基于AVR單片機的衛(wèi)星地面測控系統(tǒng)設(shè)計

引言

本文介紹了單片機Atmega128在一種衛(wèi)星地面測控系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)利用Atmega128完成了10路模擬信號的測量、4路脈沖信號的頻率測量以及脈沖寬度的測量，由單片機上的16位定時計數(shù)器輸出兩路與輸入信號具有相位關(guān)系的信號，并通過外擴串口與其它測試模塊及工控機進行通信。由于要求系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定工作3年，并且數(shù)據(jù)不能丟失，因此，在設(shè)計時采用了雙電源冗余熱備份的方案，并且采用兩個工控機同時接收數(shù)據(jù)并互為備份的設(shè)計方案。

圖1 衛(wèi)星地面測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件設(shè)計

Atmega128屬于Atmel公司的AVR系列單片機，是一種高性能、低功耗的8位控制器，執(zhí)行大多數(shù)指令只需要一個時鐘周期。其最高主頻可達到16MHz；自帶128KB可在線編程的閃存、4KB的EEPROM、4KB的SRAM，程序可進行加密；自帶JTAG接口，便于程序的調(diào)試；集成外設(shè)：兩個8位定時計數(shù)器、兩個16位定時計數(shù)器、兩個8位PWM通道、6個16位PWM通道、8個10位 ADC通道、一個I2C接口、兩個可編程異步串行接口、一個SPI接口、一個看門狗定時器和8個外部中斷源。

衛(wèi)星地面測控系統(tǒng)主要由電源模塊、電子機箱、測試箱、工控機以及紅外地球敏感器構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中兩臺電源并聯(lián), 輸出串聯(lián)二極管。在整個測控系統(tǒng)中，測試箱的控制功能是通過Atmega128完成的。

測試箱的硬件原理如圖2所示。測試系統(tǒng)以AVR單片機為核心，外圍電路由串口通信、ADC采樣和DAC輸出等部分構(gòu)成。

單片機與工控機之間通過RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線進行數(shù)據(jù)通信，在設(shè)計中采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202來實現(xiàn)二者的電平兼容。為了能夠和測試系統(tǒng)的其它模塊進行串口通信，采用Xicor公司的雙串口芯片ST16C2552外擴了兩個串口，由于與外擴串口通信的是-12V~+12V的信號，不是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此，要另外設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路。使用Altera公司的可編程邏輯器件EPM7128實現(xiàn)對DAC和ADC的邏輯控制；使用BB公司的12位ADC實現(xiàn)對遙測信號的測量；采用BB公司的12位DAC芯片DAC7615產(chǎn)生電地球波信號。

具體功能如下：

ADC測量：將輸入的10路模擬信號經(jīng)過阻抗匹配后連接到通道選擇器，再接到ADC芯片ADS7835的信號輸入端，ADC的輸出信號以及控制信號經(jīng)過光隔離接到EPLD邏輯，在邏輯內(nèi)部實現(xiàn)對ADC啟動信號、轉(zhuǎn)換通道的選擇，以及對時鐘信號、數(shù)據(jù)信號的控制。

DAC 輸出：單片機通過邏輯芯片實現(xiàn)對DAC的片選、時鐘、數(shù)據(jù)等信號的控制，DAC的輸出信號通過光隔離后，再經(jīng)過運算放大器進行阻抗匹配后才接到整個測試系統(tǒng)的其它模塊。DAC參考電壓的穩(wěn)定性至關(guān)重要，如果參考電壓穩(wěn)定性差，將導(dǎo)致整個DAC的輸出波動很大，達不到輸出精度要求，因此，通過一個穩(wěn)壓芯片 AD584給DAC提供參考電壓。

頻率測量：電測箱需要對2路基準(zhǔn)信號和2路光柵信號進行測量，利用AVR單片機的外部中斷和計數(shù)器1、3實現(xiàn)測量。將2路基準(zhǔn)信號分別接到單片機的外中斷INT0和INT1，將光柵信號分別接到單片機的計數(shù)器1和3。在電測箱需要實現(xiàn)的各項功能中，電地球波的輸出是一個難點，因為需要電地球波的輸出與基準(zhǔn)信號具有相位關(guān)系，并且要求輸出具有可變相位、幅度和斜率的信號，本文通過計數(shù)器1和3的比較中斷實現(xiàn)電地球波的輸出。

串口通信：通過單片機自帶的兩個異步串口，并經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與上位工控機通信，通過雙串口芯片ST16C2552外擴兩個串口與測試系統(tǒng)的其它模塊通信，此外，為保證系統(tǒng)的可靠性，所有的信號均經(jīng)過光隔離。

軟件實現(xiàn)

單片機軟件

運行在單片機的底層軟件主要負(fù)責(zé)ADC的采集、DAC的輸出以及串口的通信，下面詳細(xì)介紹各個部分：

1、 光柵頻率測量：測量模擬基準(zhǔn)一個周期內(nèi)的光柵個數(shù)

在程序中，每次進入外中斷0的處理程序void int0_isr(void)(即基準(zhǔn)脈沖上升沿到來時)調(diào)用void do_gd_opt_frq()函數(shù)測量光柵頻率。

