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基于AVR单片机的卫星地面测控系统设计

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  • 发布日期:2012-02-17 08:54
  • 有效期至:长期有效
  • 技术区域:广东湛江市
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详细说明
引言

 

本文介绍了单片机Atmega128在一种卫星地面测控系统中的应用,该系统利用Atmega128完成了10路模拟信号的测量、4路脉冲信号的频率测量以及脉冲宽度的测量,由单片机上的16位定时计数器输出两路与输入信号具有相位关系的信号,并通过外扩串口与其它测试模块及工控机进行通信。由于要求系统能够连续稳定工作3年,并且数据不能丢失,因此,在设计时采用了双电源冗余热备份的方案,并且采用两个工控机同时接收数据并互为备份的设计方案。

 

硬件设计

 

Atmega128属于Atmel公司的AVR系列单片机,是一种高性能、低功耗的8位控制器,执行大多数指令只需要一个时钟周期。其最高主频可达到16MHz;自带128KB可在线编程的闪存、4KB的EEPROM、4KB的SRAM,程序可进行加密;自带JTAG接口,便于程序的调试;集成外设:两个8位定时计数器、两个16位定时计数器、两个8位PWM通道、6个16位PWM通道、8个10位 ADC通道、一个I2C接口、两个可编程异步串行接口、一个SPI接口、一个看门狗定时器和8个外部中断源。

 

卫星地面测控系统主要由电源模块、电子机箱、测试箱、工控机以及红外地球敏感器构成,系统结构如图1所示。其中两台电源并联, 输出串联二极管。在整个测控系统中,测试箱的控制功能是通过Atmega128完成的。

 

 

图1 卫星地面测控系统结构图

 

测试箱的硬件原理如图2所示。测试系统以AVR单片机为核心,外围电路由串口通信、ADC采样和DAC输出等部分构成。

 

 

测试箱的硬件原理

 

单片机与工控机之间通过RS-232标准总线进行数据通信,在设计中采用电平转换芯片MAX202来实现二者的电平兼容。为了能够和测试系统的其它模块进行串口通信,采用Xicor公司的双串口芯片ST16C2552外扩了两个串口,由于与外扩串口通信的是-12V~+12V的信号,不是标准电平,因此,要另外设计电平转换电路。使用Altera公司的可编程逻辑器件EPM7128实现对DAC和ADC的逻辑控制;使用BB公司的12位ADC实现对遥测信号的测量;采用BB公司的12位DAC芯片DAC7615产生电地球波信号。

 

具体功能如下:

 

ADC测量:将输入的10路模拟信号经过阻抗匹配后连接到通道选择器,再接到ADC芯片ADS7835的信号输入端,ADC的输出信号以及控制信号经过光隔离接到EPLD逻辑,在逻辑内部实现对ADC启动信号、转换通道的选择,以及对时钟信号、数据信号的控制。

 

DAC 输出:单片机通过逻辑芯片实现对DAC的片选、时钟、数据等信号的控制,DAC的输出信号通过光隔离后,再经过运算放大器进行阻抗匹配后才接到整个测试系统的其它模块。DAC参考电压的稳定性至关重要,如果参考电压稳定性差,将导致整个DAC的输出波动很大,达不到输出精度要求,因此,通过一个稳压芯片 AD584给DAC提供参考电压。

 

频率测量:电测箱需要对2路基准信号和2路光栅信号进行测量,利用AVR单片机的外部中断和计数器1、3实现测量。将2路基准信号分别接到单片机的外中断INT0和INT1,将光栅信号分别接到单片机的计数器1和3。在电测箱需要实现的各项功能中,电地球波的输出是一个难点,因为需要电地球波的输出与基准信号具有相位关系,并且要求输出具有可变相位、幅度和斜率的信号,本文通过计数器1和3的比较中断实现电地球波的输出。

 

串口通信:通过单片机自带的两个异步串口,并经过电平转换与上位工控机通信,通过双串口芯片ST16C2552外扩两个串口与测试系统的其它模块通信,此外,为保证系统的可靠性,所有的信号均经过光隔离。

 

软件实现

 

单片机软件

 

运行在单片机的底层软件主要负责ADC的采集、DAC的输出以及串口的通信,下面详细介绍各个部分:

 

1、 光栅频率测量:测量模拟基准一个周期内的光栅个数

 

在程序中,每次进入外中断0的处理程序void int0_isr(void)(即基准脉冲上升沿到来时)调用void do_gd_opt_frq()函数测量光栅频率。

