低成本衛星智能節點設計

崔 陽,趙笙罡,周文妹,梁 廣,王文川

(中國科學院微小衛星創新研究院，上海 201210)

0 引言

傳統衛星一般按照系統功能對整星進行劃分。整星由各個不同的分系統構成。各個分系統相對較為獨立，如姿軌控分系統、熱控分系統、數傳分系統、星務分系統(星務計算機)等。其中，星務計算機負責對各個分系統進行數據和指令管理，如采集各個分系統的遙測信號，并向其發送各種遙控、程控指令等。分系統方案的特點是系統接口設計復雜，系統通用性和移植重用性較弱。星務計算機系統尤為如此，需要適應衛星各個分系統、單機的接口和指令需求。星務計算機接口種類繁多，不同衛星、不同任務間移植性差，相應衛星研制周期長、研制成本高，不能適應目前低成本衛星的研制模式和應用需求。

智能節點由標準化模塊組成，可根據衛星實際需求靈活配置。通過在衛星上靈活配置、布置智能節點，可以實現星上種類繁多的接口轉換，從而有效簡化星上電接口種類和電纜網的設計。通過標準化智能節點應用，可以有效縮短衛星研制周期、降低衛星研制和生產成本。

1 智能節點架構設計

一般而言，星務計算機作為衛星控制、信息處理的核心，星上其他系統均需要與其進行數據交換和通信[1]。星務計算機電接口種類復雜，電纜種類和接口復雜，衛星測試、調試工作量巨大，從而使得衛星設計標準化、可移植性、繼承性較差，設計和研制成本增加。

智能節點由各種標準化模塊組成，并可提供標準化應用服務。通過智能節點應用，可將星務計算機外圍接口歸一化、標準化。通過合理的智能節點應用和配置，可以有效簡化整星接口、電纜網設計，提高衛星功能密度和整體性能。

基于智能節點的衛星系統框架設計如圖1所示。

圖1 基于智能節點的衛星系統框架設計圖Fig.1 Design of satellite system framework based on intelligent node

圖1中，各個分系統、單機均通過智能節點與星務計算機連接和通信(區域性管理)[2]，可以極大地簡化星務計算機接口復雜度，從而有效提升星務計算機的可靠性(有利于固化星務計算機的狀態，提高可移植性和繼承性)。智能節點的數量可根據衛星實際需求靈活配置。

另外，通過系統設計體系架構、標準化模塊設計方案，在衛星研制、測試、試驗及應用過程中如遇異常、故障等現象可快速定位[3]。智能節點模塊化如圖2所示。

圖2 智能節點模塊化示意圖Fig.2 Modularization diagram of intelligent node

智能節點主要由控制模塊、標準模塊和電源模塊組成。其中，控制模塊為智能節點的核心，通過控制模塊對各個標準模塊進行配置和協調。電源模塊用于將智能節點輸入電源轉換為所需的各種二次電源。各個標準模塊可根據實際需求靈活擴展。

2 智能節點硬件設計

2.1 硬件需求

根據衛星一般應用需求，智能節點需要提供各種遙測信號采集、模擬量控制、測溫/控溫等功能。因此，對應的標準模塊類型主要有星上模擬電壓采集模塊、星上模擬電流采集模塊、星上模擬量輸出模塊、星上測溫模塊/控溫模塊和星上接口轉換模塊等[4]。各種標準模塊主要功能及典型技術指標要求如下。

①星上模擬電壓采集模塊。該模塊主要對星上各系統的模擬量電壓遙測進行采集、存儲，并通過通信總線傳輸至星務計算機處理。一般而言，智能節點中模擬量電壓采集范圍為(-5～+5)V，通道數量不少于10路，采集精度不小于12 bits。

②星上模擬電流采集模塊。該模塊主要對星上各系統的模擬量電流遙測進行采集、存儲，并將其通過通信總線傳輸至星務計算機處理。一般而言，智能節點中模擬量電流采集范圍為(-20～+20)mA，數量不少于10路，采集精度不小于12 bits。

③星上模擬量輸出模塊。該模塊主要用于滿足星上有模擬量驅動、控制需求的各類產品(如模擬型太陽敏感器等)。一般而言，智能節點中模擬量輸出電壓范圍為(-5～+5)V，數量不少于5路，轉換精度不小于12 bits，電流驅動范圍為(-10～+10)mA。

④星上測溫/控溫模塊。該模塊主要用于滿足星上各個系統的溫度檢測和溫度控制需求(測溫也可單獨應用)。一般而言，智能節點中測溫、控溫為16通道，測溫范圍可通過電路參數靈活配置；一般情況下加熱電源為星上一次電源28 V，加熱電流1 A。

