DFH-3B磁力矩器控制電路測試設備改造方案

1、.編 號密 級階段標記檔 號保管期限名 稱DFH-3B衛(wèi)星控制分系統(tǒng)磁力矩器控制電路測試設備方案改造報告編寫校對審核會簽標審批準南京璟宏電子有限責任公司名 稱名 稱內(nèi)容摘要：本方案設計報告敘述了DFH-3B衛(wèi)星控制分系統(tǒng)磁力矩器控制電路測試設備的改造方法，作為測試設備改造的依據(jù)。主題詞磁力矩器，測試設備，方案改造更改欄更改單號更改日期更改人更改辦法目 次1 引言42 引用文件43 被測設備概述44 需求分析45 主要性能指標55.1 輸出電源55.2 輸出信號55.3 遙測信號55.4 故障檢測55.5 安全性要求55.6 模擬負載65.7 性能指標總結(jié)66 測試設備整體結(jié)構(gòu)76.1 供電部分

2、86.2 輸出信號生成部分86.3 遙測信號測量部分86.4 故障檢測部分86.5 前端處理軟件86.6 前端計算機86.7 測試系統(tǒng)電氣關(guān)系87 測試設備硬件改造方案97.1 供電部分實現(xiàn)方案97.2 輸出信號生成模塊改造方案97.2.1 隔離107.2.2 射隨器117.2.3 FPGA117.2.4 DC/DC模塊127.3 遙測信號測量部分實現(xiàn)方案127.4 故障檢測部分137.4.1 電源過壓過流檢測與保護137.4.2 控制電平檢測與保護137.4.3 脈沖信號檢測與保護157.5 模擬負載177.6 測試設備機箱177.7 機箱前面板177.8 終端軟件設計177.8.1 終端軟

3、件主要性能要求187.8.2 前端軟件界面設計187.9 可靠性/安全性設計188 測試設備改造項目總結(jié)19;191 引言本文根據(jù)DFH-3B衛(wèi)星控制分系統(tǒng)磁力矩器控制電路測試設備改造任務書提出的研制內(nèi)容和要求，進行了測試設備研制的需求分析，并給出了測試設備的改造方案，作為測試設備改造的依據(jù)。2 引用文件DFH-3B衛(wèi)星控制分系統(tǒng)磁力矩器控制電路測試設備改造任務書3 被測設備概述DFH-3B衛(wèi)星控制分系統(tǒng)磁力矩器控制電路為脈沖型磁力矩器控制電路，為磁力矩器提供驅(qū)動電流，其控制信號為0或1。正控制信號為1，負控制信號為0時驅(qū)動電流為正；正控制信號為0，負控制信號為1時驅(qū)動電流為負；正控制信號為0

4、，負控制信號為0時驅(qū)動電流為0。4 需求分析本套測試設備用于DFH-3B衛(wèi)星控制分系統(tǒng)磁力矩器控制電路調(diào)試，測試和數(shù)據(jù)記錄等工作。測試設備具有以下的基本功能：a.提供±12V、30V的電源電壓和040V連續(xù)可調(diào)電壓；b.提供0V，5V的控制信號和繼電器切換信號；c.可以測量500mA500mA的電流，1V7V的遙測信號；d.顯示各路信號的實際輸出值或測量值，計算各路功耗；e.具有手動測試和自動測試功能，自動測試可以自動形成報告；f.可以對測試設備異常工作狀況（過流，過壓，超時）進行報警。此外，作為測試設備的配套產(chǎn)品，還需要研制用于替代磁棒用于測試的模擬負載與線路轉(zhuǎn)接盒。5 主要性能指