在do_gd_opt_frq ()函數(shù)中，先把前一次讀取計數(shù)器1的計數(shù)值保存在全局變量time1_prev中，再讀取計數(shù)器1的值并保存在time1_next中，因為兩次中斷的間隔就是模擬基準(zhǔn)的周期，有一個光柵脈沖計數(shù)器1就加1，所以，前后兩次的差值就是一個模擬基準(zhǔn)周期內(nèi)光柵的個數(shù)。

2、 模擬基準(zhǔn)幅度

在INT0的中斷處理函數(shù)中置一個全局標(biāo)志refoa_gd_flag = 0xff，在一個100s的定時器的中斷處理函數(shù)中查詢此全局標(biāo)志，若置位，則對模擬基準(zhǔn)的ADC通道連續(xù)采樣400次，采樣后清 refoa_gd_flag標(biāo)志并置采樣結(jié)束的標(biāo)志refoa_gd_finished = 0xff。在主程序main()函數(shù)中不斷查詢refoa_gd_finished標(biāo)志，若置位，則調(diào)用do_refoa_high()函數(shù)求出模擬基準(zhǔn)幅度，然后清標(biāo)志。在do_refoa_high()函數(shù)中求出采樣400個點中的最大值和最小值，兩者之差即為模擬基準(zhǔn)幅度。

3、 模擬基準(zhǔn)周期：測量一個模擬基準(zhǔn)周期的毫秒值

在一個1ms的定時器溢出中斷處理函數(shù)中，全局的計數(shù)變量ref_gd_count加1，ref_gd_count初始化為0。在外中斷0的處理函數(shù) int0_isr()中讀取ref_gd_count的值，即為模擬基準(zhǔn)的周期，再把ref_gd_count清零。這樣，只有第一次測量值是無效的，以后均為有效的模擬基準(zhǔn)周期。

4、 模擬基準(zhǔn)寬度

在INT0的中斷處理函數(shù)中置全局變量refoa_width_gd_ count=0，在100s的定時器中斷中查詢外中斷0的引腳是否為高電平，是高電平則refoa_width_gd_count加1，直至變?yōu)榈碗娖?，refoa_width_gd_ count的值就是模擬基準(zhǔn)的寬度。

5、 電地球波

在do_ein()函數(shù)中處理工控機串口傳過來的電地球波信息，如果是停止電地球波命令(state=0),通過DA電地球波直接輸出高電平并清除電地球波使能標(biāo)志位ein_gd_enable。如果是開始電地球波命令(state=1),把相位、寬度、幅值、斜率等信息賦給全局變量保存，并且計算出步距和斜率上各個點的輸出值，置位電地球波使能標(biāo)志 ein_gd_enable。

電地球波的產(chǎn)生是以模擬基準(zhǔn)為基準(zhǔn)的，在INT0的中斷處理函數(shù)中設(shè)置計數(shù)器的比較中斷并使能。

圖3中， T0與T1 之間是地球波的相位，T2與T5之間是地球波的寬度。在T1時刻進入計數(shù)器1的比較中斷timer1_compa_isr()，全局變量 ein_count_gd初始化為0，若ein_count_gd不等于1，則設(shè)置比較中斷寄存器初值為下一步距點，并通過DA輸出，若下一個比較中斷到來ige ein_count_gd不等于1，則繼續(xù)設(shè)置比較中斷寄存器初值為下一個步距，并輸出幅值，直到斜率上所有的幅值輸出完畢，置ein_count_gd 等于1并設(shè)置比較中斷寄存器，使T4進入比較中斷。T4進入比較中斷，并按照前述方法輸出斜率上所有的幅值，完畢則禁止比較中斷并置 ein_count_gd=0xff。

ADC采集和串口通信比較簡單，這里不再贅述。

軟件編譯與下載

由于單片機程序是采用C語言設(shè)計完成的，因此，需要用Image Craft公司的ICCAVR編譯器進行編譯，生成COF文件，再用AVR STUDIO調(diào)試軟件和雙龍公司的AVR JTAG仿真器進行調(diào)試。調(diào)試完成后，利用單片機的JTAG接口寫入內(nèi)部閃存即可。

上位工控機軟件

運行在工控機上的軟件主要負(fù)責(zé)處理AVR單片機通過串口傳送過來的數(shù)據(jù)并進行超差、報警的檢查，然后把數(shù)據(jù)存儲在ACCESS數(shù)據(jù)庫中，以便查看。該軟件能夠設(shè)置電地球波的幅度、寬度、相位，并能自主控制電地球波的產(chǎn)生或停止。

上位工控機軟件采用VC6.0編寫，其中的數(shù)據(jù)庫部分采用ADO技術(shù)。ADO是Microsoft公司為最新和最強大的數(shù)據(jù)訪問范例 OLE DB 而設(shè)計的，是一個便于使用的應(yīng)用程序?qū)咏涌?。ADO 最主要的優(yōu)點是易于使用、速度快、內(nèi)存支出少且磁盤遺跡小。

結(jié)語

采用Atmel公司的AVR系列單片機進行系統(tǒng)設(shè)計，其外圍設(shè)備豐富、集成開發(fā)環(huán)境簡單易用、支持在線仿真等特點使得系統(tǒng)的開發(fā)周期大大縮短。本文介紹的系統(tǒng)使用了很多Atmega128的外圍資源，并通過Atmega128提供的定時計數(shù)器的比較中斷解決了系統(tǒng)設(shè)計中的難題。