CN113311222A - 一种卫星模拟信号的采集*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卫星模拟信号的采集***，包括通道选择单元、滤波单元、AD转换单元以及控制单元。其中，通道选择单元与控制单元可通信地连接，用于根据控制单元的指令选择待采集的模拟信号通道，包括至少一个一级选择单元以及二级选择单元，滤波单元与二级选择单元的输出端连接，对选取的模拟信号通道中的信号进行滤波操作，AD转换单元与滤波单元的输出端连接，对滤波后的信号进行模数转换，控制单元与CPU通信地连接，包括数据缓存区及控制逻辑，数据缓存区与AD转换单元可通信地连接，用于缓存所述滤波后的信号模数转换结果，控制逻辑与通道选择单元及AD转换单元可通信地连接，用于选择、切换待采集的模拟信号通道，以及控制AD转换单元。

Description

一种卫星模拟信号的采集***

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种卫星模拟信号的采集***。

背景技术

对于卫星而言，模拟信号的采集对于各个分***都是必不可少的操作，卫星各分***对于模拟信号的采集数量及精度都有较高的需求。

目前，对于模拟信号的采集一般有两种方式，一种是处理器直接采集法，这种方法硬件接口电路简单，若在设计时选用功能集成度高的处理器，即选择集成了AD功能的处理器，可直接对模拟信号进行采集，但这种方法可采集的模拟信号的数量有限，很难满足卫星对姿控分***、能源分***、热控分***等模拟信号的采集数量的需求，而如需要增加采集路数，则需要增加多路开关扩展采集数量，即使是解决了数量需求的局限，CPU集成的AD转换芯片的采样精度也不能满足更高采样精度的需求，同时，在CPU进行开关选通、采样时，还占用了CPU的资源，降低了CPU的使用效率；另一种使用过处理器加AD转换器来实现模拟信号的采集，目前，卫星的星务计算机多采用这一方法，该方法同样需要采用多路开关增加采集数量，其优点在于可根据需求，选择采样进度满足需求的AD转换器，既满足了数量需求又满足了精度要求。但是，同样在CPU进行开关选通、采样时，占用了CPU的资源，尤其是在集中式控制的***中，模拟信号采集路数至少有100多路，如加上平滑，则有近千路，将大大降低CPU的使用效率，从而影响卫星的性能。

发明内容

基于现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种卫星模拟信号的采集***，包括：

通道选择单元，其与控制单元可通信地连接，用于根据所述控制单元的指令选择模拟信号通道，包括：

至少一个一级选择单元，其输入端与待采集的模拟信号通道连接；以及

二级选择单元，其输入端与所述一级选择单元的输出端连接；

滤波单元，其与所述二级选择单元的输出端连接，用于对选取的模拟信号通道中的信号进行滤波操作；

AD转换单元,其与所述滤波单元的输出端连接，用于对滤波后的信号进行模数转换；以及

控制单元，其与CPU通信地连接，包括：

数据缓存区，其与所述AD转换单元可通信地连接，用于缓存所述滤波后的信号模数转换结果；以及

控制逻辑，其与所述通道选择单元及AD转换单元可通信地连接，用于通道的选择、切换，以及AD转换单元的控制。

进一步地，所述待采集的模拟信号通道包括电压量信号通道以及测温量信号通道。

进一步地，所述采集***还包括参考源及基准电阻，所述参考源及基准电阻连接于所述测温量信号通道与所述通道选择单元之间。

进一步地，所述参考源电压为5V，以及所述基准电阻为20KΩ。

进一步地，任一所述一级选择单元包括至少一个第一模拟电子开关，以及所述二级选择单元包括至少一个第二模拟电子开关，其中，任一所述第一模拟电子开关的输入端与待采集的模拟信号通道以及所述控制逻辑连接，输出端则与所述第二模拟电子开关的输入端连接，所述第二模拟电子开关的输入端还与分***参考地以及所述控制逻辑连接，输出端与滤波单元连接，输出差分信号。

进一步地，所述AD转换单元包括至少一个AD转换器，其中所述AD转换器的数量与所述第二模拟电子开关的数量相同。

进一步地，所述AD转换单元包括两个AD转换器。

进一步地，所述控制单元包括FPGA，其通过IO总线与CPU可通信地连接。

本发明提供的一种卫星模拟信号的采集***，采用独立的控制单元实现模拟信号的采集及AD转换，CPU仅在***加电时进行参数的配置，以及在信号采集完成后进行信号读取，其余关键操作，例如通道选择、等待信号稳定、信号平滑、AD转换等，均由所述控制单元控制，大大降低了模拟信号采集对CPU资源的消耗，显著的提高了CPU的使用效率，从而提高了软件的安全可靠性，保障了卫星的安全可靠。此外，所述控制单元还可配置模拟信号的平滑次数。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种卫星模拟信号的采集***的结构示意图；

