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)，并通過外擴(kuò)串口與其他測(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通信、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rs232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來實(shí)現(xiàn)二者的電平兼容。為了能夠和測(cè)試系統(tǒng)的其他模塊進(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)通過光隔離后，再經(jīng)過運(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)的其他模塊。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：通過單片機(jī)自帶的兩個(gè)異步串口，并經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與上位工控機(jī)通信，通過雙串口芯片st16c2552外擴(kuò)兩個(gè)串口與測(cè)試系統(tǒng)的其他模塊通信。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)100μs的定時(shí)器的中斷處理函數(shù)中查詢此全局標(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100μs的定時(shí)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(jī)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(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da輸出，若下一個(gè)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(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avrstudio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接口寫入內(nèi)部閃存即可。

上位工控機(jī)軟件

運(yùn)行在工控機(jī)的軟件主要負(fù)責(zé)處理avr單片機(jī)通過串口傳送過來的數(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，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(qiáng)大的數(shù)據(jù)訪問范例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?。ado最主要的優(yōu)點(diǎn)是易于使用、快速快、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(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其外圍設(shè)備豐富、集成開發(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(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。