5、標5.1 輸出電源測試設備需要輸出一路12V，一路-12V，一路30V和一路040V電源。±12V電源紋波不大于120mV，電路驅(qū)動能力不小于800mA；30V電源的紋波不大于300mV，電流驅(qū)動能力不小于1A；可調(diào)電源10V以下紋波不大于100mV，其余紋波不大于輸出電壓的1，電流驅(qū)動能力不小于2A。各路電源輸出相互獨立。5.2 輸出信號測試設備可以獨立地輸出X，X，Y，Y，Z，Z路驅(qū)動信號和4路繼電器切換信號，定義驅(qū)動信號為00.7V時為0，為4.5V5.5V時為1。不準出現(xiàn)X，X或Y，Y或Z，Z同時為1的情況。繼電器切換信號為幅值為4.5V5.5V，脈寬128ms±1

6、0ms的脈沖信號，電流驅(qū)動能力不小于4mA，射隨輸出，包括主份通，備份通，主份關(guān)和備份關(guān)四個信號。5.3 遙測信號測試設備可以同時測量顯示3路1V7V的遙測電壓信號，3路1V7V的地檢電壓信號，兩路電源狀態(tài)信號和3路500mA500mA的電流信號。電壓信號的測量精度優(yōu)于50mV，電流信號的精度在50mA范圍內(nèi)優(yōu)于1mA，在50mA范圍外相對精度2。5.4 故障檢測測試設備能夠檢測的故障有電源過壓過流，切換信號超時，控制信號超差。5.5 安全性要求a.測試設備包含總開關(guān)和三個二次電源開關(guān)，總開關(guān)控制220V電源，三個二次電源開關(guān)分別控制±12V電源和另兩路電源的通斷。b.二次電源的地線

7、分開走，最后在設備內(nèi)部接在一起，并與220V電源中線相連。c.測試系統(tǒng)連接好后，二次電源地線，設備外殼與220V電源中線的電阻值要小于1。5.6 模擬負載量程：70300，1步進，電感量為45H。功率要求：模擬負載通過的最大電流為500mA。5.7 性能指標總結(jié)任務書主要性能指標總結(jié)如下表所示序號指標名稱任務書要求1二次30V電源紋波300mV輸出電流1A電流監(jiān)測精度100mA內(nèi) 3mA其余10mA二次±12V電源紋波120mV輸出電流800mA電流監(jiān)測精度100mA內(nèi) 3mA其余10mA二次40V電源動態(tài)范圍040V紋波10V以內(nèi)100mV10V以上1%輸出電流2A電流監(jiān)測精度10

8、0mA內(nèi) 3mA其余10mA2控制電平信號高電平精度4.5V5.5V低電平精度00.7V3遙控指令信號高電平精度4.5V5.5V脈寬128ms±10ms4磁棒工作電流測量動態(tài)范圍(-500500)mA精度50mA內(nèi) 1mA其余2%5磁棒電流遙測與檢測，電源遙測動態(tài)范圍(-17)V精度50mV6模擬負載可調(diào)范圍70300精度1最大通過電流500mA6 測試設備整體結(jié)構(gòu)根據(jù)被測設備的需求，磁力矩器控制線路測試設備主要由供電部分，輸出信號生成部分，遙測信號測量部分，故障檢測部分，模擬負載，主測機箱，終端處理軟件以及前端計算機組成，總體框圖如下。圖1 磁力矩器控制線路測試設備組成框圖其中，供

9、電部分，輸出信號生成部分，遙測信號測量部分以及故障檢測部分位于主測機箱內(nèi)。前端計算機運行終端軟件，完成測試設備與用戶的交互，通過UART口與主測機箱進行連接?？紤]到用戶使用的方便，前端計算機選用小型的dell品牌機。6.1 供電部分待測設備所需要的二次電源由專門的電源設備提供，從朝陽電源廠定制，二次電源提供30V，±12V，040V的模擬電源。6.2 輸出信號生成部分提供6路0V，12V電平驅(qū)動信號和4路脈沖信號。6.3 遙測信號測量部分采集3路磁棒電流信號，3路遙測電壓和2路電源電壓狀態(tài)信號。6.4 故障檢測部分需要檢測4路電源是否過壓，過流；檢測6路控制信號電平信號是否超差；檢測