图2示出本发明一个实施例的控制单元的体系结构示意图；

图3示出本发明一个实施例的通道选择单元的结构示意图；

图4示出本发明一个实施例的通道选择单元的电路结构示意图；以及

图5示出本发明一个实施例的滤波单元及AD转换单元的电路结构示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

在现有的卫星设计中，多采用处理器加AD转换芯片来实现模拟信号采集，并采用多路开关增加采集数量，虽然其可以满足模拟量采集的数量及精度需求，但是，对CPU资源的占用较多，会影响卫星的性能。这主要是由于卫星的模拟信号大都是缓变量，因此，在AD采集前通常需要增加低通滤波器，正常而言，采集信号的稳定需要约150uS，多路开关接通需要20uS，AD转换器的AD转换时间为30uS，因此，每路AD采样需约200uS。对于小卫星而言，其模拟采集信号包括约100路热敏，以及姿控所需要的10次平滑的50路模拟量，这使得其整体的采集时间需要120mS，对于控制为4Hz的小星务软件而言，软件周期仅为250mS，模拟信号采集所耗费的时间显然耗费了过多的处理器的资源，使得留给处理器运算、逻辑管理、任务调度的时间太短，给后续的应用软件运行增加压力和带来风险。发明人通过研究发现，在模拟信号采集过程中，CPU对通道选择、等待信号的稳定、等待采集转换完成等步骤较为明确，且等待时间相对固定，基于此，为了在保障模拟信号采集精度的基础上，降低CPU在模拟信号采集上所花费的时间，本发明提供一种卫星模拟信号的采集***，将部分耗时多的逻辑管理功能交由独立的控制单元去实现，使得CPU仅需进行参数的配置以及结果的读取，所述独立的控制单元可为FPGA，其可实现通道选择、信号平滑，并将采集结果及DA输出放入约定的CPU地址空间，在此期间，CPU无需等待，可进行其他运算或操作，直至CPU需要模拟信号信息时，才从所述控制单元中读取AD转换结果和需要的姿控模拟信号平滑结果，读取时间不足200uS，大大降低了模拟信号采集对CPU资源的消耗，显著提高了CPU的使用效率，从而提高了软件的安全可靠性，保障了卫星的安全可靠。此外，模拟信号的平滑次数，对于模拟信号平滑的路数都可通过软件配置。

下面结合实施例附图，对本发明的方案作进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种卫星模拟信号的采集***的结构示意图。如图1所示，一种卫星模拟信号的采集***包括通道选择单元101、滤波单元102、AD转换单元103以及控制单元104。

所述控制单元包括数据缓存区141、控制逻辑142以及接口控制逻辑143，其中，所述数据缓存区141与所述AD转换单元103可通信地连接，用于缓存模数转换结果，便于后续CPU读取转换结构，所述控制逻辑142与所述通道选择单元101及AD转换单元103可通信地连接，用于根据CPU的参数配置生成通道选择信号，进行通道的选择、切换，以及AD转换单元的控制，所述接口控制逻辑143则用于提供与外部总线的接口；在本发明的一个实施例中，所述控制单元104包括FPGA。以包括两路AD转换器的***为例，图2示出本发明一个实施例的控制单元的体系结构示意图。如图2所示，所述控制单元104通过FPGA实现，所述FPGA包括通道号双端口201、采集状态机202、数据双端口231、232，用户双端口204、状态搬运机205以及锁存器及信号生成206。所述FPGA的工作过程如下：CPU通过IO总线向FPGA内部的通道号双端口201写入通道对应的模拟开关通道号，然后，采集状态机202控制2路AD转换器对对应的模拟开关通道进行数据采集及转换，并将2路AD转换器的转换结果分别存储在数据双端口231和数据双端口232中，当需要模拟信号信息时，CPU通知搬运状态机205进行数据读取，则搬运状态机205将当前采样的数据的转换结果从数据双端口231和数据双端口232中搬运到用户双端口204中等待用户进行读取，完成对所有模拟信号采集等待CPU读取。所述锁存器及信号生成206可接收CPU发送的数据，并发送给数模转换器进行转换后输出。由于所述采集***应用于卫星，出于安全性考量，关键寄存器采用了TMR的技术，同时对采集状态机运行情况进行监控。表1示出所述FPGA寄存器及IO端口的地址分配说明。

表1

所述通道选择单元101与所述控制逻辑142可通信地连接，用于接收通道选择信号，进而根据所述通道选择信号选取待采集的模拟信号通道。图3示出本发明一个实施例的通道选择单元的结构示意图。如图3所示，由于对卫星而言，需要采集的模拟信号通常包括电压量和温度量，其均可通过模拟开关以差分方式输入给AD转换器进行转换，因此，所述通道选择单元101包括两级选择单元。其中，一级选择单元121可以为1个或多个，其与待采集的模拟信号通道连接，并可接收所述控制逻辑发送的通道选择信号，并根据所述通道选择信号选通相应的模拟量信号通道，在本发明的一个实施例中，所述一级选择单元121与所述待采集的模拟信号通道之间还设置有输入保护电路123。二级选择单元122可以为一个或多个，任一所述二级选择单元与对应的各个一级选择单元121的输出端连接，并可接收所述控制逻辑发送的通道选择信号，根据所述通道选择信号选通模拟信号和相对应的分***参考地，进而构成对应信号通道的差分对。

