星載感應式磁力儀地面檢測系統及數據預處理軟件設計*

陳 昱，王 淼，任海燕，曾 立

(北京航空航天大學空間與環境學院,北京 102206)

1 引言

感應式磁力儀SCM(Search Coil Magnetometer)是某試驗衛星的主要有效載荷之一，用于獲取沿衛星軌道10 Hz至20 kHz頻率范圍的低頻交流磁場波形和頻譜信息。在載荷的研制生產過程中，通常需要配套的地面檢測系統，用于模擬與衛星平臺的控制總線和數據總線接口，為載荷調試、測試和定標提供支持。例如Demeter衛星地面應用系統[1]、歐空局Silex地面光學終端測試平臺[2]等。數據預處理的目的是將儀器輸出的二進制原始數據通過轉換、校正和信號分析等過程，獲得可供研究人員和用戶直接使用的探測的物理量及導出量[3,4]。本文基于某試驗衛星感應式磁力儀的外部接口特點設計了地面檢測系統，并根據載荷的工作模式和探測數據特點，采用Visual C++調用Matlab的方法設計了數據預處理軟件。地面檢測系統和預處理軟件用于模擬與衛星的控制總線和數據總線接口，具有向儀器發送指令、接收/存儲科學數據、數據處理和可視化的功能[5]。

2 星載感應式磁力儀介紹

2.1 工作原理

感應式磁力儀系統由三軸(X軸、Y軸和Z軸)正交傳感器、電子學機箱以及連接電纜組成。為了避免衛星平臺低頻電磁干擾，感應式磁力儀傳感器安裝在衛星平臺鉸鏈式伸桿的末端，距離衛星本體4.5 m。

儀器設計基于法拉第電磁感應原理，通過傳感器三軸正交的磁天線測量空間中變化的磁場矢量三分量，得到的感應電壓為：

e=-μappNS(dB/dt)

(1)

其中,e為感應電壓，μapp為磁導率，N為磁天線繞線匝數，S為磁芯截面積，B為感應磁場。

感應電壓通過連接電纜傳輸到電子學機箱進行信號放大處理。第一級為固定倍數的前置放大，之后信號通過模擬濾波得到低頻(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。第二級為自動增益控制AGC(Automatic Gain Control)放大，通過將一級放大后波形的幅度值與系統設定的上下限閾值進行比較，并將結果反饋給前置放大器進行放大倍數的自動調整，使輸出的數據幅度保持在一定的測量范圍。

三軸傳感器探測的信號經過兩級放大后得到九路波形信號，不同頻段的信號被電子學機箱的AD(Analog-Digital)芯片以不同的采樣率連續采集(低頻采樣率1.024 kHz，中頻10.24 kHz，高頻51.2 kHz)，并保存為16位的二進制數據格式。當高頻段采集4 096點時，即根據當前運行模式進行對應的數據處理，然后打包由衛星平臺接口傳輸至地面接收站。某衛星選用RS422做為與載荷的數傳接口，數傳時鐘信號為6 MHz，以達到高速數率傳輸功能；星務平臺采用CAN(Controller Area Network)總線做為其與載荷的通信紐帶，用于實現向儀器發送廣播信號、控制指令以及遙測數據采集等功能。感應式磁力儀設備系統組成框圖如圖1所示。

2.2 工作模式和數據產品

星載感應式磁力儀具有三種工作模式：詳查、巡查和定標。在不同模式下，儀器輸出不同內容的數據產品。

當衛星經過境內上方空間時，載荷工作進入詳查模式工作，此模式下將其采集的低頻帶、中頻帶和高頻帶原始科學數據連同系統參數(數據包序列、儀器電壓及電流監測信號、當前工作模式代碼、三分量增益放大倍數及8位累加和校驗碼等)發送至地面；當衛星處于境外地區時，載荷進入巡查模式，僅需發送低、中頻和精簡的高頻頻譜與相位數據至地面；定標模式則用于儀器自檢，于開機或由地面主控進入，數據處理方式與巡查模式一致。儀器根據衛星平臺指令在三種模式間切換。