10、4路脈沖信號脈寬是否超差。6.5 前端處理軟件前端處理軟件負責對被測機箱進行控制，并顯示各個狀態(tài)信號的數(shù)值等。6.6 前端計算機配備一臺前端計算機，選用dell品牌機，用于運行前端處理軟件。6.7 測試系統(tǒng)電氣關(guān)系由前端計算機，測試機箱以及待測設備構(gòu)成的測試系統(tǒng)如圖2所示。測試系統(tǒng)分成三組地，分別是待測設備地，設備地以及計算機地。待測設備，測試設備以及計算機之間需要交互的信號均通過隔離變壓器進行電氣隔離。在供電方面，朝陽電源給待測設備單獨供電，測試設備使用模塊電源（上海衡孚電源）進行供電，隔離器件使用DC-DC模塊進行供電。圖2 測試系統(tǒng)電氣關(guān)系框圖7 測試設備硬件改造方案7.1 供電部分實現(xiàn)

11、方案改造任務書對測試設備供電要求未變更，因此供電部分不變。7.2 輸出信號生成模塊改造方案改造任務書要求改變六路控制電平信號與四路脈沖信號的高電平，因此這部分硬件電路需要進行更改。改造仍然采用FPGA外電路的方式實現(xiàn)對輸出信號的控制，其電路原理框圖如圖3所示：圖3 輸出信號生成模塊設計框圖如圖3所示，電路主要包括FPGA，隔離，射隨器，DC/DC等部分。FPGA完成與主計算機的接口，接收用戶通過UART總線發(fā)送的指令并進行解析，生成用戶所需要的輸出信號。“隔離”用于對輸出的控制電平信號進行電氣隔離，經(jīng)過隔離后，待測設備地與本地的地相互獨立。另一方面，“隔離”還完成電平轉(zhuǎn)換的功能，將FPGA輸出

12、的3.3V的TTL信號轉(zhuǎn)換成5V的CMOS信號?！吧潆S器”用于增強控制信號的驅(qū)動能力?！半妷恨D(zhuǎn)換”用于將5V信號轉(zhuǎn)換成12V信號。對于六路控制電平信號，F(xiàn)PGA發(fā)出邏輯0或1，即LVTTL電平的0V與3.3V，此信號經(jīng)過隔離與電平變換后變換成0V與5V的CMOS電平信號，后級再經(jīng)過一級射隨器增強信號的驅(qū)動能力。另一方面，對于四路脈沖信號，F(xiàn)PGA輸出128ms的低邏輯脈沖，此脈沖信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)換成幅度為5V的高邏輯脈沖。7.2.1 隔離考慮到安全性的要求，后端邏輯部分要與被測設備電氣隔離。隔離芯片采用AD公司的ADUM1200CR，該傳輸速率最高為12.5MHz，而本板卡用于輸出電平

13、信號與脈寬為60ms的脈沖信號，信號處理頻率不超過1MHz，所以使用ADUM1200CR能滿足需求。隔離芯片ADUM1200CR靠近FPGA的一端3.3V供電，另一端5V供電。7.2.2 射隨器由于隔離芯片的輸出驅(qū)動能力較弱，為了增強信號的驅(qū)動能力，六路控制電平信號后端均接射隨器后輸出。運放芯片采用TI公司的LM124。運放芯片15V與15V供電。7.2.3 FPGAFPGA用于完成與主計算機的接口，接收用戶通過UART總線發(fā)送的指令并進行解析，生成用戶所需要的輸出信號。FPGA選用ALTERA公司的EP1C12Q240C7，具有約12000個邏輯單元以及240k比特的存儲量。FPGA內(nèi)邏輯框