 

在do_gd_opt_frq ()函数中,先把前一次读取计数器1的计数值保存在全局变量time1_prev中,再读取计数器1的值并保存在time1_next中,因为两次中断的间隔就是模拟基准的周期,有一个光栅脉冲计数器1就加1,所以,前后两次的差值就是一个模拟基准周期内光栅的个数。

 

2、 模拟基准幅度

 

在INT0的中断处理函数中置一个全局标志refoa_gd_flag = 0xff,在一个100?s的定时器的中断处理函数中查询此全局标志,若置位,则对模拟基准的ADC通道连续采样400次,采样后清 refoa_gd_flag标志并置采样结束的标志refoa_gd_finished = 0xff。在主程序main()函数中不断查询refoa_gd_finished标志,若置位,则调用do_refoa_high()函数求出模拟基准幅度,然后清标志。在do_refoa_high()函数中求出采样400个点中的最大值和最小值,两者之差即为模拟基准幅度。

 

3、 模拟基准周期:测量一个模拟基准周期的毫秒值

 

在一个1ms的定时器溢出中断处理函数中,全局的计数变量ref_gd_count加1,ref_gd_count初始化为0。在外中断0的处理函数 int0_isr()中读取ref_gd_count的值,即为模拟基准的周期,再把ref_gd_count清零。这样,只有第一次测量值是无效的,以后均为有效的模拟基准周期。

 

4、 模拟基准宽度

 

在INT0的中断处理函数中置全局变量refoa_width_gd_ count=0,在100?s的定时器中断中查询外中断0的引脚是否为高电平,是高电平则refoa_width_gd_count加1,直至变为低电平,refoa_width_gd_ count的值就是模拟基准的宽度。

 

5、 电地球波

 

在do_ein()函数中处理工控机串口传过来的电地球波信息,如果是停止电地球波命令(state=0),通过DA电地球波直接输出高电平并清除电地球波使能标志位ein_gd_enable。如果是开始电地球波命令(state=1),把相位、宽度、幅值、斜率等信息赋给全局变量保存,并且计算出步距和斜率上各个点的输出值,置位电地球波使能标志 ein_gd_enable。

 

电地球波的产生是以模拟基准为基准的,在INT0的中断处理函数中设置计数器的比较中断并使能。

 

图3中, T0与T1 之间是地球波的相位,T2与T5之间是地球波的宽度。在T1时刻进入计数器1的比较中断timer1_compa_isr(),全局变量 ein_count_gd初始化为0,若ein_count_gd不等于1,则设置比较中断寄存器初值为下一步距点,并通过DA输出,若下一个比较中断到来ige ein_count_gd不等于1,则继续设置比较中断寄存器初值为下一个步距,并输出幅值,直到斜率上所有的幅值输出完毕,置ein_count_gd 等于1并设置比较中断寄存器,使T4进入比较中断。T4进入比较中断,并按照前述方法输出斜率上所有的幅值,完毕则禁止比较中断并置 ein_count_gd=0xff。

 

 

地球波的相位

 

ADC采集和串口通信比较简单,这里不再赘述。

 

软件编译与下载

 

由于单片机程序是采用C语言设计完成的,因此,需要用Image Craft公司的ICCAVR编译器进行编译,生成COF文件,再用AVR STUDIO调试软件和双龙公司的AVR JTAG仿真器进行调试。调试完成后,利用单片机的JTAG接口写入内部闪存即可。

 

上位工控机软件

 

运行在工控机上的软件主要负责处理AVR单片机通过串口传送过来的数据并进行超差、报警的检查,然后把数据存储在ACCESS数据库中,以便查看。该软件能够设置电地球波的幅度、宽度、相位,并能自主控制电地球波的产生或停止。

 

上位工控机软件采用VC6.0编写,其中的数据库部分采用ADO技术。ADO是Microsoft公司为最新和最强大的数据访问范例 OLE DB 而设计的,是一个便于使用的应用程序层接口。ADO 最主要的优点是易于使用、速度快、内存支出少且磁盘遗迹小。

 

结语

 

采用Atmel公司的AVR系列单片机进行系统设计,其外围设备丰富、集成开发环境简单易用、支持在线仿真等特点使得系统的开发周期大大缩短。本文介绍的系统使用了很多Atmega128的外围资源,并通过Atmega128提供的定时计数器的比较中断解决了系统设计中的难题。

 
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