巡查和定標模式下，為了降低數據率需要對數據量最大的高頻段數據進行精簡，系統設計每25包輸出一次幅度平均譜和相位譜。幅度平均譜通過將每包的高頻帶原始波形數據進行4 096點快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transformation)，當計數到第25包時，對其幅度譜進行平均后，得到分辨率12.5 Hz、包含2 048點譜線的幅度平均譜數據產品：

D25th=(D1+D2+…+D25)/25

(2)

其中,D25th為每25包輸出的幅度平均譜數據，D1至D25表示1至25包高頻帶數據FFT變換后的幅度譜數據。由于后續科學研究需要用到相位數據，而相位有不可平均性質，因此感應式磁力儀相位譜數據取第25包信號的相位譜做為相位數據產品。

3 地面檢測系統及預處理軟件設計

3.1 地面檢測系統

在載荷的研制過程中，需要針對儀器特點，根據其數據端接口設計對應的地面檢測設備，用于在沒有衛星數傳與星務分系統的情況下完成設備的調試和檢測等過程。

感應式磁力儀系統地面檢測設備選用Xilinx公司的FPGA為主控芯片，分別擴展USB、RS422以及CAN為外圍接口，并配置SRAM做為數據緩存。CAN總線接口使用SAJ1000，RS422采用DS26F32作為接收芯片，實現模擬衛星平臺與載荷接口匹配、總線轉換、數據收發等功能。地面檢測系統通過USB 2.0接口與上位機連接，進行數據通信，選用的是Cypress公司的CY7C系列控制芯片。

3.2 數據預處理軟件

感應式磁力儀發送的數據包中含有不同類型的數據信息，且為16位二進制編碼數據格式，因此數據預處理軟件需要對數據包進行重建，以便從中提取各類參數信息。為了監測儀器運行狀態，軟件需要實時顯示圖像和部分參數信息。此外，在數據接收和可視化的過程中，還具有對儀器啟動、停止及工作模式進行切換的能力，同時軟件還集成了信息統計和頻譜分析等多種功能。

(1)軟件平臺。

Matlab被稱為矩陣實驗室，是一款具有強大的數值計算、處理以及可視化功能的軟件，其豐富的函數資源可以為地面檢測軟件系統的數據處理及顯示提供極大的便利。Visual C++能夠進行可視化編程，是一款應用廣泛、性能強大的綜合性軟件開發工具，但是其編寫圖形界面的過程比較復雜繁瑣，因此數據預處理軟件設計采用Visual C++調用Matlab的方法，取長補短，融合兩者優勢。

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

//在Visual C++中初始化Matlab環境

initM(MATCOM_VERSION);

//(插入.m文件轉換后的C++代碼)

//退出調用

exitM();

(2)數據預處理。

為了還原感應式磁力儀探測的真實感應電壓值，地面系統軟件需要對接收的載荷科學數據進行預處理。感應電壓經過兩級放大后由載荷AD芯片采集，AD輸入信號的量程為±10 V，輸出編碼格式如表1所示[7]。

根據表1說明,AD輸入端0 V電壓對應的16進制代碼為00H，正電壓最大值7FH對應輸入電壓為+10 V，負電壓為補碼表示，即80H對應-10 V輸入電壓。因此,AD前端輸入電壓，即探頭采集信號放大后電壓值的計算方法如下：

Dtmp=WH*256+WL;//數據轉換為10進制

/*根據編碼格式判斷數據正負值并根據AD芯片量程計算出對應的實際輸入電壓值*/

由實驗結果可以看出，當任務規模較小時，三種算法在任務完成時間上的差距相對較小，改進算法收斂速度更快且更穩定.隨著任務規模的提升，可以看到改進的粒子群算法表現出更為明顯的優勢.相比較而言，FIFO算法的迭代次數比其他算法更大，收斂速度較慢.算法初期，傳統粒子群算法相比FIFO算法具有更好的收斂速度，但后期收斂速度明顯變慢，且無法跳出局部極值過早的收斂.隨著任務數的提升，改進的粒子群算法在總的任務完成時間上相比其他算法優勢更為明顯，可以看到通過慣性權重優化和調整算子的設置，能夠更有效地實現較好的目標區域的搜索，降低了任務總時間，從而在優化資源以及合理調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進制數據高8位，WL為16進制數據低8位，VOUT為計算所得輸入端電壓值，單位為伏特。