14、圖如圖4所示：圖4 FPGA控制輸出信號邏輯框圖如上圖所示，F(xiàn)PGA內(nèi)需設計串口接收模塊UART_RX，用于接收計算機串口發(fā)出的指令。串口通信速率設置為115200bps，通信格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗位，1位停止位。串口接收模塊接收計算機傳輸來的串行數(shù)據(jù)，進行串并轉(zhuǎn)換后按照字節(jié)傳遞給后級進行指令解析。輸出信號指令共五個字節(jié)，前兩個字節(jié)為幀頭，具體為0xAA，0x55，第三個字節(jié)為命令字0x01，第四個字節(jié)為輸出電平信號的具體內(nèi)容，第五個字節(jié)為輸出脈沖信號的具體內(nèi)容。輸出信號控制指令的的具體定義如下：字節(jié)順序內(nèi)容功能00xAA幀頭關(guān)鍵字10x55幀頭關(guān)鍵字20x01指令類型（0x

15、01=輸出信號控制指令）3OCTL輸出電平信號具體內(nèi)容4OCTP輸出脈沖信號具體內(nèi)通其中，輸出電平信號控制寄存器OCTL的位域定義如下所示位域復位值功能0(LSB)0X+控制電平（1=輸出高電平；0=輸出低電平）10X-控制電平（1=輸出高電平；0=輸出低電平）20Y+控制電平（1=輸出高電平；0=輸出低電平）30Y-控制電平（1=輸出高電平；0=輸出低電平）40Z+控制電平（1=輸出高電平；0=輸出低電平）50Z-控制電平（1=輸出高電平；0=輸出低電平）7-60保留其中，輸出脈沖信號控制寄存器OCTP的位域定義如下所示位域復位值功能0(LSB)0主份通遙控指令（1=發(fā)出一次脈沖信號，然后自

16、動清零）10備份通遙控指令（1=發(fā)出一次脈沖信號，然后自動清零）20主份關(guān)遙控指令（1=發(fā)出一次脈沖信號，然后自動清零）30備份關(guān)遙控指令（1=發(fā)出一次脈沖信號，然后自動清零）7-40保留7.2.4 DC/DC模塊此模塊用于給需要進行電氣隔離的芯片進行供電，包括運放芯片，集電極開路芯片，隔離芯片。使用DC/DC模塊的目的是為了使待測設備電源地與主機電源地相互隔離。5V轉(zhuǎn)5V的DC/DC模塊的型號是IB0505LS，它通過5V供電，輸出一路隔離5V。5V轉(zhuǎn)±15V的DC/DC模塊的型號是IA0515S，它通過5V供電，輸出一路隔離15V以及一路隔離15V。±15V電壓給運放芯

17、片供電，5V給隔離芯片與集電極開路芯片供電。7.3 遙測信號測量部分實現(xiàn)方案遙測信號包括兩個部分，分別是6路遙測電平信號與3路磁棒電流信號，改造任務書未對該部分內(nèi)容進行更改。因此可以沿用之前的硬件電路。7.4 故障檢測部分為了保證測試設備可靠工作，避免測試設備的故障對待測設備造成影響，需要檢測測試設備的四路輸出電源是否過壓，過流；檢測六路控制信號電平信號是否超差；檢測兩路脈沖信號脈寬是否超差，如果出現(xiàn)異常要及時做出反應。根據(jù)改造任務書的要求，六路控制信號電平發(fā)生了改變，兩路脈沖信號的高電平信號發(fā)生了改變，因此該部分硬件電路也需要進行相應的修改。7.4.1 電源過壓過流檢測與保護沿用之前的硬件電

