基于AVR單片機(jī)的衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

本文介紹了單片機(jī)Atmega128在一種衛(wèi)星地面測(cè)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(hào)的測(cè)量、4路脈沖信號(hào)的頻率測(cè)量以及脈沖寬度的測(cè)量，由單片機(jī)上的16位定時(shí)計(jì)數(shù)器輸出兩路與輸入信號(hào)具有相位關(guān)系的信號(hào)，并通過(guò)外擴(kuò)串口與其它測(cè)試模塊及工控機(jī)進(jìn)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(jì)時(shí)采用了雙電源冗余熱備份的方案，并且采用兩個(gè)工控機(jī)同時(shí)接收數(shù)據(jù)并互為備份的設(shè)計(jì)方案。

硬件設(shè)計(jì)

Atmega128屬于Atmel公司的AVR系列單片機(jī)，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(gè)時(shí)鐘周期。其最高主頻可達(dá)到16MHz；自帶128KB可在線編程的閃存、4KB的EEPROM、4KB的SRAM，程序可進(jìn)行加密；自帶JTAG接口，便于程序的調(diào)試；集成外設(shè)：兩個(gè)8位定時(shí)計(jì)數(shù)器、兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、兩個(gè)8位PWM通道、6個(gè)16位PWM通道、8個(gè)10位 ADC通道、一個(gè)I2C接口、兩個(gè)可編程異步串行接口、一個(gè)SPI接口、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器和8個(gè)外部中斷源。

衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)主要由電源模塊、電子機(jī)箱、測(cè)試箱、工控機(jī)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(tái)電源并聯(lián), 輸出串聯(lián)二極管。在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中，測(cè)試箱的控制功能是通過(guò)Atmega128完成的。

測(cè)試箱的硬件原理如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)以AVR單片機(jī)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(jī)與工控機(jī)之間通過(guò)RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在設(shè)計(jì)中采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202來(lái)實(shí)現(xiàn)二者的電平兼容。為了能夠和測(cè)試系統(tǒng)的其它模塊進(jìn)行串口通信，采用Xicor公司的雙串口芯片ST16C2552外擴(kuò)了兩個(gè)串口，由于與外擴(kuò)串口通信的是-12V~+12V的信號(hào)，不是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此，要另外設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路。使用Altera公司的可編程邏輯器件EPM7128實(shí)現(xiàn)對(duì)DAC和ADC的邏輯控制；使用BB公司的12位ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)信號(hào)的測(cè)量；采用BB公司的12位DAC芯片DAC7615產(chǎn)生電地球波信號(hào)。

具體功能如下：

ADC測(cè)量：將輸入的10路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗匹配后連接到通道選擇器，再接到ADC芯片ADS7835的信號(hào)輸入端，ADC的輸出信號(hào)以及控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光隔離接到EPLD邏輯，在邏輯內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC啟動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)換通道的選擇，以及對(duì)時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的控制。

DAC 輸出：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)邏輯芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)DAC的片選、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)等信號(hào)的控制，DAC的輸出信號(hào)通過(guò)光隔離后，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行阻抗匹配后才接到整個(gè)測(cè)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(gè)DAC的輸出波動(dòng)很大，達(dá)不到輸出精度要求，因此，通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓芯片 AD584給DAC提供參考電壓。

頻率測(cè)量：電測(cè)箱需要對(duì)2路基準(zhǔn)信號(hào)和2路光柵信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，利用AVR單片機(jī)的外部中斷和計(jì)數(shù)器1、3實(shí)現(xiàn)測(cè)量。將2路基準(zhǔn)信號(hào)分別接到單片機(jī)的外中斷INT0和INT1，將光柵信號(hào)分別接到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器1和3。在電測(cè)箱需要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能中，電地球波的輸出是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)樾枰姷厍虿ǖ妮敵雠c基準(zhǔn)信號(hào)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(hào)，本文通過(guò)計(jì)數(shù)器1和3的比較中斷實(shí)現(xiàn)電地球波的輸出。

串口通信：通過(guò)單片機(jī)自帶的兩個(gè)異步串口，并經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換與上位工控機(jī)通信，通過(guò)雙串口芯片ST16C2552外擴(kuò)兩個(gè)串口與測(cè)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(hào)均經(jīng)過(guò)光隔離。

軟件實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)軟件

運(yùn)行在單片機(jī)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(gè)部分：

1、 光柵頻率測(cè)量：測(cè)量模擬基準(zhǔn)一個(gè)周期內(nèi)的光柵個(gè)數(shù)

在程序中，每次進(jìn)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(lái)時(shí))調(diào)用void do_gd_opt_frq()函數(shù)測(cè)量光柵頻率。

在do_gd_opt_frq ()函數(shù)中，先把前一次讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值保存在全局變量time1_prev中，再讀取計(jì)數(shù)器1的值并保存在time1_next中，因?yàn)閮纱沃袛嗟拈g隔就是模擬基準(zhǔn)的周期，有一個(gè)光柵脈沖計(jì)數(shù)器1就加1，所以，前后兩次的差值就是一個(gè)模擬基準(zhǔn)周期內(nèi)光柵的個(gè)數(shù)。

2、 模擬基準(zhǔn)幅度

在INT0的中斷處理函數(shù)中置一個(gè)全局標(biāo)志refoa_gd_flag = 0xff，在一個(gè)100?s的定時(shí)器的中斷處理函數(shù)中查詢(xún)此全局標(biāo)志，若置位，則對(duì)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(xún)r(jià)efoa_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(gè)點(diǎn)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(cè)量一個(gè)模擬基準(zhǔn)周期的毫秒值

在一個(gè)1ms的定時(shí)器溢出中斷處理函數(shù)中，全局的計(jì)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(cè)量值是無(wú)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(shí)器中斷中查詢(xún)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)榈碗娖剑瑀efoa_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(jī)串口傳過(guò)來(lái)的電地球波信息，如果是停止電地球波命令(state=0),通過(guò)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(kāi)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(jì)算出步距和斜率上各個(gè)點(diǎn)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(jì)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(shí)刻進(jìn)入計(jì)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(diǎn)，并通過(guò)DA輸出，若下一個(gè)比較中斷到來(lái)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(gè)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(jìn)入比較中斷。T4進(jìn)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(jiǎn)單，這里不再贅述。

軟件編譯與下載

由于單片機(jī)程序是采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)完成的，因此，需要用Image Craft公司的ICCAVR編譯器進(jìn)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(jìn)行調(diào)試。調(diào)試完成后，利用單片機(jī)的JTAG接口寫(xiě)入內(nèi)部閃存即可。

上位工控機(jī)軟件

運(yùn)行在工控機(jī)上的軟件主要負(fù)責(zé)處理AVR單片機(jī)通過(guò)串口傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行超差、報(bào)警的檢查，然后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)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(jī)軟件采用VC6.0編寫(xiě)，其中的數(shù)據(jù)庫(kù)部分采用ADO技術(shù)。ADO是Microsoft公司為最新和最強(qiáng)大的數(shù)據(jù)訪問(wèn)范例 OLE DB 而設(shè)計(jì)的，是一個(gè)便于使用的應(yīng)用程序?qū)咏涌凇DO 最主要的優(yōu)點(diǎn)是易于使用、速度快、內(nèi)存支出少且磁盤(pán)遺跡小。

結(jié)語(yǔ)

采用Atmel公司的AVR系列單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其外圍設(shè)備豐富、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單易用、支持在線仿真等特點(diǎn)使得系統(tǒng)的開(kāi)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(guò)Atmega128提供的定時(shí)計(jì)數(shù)器的比較中斷解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難題。