài)，寫(xiě)指針復(fù)位，導(dǎo)致2.1節(jié)所述現(xiàn)象的發(fā)生。

在后續(xù)測(cè)試中，將數(shù)據(jù)處理器開(kāi)機(jī)和“固存寫(xiě)”指令間隔拉大到4s后，未發(fā)生故障。

以出現(xiàn)該故障的數(shù)傳分系統(tǒng)為例，數(shù)傳下位機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理器開(kāi)機(jī)時(shí)間誤差≤1.2s，數(shù)據(jù)處理器FPGA加載時(shí)間≤2.5s，“固存寫(xiě)”指令發(fā)出最大提前0.5 s，將“固存寫(xiě)”指令放在數(shù)據(jù)處理器開(kāi)機(jī)后至少4.2s（1.2s+2.5s+0.5s）是合理的設(shè)計(jì)。根據(jù)該衛(wèi)星工程實(shí)際，該值取為大于4.5s且小于6 s是合理可行的，其他型號(hào)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)產(chǎn)品采用的具體芯片合理規(guī)劃單機(jī)執(zhí)行時(shí)序。

3 結(jié)果與討論

由于整星測(cè)試環(huán)境接口復(fù)雜[11]，單機(jī)工作易受外界干擾，如出現(xiàn)單機(jī)研制階段沒(méi)有出現(xiàn)的問(wèn)題或故障，考慮由接口或工作時(shí)序?qū)е鹿收习l(fā)生的概率較大。衛(wèi)星由上電時(shí)間問(wèn)題導(dǎo)致的故障大致分為2類(lèi)：1）由于電源功率供給不足導(dǎo)致單機(jī)工作在欠壓狀態(tài)引起異常；2）由于各電路開(kāi)機(jī)時(shí)序不合理造成單機(jī)工作異常。分析流程如圖7所示。

圖7　上電異常排查流程Fig. 7 The flowchart of power-up anomaly investigation

單機(jī)加電過(guò)程中可能出現(xiàn)明顯異常，也可能異常被掩蓋但是會(huì)繼續(xù)影響后續(xù)功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，特別是在采用單片機(jī)或者FPGA實(shí)現(xiàn)控制功能且接口脈沖要求高、工作時(shí)序嚴(yán)格的情況下，如果能明確定位由于上電時(shí)間引起異常，可以按照上述方法排查；如果異常不明顯，可以采用故障樹(shù)分析法，逐步排查干擾因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星研制過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)由上電時(shí)間問(wèn)題導(dǎo)致的單機(jī)工作異常，本文結(jié)合典型故障案例進(jìn)行了上電時(shí)間對(duì)單機(jī)設(shè)計(jì)、工作的影響分析，發(fā)現(xiàn)2類(lèi)常見(jiàn)的由上電時(shí)間引起的異常現(xiàn)象并給出實(shí)用的排查方法，以期為工程設(shè)計(jì)人員提供解決思路。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Li Dianwei, Ma Yongkui. Pulse shaping based on FPGA and high speed DAC[J]. 電子器件, 2009, 32(3): 662-667

[2] Analog Devices Inc. Datasheet. 10-/12-/14-Bit, 1200 MSPS DACS AD9734/AD9735/AD9736[DB/OL]. Analog Devices Inc, [2010-10-13]. http://www.analog. com/cn/products/digital-to-analog

[3] 龐龍, 陳禾. 基于FPGA的數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2010, 33(14): 190-192 Pang Long, Chen He. Implementation of digital pulse compression system based on FPGA[J]. Modern Electronics Technique, 2010, 33(4): 190-192

[4] 任亮, 李鴻飛, 楊楓, 等. 航天器電源母線紋波測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2014, 24(2): 208-211 Ren Liang, Li Hongfei, Yang Feng, et al. Design of the spacecraft power bus ripple measurement system[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 24(2): 208-211

[5] 黃旭峰. 拋物面天線接收時(shí)延抖動(dòng)分析和對(duì)策[J]. 無(wú)線電通信技術(shù), 2014, 40(3): 51-54 Huang Xufeng. Analysis on time-delay jitter from parabolic antenna and its countermeasures[J]. Radio Communications Technology, 2014, 40(3): 51-54

[6] 單長(zhǎng)勝, 李于衡, 王荔斌. 在軌衛(wèi)星異常報(bào)警和故障診斷方法研究[J]. 飛行器測(cè)控學(xué)報(bào), 2011, 30(3): 6-10 Shan Changsheng, Li Yuheng, Wang Libin. Study on methods of abnormal alarm and fault diagnosis for in-orbit satellites[J]. Journal of Spacecraft TT&C Technology, 2011, 30(3): 6-10

[7] 安金坤, 田林, 趙建賀. 航天器地面無(wú)線測(cè)試鏈路中斷現(xiàn)象分析[J]. 航天器環(huán)境工程, 2014, 31(6): 660-662 An Jinkun, Tian Lin, Zhao Jianhe. The outage phenomenon of spacecraft in ground wireless test link[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(6): 660-662

[8] 尹奎英. 載荷圖像處理及地面目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究[D].西安: 西安電子科技大學(xué), 2011: 23-40

[9] Liu Xue, Deng Qingxu, Wang Zeke. Design and FPGA implementation of high-speed, fixed-latency serial transceivers[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2014, 61(1): 1847-1850

[10] 胡洪凱, 施蕾, 董暘暘, 等. SRAM型FPGA空間應(yīng)用的抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2014, 31(5): 510-514 Hu Hongkai, Shi Lei, Dong Yangyang, et al. SEU-tolerant design for SRAM based FPGA on spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(5): 510-514

[11] 汪靜, 陽(yáng)彪, 劉艷麗, 等. 航天器低壓差分信號(hào)線束的電磁兼容性分析[J]. 航天器環(huán)境工程, 2014, 31(1): 97-101 Wang Jing, Yang Biao, Liu Yanli, et al. Electromagnetic compatibility of spacecraft low-voltage differential signaling bundle[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(1): 97-101

（編輯：馮 妍）

The influence of power-up time on satellite design

Qian Wei, Zhang Guoyong, Dong Fang, Xu Xijie, Lu Dan
(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China)

Abstract:Because of the multiple interfaces and the complex power supply condition, the strict time sequence control is needed when the satellite is being tested. In this paper, the impact of power-up time on the satellite is analyzed combined with typical trouble cases, then two common types of abnormal phenomena caused by it are found: 1) the undetermined states caused by the insufficient power supply, 2) the abnormal data caused by the power-up time sequence. Finally, a practical check method is suggested for engineering designers.

Key words:satellites; power-up time; fault tree analysis; system-level test

作者簡(jiǎn)介：錢(qián) 威（1986—），男，碩士學(xué)位，主要從事航天器綜合測(cè)試研究。E-mail: 274240216@qq.com。

基金項(xiàng)目：衛(wèi)星型號(hào)專(zhuān)項(xiàng)支持

收稿日期：2015-05-28；修回日期：2016-01-21

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.014

中圖分類(lèi)號(hào)：V416.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-1379(2016)01-0082-04