18、路，不需要進行修改。7.4.2 控制電平檢測與保護測試設備需要向待測設備提供六路控制電平信號，測試設備對輸出的控制電平信號進行實時檢測與保護，其電路原理框圖如圖10所示：圖10 控制電平信號檢測與保護設計框圖如圖10所示，電路分別采集六路控制電平信號的電壓值并傳入FPGA中，F(xiàn)PGA根據(jù)采集的電壓值與過壓值進行對比，如果發(fā)現(xiàn)控制電平信號超差，則立即控制繼電器斷開，切斷給生成控制電平信號的邏輯電路的供電電源，同時通過UART接口告知軟件層。繼電器的默認狀態(tài)為斷開。軟件層接收到硬件FPGA傳遞過來的超差消息后，軟件界面會彈出提示框以及發(fā)出聲音警告用戶?？刂齐娖叫盘栍布ＷoFPGA內(nèi)部邏輯框圖如圖1

19、1所示：圖11 控制電平硬件保護FPGA內(nèi)部邏輯框圖如上圖所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部需要設計AD接口模塊配合板卡上的AD芯片完成對控制電平的采集，為了降低隨機噪聲對采集信號的影響，在FPGA內(nèi)部對AD采集信號進行求平均運算。信號求平均后的結(jié)果存儲于FPGA中的寄存器中，然后電路分別將采集的控制電平與過壓值比較，此外，對每一組輸出，例如X與X，也需要進行比較，如果出現(xiàn)有一路電壓值超差或者出現(xiàn)一組信號同時輸出高的情況便認為出現(xiàn)異常，從而引發(fā)保護，切斷控制電平輸出部分的供電回路。由于供電電源共有六路三組，因此FPGA中共有三組保護邏輯電路。FPGA完成控制電平保護的同時，會將采集的控制電平的電壓值以及過壓判

20、斷結(jié)果按照特定的格式傳入主機?？刂齐娖奖Ｗo指令共十七個字節(jié)，前兩個字節(jié)為幀頭，具體為0x55，0xAA，第三個字節(jié)為命令字0x04，第四字節(jié)到第十五字節(jié)為FPGA采集的六路控制電平的電壓值，每個測量值為兩個字節(jié)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，字節(jié)內(nèi)部高比特在前，第十六和第十七字節(jié)為過壓判斷結(jié)果。控制電平保護指令的具體定義如下字節(jié)順序內(nèi)容功能00x55幀頭關(guān)鍵字10xAA幀頭關(guān)鍵字20x04指令類型（0x04=控制電平保護）3，4AD17X控制電平電壓測量值，高字節(jié)在前，高比特在前5，6AD18X控制電平電壓測量值，高字節(jié)在前，高比特在前7，8AD19Y控制電平電壓測量值，高字節(jié)在前，高比特在前9，1

21、0AD20Y控制電平電壓測量值，高字節(jié)在前，高比特在前11，12AD21Z控制電平電壓測量值，高字節(jié)在前，高比特在前13，14AD22Z控制電平電壓測量值，高字節(jié)在前，高比特在前15，16LEVL_STS過壓判斷結(jié)果其中過壓判斷結(jié)果寄存器LEVL_STS的位域定義如下：位域復位值功能0(LSB)0X控制電平電壓過載結(jié)果（1=過載；0=正常）10X控制電平電壓過載結(jié)果（1=過載；0=正常）20Y控制電平電壓過載結(jié)果（1=過載；0=正常）30Y控制電平電壓過載結(jié)果（1=過載；0=正常）40Z控制電平電壓過載結(jié)果（1=過載；0=正常）50Z控制電平電壓過載結(jié)果（1=過載；0=正常）60X，X同為高判

22、斷（1=同為高；0=正常）70Y，Y同為高判斷（1=同為高；0=正常）80Z，Z同為高判斷（1=同為高；0=正常）9160保留FPGA通過串口發(fā)送模塊UART_TX，向計算機發(fā)送控制電平保護指令。7.4.3 脈沖信號檢測與保護測試設備需要向待測設備提供兩路脈沖信號，測試設備對輸出的脈沖信號進行實時檢測與保護，其電路原理框圖如圖12所示：圖12 脈沖信號檢測與保護設計框圖如圖12所示，電路將脈沖信號經(jīng)過隔離后，輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA對脈沖信號的高電平進行計數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)高電平持續(xù)時間超過128ms，則控制繼電器斷開，脈沖信號便無法再輸出高電平，從而避免對待測設備造成損害。發(fā)生脈沖超差后，硬件板