由于探頭采集的感應電壓還經過了固定增益和動態增益兩級放大，因此AD輸入端電壓數據還需除以兩級放大倍數才能得到原始的感應電壓值，即：

Vsensor=VOUT/Afix/AGCn

(3)

其中,Afix為固定增益放大倍數，AGCn(n=1,2,3)為當前分量的動態增益放大倍數，Vsensor為傳感器探測的感應電壓，即數據預處理軟件計算得到并顯示的最終電壓值。

為了觀察信號的頻域特征，數據預處理還對高頻帶科學數據進行了FFT處理。高頻帶信號采樣率fs=51.2 kHz，一個數據包中采樣點數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)多線程設計。

由于地面檢測系統連續不間斷地向上位機發送數據，軟件必須在保證數據完整接收的同時實現數據整理及可視化等功能，因此設計了數據接收和圖形實時顯示兩個并行運行的線程。

以高頻段為例，感應式磁力儀設備的采樣率為51.2 kHz，每4 096個數作為一個數據包輸出，如果對接收的每包數據進行處理并顯示，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，經測試發現會嚴重影響數據接收線程的執行，導致數據丟失，而數據接收的完整性必不可少，因此根據計算機的處理能力，設計圖形顯示進程每間隔一定數據包顯示一次。計算機的性能越好，則間隔的數據包越少，圖形刷新頻率越高，圖形顯示越流暢。

感應式磁力儀地面數據預處理軟件運行流程如圖2所示。

Figure 2 Flow chart of data preprocessing圖2 數據預處理軟件流程圖

4 系統測試

上位機與地面檢測系統連接后，加電啟動時首先檢測連接狀態，并彈出對應連接結果的提示框。如連接成功，說明地面檢測系統已經準備完畢，數據傳輸通道連接正常，則彈出數據預處理軟件界面進行后續操作，軟件主界面如圖3所示。

Figure 3 Interface of data preprocessing software圖3 數據預處理軟件操作界面

軟件界面中，路徑區選擇接收的數據文件保存地址，模式選擇區用于控制切換載荷的工作模式，通道選擇區可以選擇需要在實時顯示界面觀測的分量，操作區和數據轉換十進制區用于在非數據傳輸時，對已接收的數據包文件進行統計、繪圖和進制轉換，控制區則包含開啟或暫停傳輸、顯示切換和FFT處理顯示等功能。

當傳輸啟動時會彈出實時圖形可視化界面，界面含有9幅子框圖，分別顯示數據預處理后X、Y、Z軸的低頻、中頻和高頻帶(L、M、H)數據圖像，即傳感器探測的感應電壓Vsensor。圖像X軸單位為毫秒(ms)，Y軸單位為毫伏(mV)。通過切換至FFT譜分析顯示，會彈出高頻帶數據經過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 實時圖形可視化界面

5 結束語

本文針對星載感應式磁力儀設備的工作特點和數據產品格式，設計了地面檢測系統及基于Visual C++調用Matlab編寫的數據預處理軟件。地面檢測系統實現了連接感應式磁力儀載荷及上位機軟件的功能，預處理軟件具有在保持接收數據完整性的同時，并行實時顯示傳感器三分量多頻帶的數據圖形的功能，且能夠切換顯示FFT處理后頻譜圖形，以便對載探測的信號質量進行直觀判斷。

軟件設計通用方便，操作簡單易用，經測試可用于Windows XP和Windows 7操作系統。目前已經過了衛星多個階段的實際應用，滿足了感應式磁力儀設備地面測試的需求，為后續拓展及載荷研制提供了測試條件。