⑤星上接口轉換模塊。該模塊主要用于滿足星上各種電接口之間的轉換需求，如姿軌控部組件常用接口為異步RS-422接口。如果部組件直接與星務計算機連接，則需對星務計算機外圍接口進行擴展。這會導致星務計算機接口復雜，不利于系統移植應用。接口轉換模塊可提供部組件所需的異步RS-422接口，并將部組件指令、數據轉換為標準通信總線數據(如標準CAN總線)與星務計算機通信。一般而言，智能節點接口轉換模塊提供不少于4路的異步RS-422接口，CAN總線速率可支持1 Mbit/s[5]。

⑥星上集電極開路(open controller,OC)指令輸出模塊。該模塊主要用于滿足星上各個系統對直接指令的需求(星務計算機通過通信總線發送指令至智能節點，智能節點根據系統需求輸出一定條件的直接指令)。一般而言，智能節點OC指令輸出模塊提供不少于4通道的直接指令，脈沖寬度為(80±10)ms。

⑦星上數字量輸入輸出模塊。該模塊主要用于滿足星上各個系統對數字量信號的輸入、輸出需求，如星箭分離、脫落信號信號的采集需求。一般而言，智能節點數字量輸入輸出模塊需要提供8通道、驅動電流為(-5～+5)mA的通道。 智能節點硬件原理如圖3所示。

圖3 智能節點硬件原理框圖Fig.3 Schematic diagram of intelligent node hardware

處理器為智能節點的核心。其主要完成對各個標準模塊管理和數據通信。為了提高智能節點的通用化設計，設計通過標準總線接收星務計算機發送的各類指令和數據(應用配置等)，并接受星務計算機的統一調度。

目前流行的低成本衛星應用總線主要有CAN總線、異步RS-422接口等，如姿軌控單機星敏感器、磁力矩器等為通信接口異步RS-422接口?？紤]到智能節點的通用性和成本等因素，智能節點標準通信總線采用CAN總線，智能節點作為終端與星務計算機通信。為了盡可能提高智能節點通信速率，CAN總線波特率設計為1 Mbit/s[5]。

2.2 主要硬件設計

①控制模塊。

控制模塊作為智能節點的核心，主要完成對各個標準模塊的初始化和工作管理?？刂破鬟x用易于接口擴展的現場可編程門陣列芯片，控制模塊與其他標準模塊通過內部通信接口通信，如串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)，實現配置指令、測量數據的傳輸[6]。

②模擬電壓采集模塊。

模擬電壓采集模塊主要對星上模擬電壓遙測信號進行采集，主要包括信號調理(放大)和模數轉換器(AD976)。為了實現多通道信號采集，考慮到星上遙測信號一般為緩變信號，且對應采樣速率要求不高，因此采用多路開關對模擬通道進行切換[7]。電壓采集原理如圖4所示。

圖4 電壓采集原理框圖Fig.4 Schematic diagram of voltage acquisition

③模擬電流采集模塊。

電流信號采集方式是先將電流信號轉換為電壓信號，并通過多路模擬開關進行采集。電流采集原理如圖5所示。

圖5 電流采集原理框圖Fig.5 Current collection principle block diagram

④測溫、控溫模塊。

智能節點內部設計多路溫度量遙測通道，采用熱敏電阻作為溫度傳感器進行溫度采集。熱敏電阻輸出電壓信號經過模擬開關后，輸出至放大器和模數轉換器。溫度采集原理如圖6所示。為了提高智能節點功能密度，內部功率驅動電路采用厚膜電路模塊化設計，每個模塊實現16路40 W加熱器通斷控制[8]。

圖6 溫度采集原理框圖Fig.6 Temperature acquisition principle block diagram

3 軟件設計

嵌入式軟件設計和運行需要體現“智能化”設計理念，即智能節點本身工作模式、外部系統連接等通過星務計算機注入指令實現或由裝機參數決定。智能節點軟件流程如圖7所示。

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flowchart

智能節點由星務計算機通過CAN總線指令完成功能配置(根據衛星實際應用需求)，如智能節點各標準模塊的通道配置、智能節點地址等[9]。

智能節點嵌入式軟件主要設計如下所述。

①軟件內部按照功能劃分為不同模塊，各模塊可根據衛星實際需求靈活配置。

②內部初始化完成軟件運行的基本內容，智能節點外部系統、設備等參數配置由星務計算機注入指令的方式實現[10]。

③星務計算機分配每個智能節點的ID、地址，以及每個智能節點主要功能等。

通過上述智能節點軟件的靈活設計和配置，智能節點軟硬件可設計為標準模塊，具體應用可根據具體任務配置，以最大程度體現智能節點的“智能”特性。類似于即插即用的應用模式。

4 結論

本文設計的智能節點，采用模塊化設計思想，極大地提高了系統和產品的適用性和可擴展性。該設計可根據衛星任務的不同，在不改變系統架構設計的基礎上對內部模塊進行刪減；可在不改動硬件產品的狀態下，通過指令配置智能節點內部各項參數狀態，使其滿足具體的衛星應用要求。尤其對于低成本衛星應用而言，智能節點可有效縮短衛星和產品的研制周期，同時降低研制成本。因此，智能節點的系統設計思路和方案對于低成本衛星研制具有較高的參考價值。