23、卡通過UART接口告知軟件層。繼電器的默認狀態(tài)為斷開。軟件層接收到硬件FPGA傳遞過來的超差消息后，軟件界面會彈出提示框以及發(fā)出聲音警告用戶。其中兩路脈沖信號硬件保護FPGA內(nèi)邏輯框圖如圖13所示：圖13 FPGA控制遙測信號測量邏輯框圖如上圖所示，F(xiàn)PGA對主份遙控指令和備份遙控指令的高電平進行計數(shù)。計數(shù)的結(jié)果存儲于FPGA中的寄存器MPLS和APLS中，電路一方面分別對兩路遙控指令的脈寬進行比較與判斷是否超差，另一方面判斷兩路指令信號是否同時輸出。一旦發(fā)現(xiàn)遙控指令信號超差或者兩者同時輸出高電平脈沖，則認為發(fā)生異常并引發(fā)保護。FPGA完成脈沖信號保護的同時，會將測量的脈寬值以及超差判斷結(jié)果按

24、照特定的格式傳入主機。脈沖信號保護指令共八個字節(jié)，前兩個字節(jié)為幀頭，具體為0x55，0xAA，第三個字節(jié)為命令字0x05，第四字節(jié)到第七字節(jié)為FPGA采集的主份遙控指令與備份遙控指令的脈沖寬度值，每個測量值為兩個字節(jié)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，字節(jié)內(nèi)部高比特在前，第八字節(jié)為超差判斷結(jié)果。脈沖保護指令的具體定義如下字節(jié)順序內(nèi)容功能00x55幀頭關(guān)鍵字10xAA幀頭關(guān)鍵字20x05指令類型（0x05=脈沖信號保護）3，4MPLS主份遙控指令脈寬，高字節(jié)在前，高比特在前5，6APLS主份遙控指令脈寬，高字節(jié)在前，高比特在前7PLS_STS超差判斷結(jié)果其中超差判斷結(jié)果寄存器PLS_STS的位域定義如下：

25、位域復位值功能0(LSB)0主份遙控指令脈寬超差結(jié)果（1=超差；0=正常）10備份遙控指令脈寬超差結(jié)果（1=超差；0=正常）20主份，備份同為高判斷（1=同為高；0=正常）370保留FPGA通過串口發(fā)送模塊UART_TX，向計算機發(fā)送脈沖保護指令。7.5 模擬負載模擬負載有三路，三路相同，阻值為70300連續(xù)可調(diào)，步進1。模擬負載通過的最大電流為500mA。不需要進行更改。7.6 測試設備機箱機箱為4U鋁合金機箱。配合底板，內(nèi)部模塊均用螺絲固緊。7.7 機箱前面板機箱前面板提供開關(guān)和測試點，具體有：1路220V開關(guān)，帶保護罩以及指示燈；3路二次電源開關(guān)，分別控制30V和40V電源以及±12V電源，帶保護罩以及指示燈；1路二次電源總開關(guān)。4路二次電源測試點；6路控制電平信號測試點；4路脈沖信號測試點6路遙測電壓量測試點；磁棒采樣電阻兩端引出點，共6個點。7.8 終端軟件設計終端軟件負責對二次電源進行控制，包括設置二次電源的輸出電壓值以及電源的通斷；負責顯示采集的模擬量，包括三路磁棒工作電流，三路磁棒電流遙測和三路電流檢測，二次電源的監(jiān)測電壓和監(jiān)測電流值；負責設置六路控制電平信號以及顯示實時監(jiān)控的該六路控制電平信號的電壓值；負載設置兩路脈沖信號以及顯示其是否正常。此外，前端軟件還具有保存數(shù)據(jù)的功能，能將采集的模擬量以及電源的電壓和功耗保