所述滤波电路102与所述通道选择单元101的输出端连接，用于对选取的模拟信号通道中的信号进行滤波操作。在本发明的一个实施例中，所述滤波电路可以包括多路，与所述二级选择单元一一对应。

所述AD转换单元103的输入端与所述滤波单元102的输出端连接，输出端与所述数据缓存区141连接，用于对滤波后的模拟信号进行模数转换。在本发明的一个实施例中，所述AD转换单元可以包括多路AD转换器，且所述AD转换器与所述二级选择单元一一对应。

在本发明的一个实施例中，所述采集***还包括数模转换器105及其相应的输出保护电路151。在本发明的又一个实施例中，所述采集***还包括隔离放大器106。

为验证本发明提供的采集***，下面以某卫星为例，具体描述所述采集***的电路结构。

在所述卫星中，模拟量采集包括电压量和温度量，AD转换信号一共有128路，模拟量输入信号为差分信号。由于电压量信号可以直接进入电子开关，而对温度量信号而言，需要提供标准参考源和基准电阻，其中，基准电阻选用高精度20KΩ电阻，参考源由AD584通过12V电压转换为5V提供。AD584有10mA的电流输出能力，在所述卫星中，温度量一共有45路，每一路的上拉电阻为20KΩ，因此，从降额设计的角度出发，需要有2路AD转换器，每一路AD转换器给其中的23路提供参考源。由于每一路温度量采集通道的基准电阻为20KΩ，参考源电压为5V，所以不考虑热敏电阻本身的阻抗，每路最大消耗电流为0.25mA，23路总共消耗电流5.75mA，这时考虑热敏电阻本身的阻抗，则降额能够满足一级降额的设计要求。

针对所述卫星的信号采集需求，采用模拟开关HI1-0546/883和HI1-0547/883形成通道选择单元101，模拟开关HI1-0546/883和HI1-0547/883的输入信号过压能力可达到±35V，并且具有优异的抗闩锁功能。AD转换器选用AD1674，其转换过程控制以及通道之间的切换设计用FPGA实现，硬件以互锁方式控制开关选通状态，复位状态选通两路通道，等待CPU启动信号进行转换。

图4示出本发明一个实施例的通道选择单元的电路结构示意图。如图4所示，所述一级选择单元121由模拟开关HI1-0546/883组成，选通相应的模拟量信号通道；二级选择单元122由HI1-0547/883组成，其可同时选通模拟信号和相对应的分***参考地，构成对应信号通道的差分对，经所述滤波单元后，进行模数转换，其中通道选择控制信号由控制单元生成。在进行通道选择的过程中，FPGA只需要输出CH1-CH8和CHEN1-CHEN8，***初始态必须保证这些信号全部为0，初始化完成后，通道自动选通两路模拟量。其中CH4，CH3，CH2，CH1和CHEN4，CHEN3，CHEN2，CHEN1输入至一级选择单元121的使能端口，负责选通两个AD转换器的所有通道；CHEN8，CHEN7，CHEN6，CHEN5输入至第二路AD转换器对应的二级选择单元122的使能端口，以及CH8，CH7，CH6，CH5输入至第一路AD转换器对应的二级选择单元122的使能端口，负责选通每一个通道所对应的分***差分地。

图5示出本发明一个实施例的滤波单元及AD转换单元的电路结构示意图。如图5所示，二级选择单元122的输出通过滤波单元滤波及隔离放大器放大后，输入到AD转换器中，AD转换器根据FPGA发送的控制信号，进行数据转换。其中所述滤波单元包括放大器AD620及电阻，所述隔离放大器包括运放OP27及相应的***电路。所述AD转换器采用AD1674，其控制采用全控方式，由FPGA进行控制，AD转换结果存储于FPGA中，等待CPU读取。

本发明提供的一种卫星模拟信号的采集***，采用FPGA实现模拟信号的采集，在***上电后，有CPU进行参数配置，配置完成后不需要CPU参与，由FPGA实现对AD转换器的管理，包括采集逻辑、等待时间、平滑次数控制等，CPU不需等待，仅需在需要时读取所采集模拟信号的转换结果，具有智能、高效、可靠等特点。同时，所述采集***可对所有模拟通道的信号进行可平滑，且平滑测次数可为1～16次，直接给出平滑结果。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (8)

1.一种卫星模拟信号的采集***，其特征在于，包括：

通道选择单元，其与控制单元可通信地连接，且被配置为能够根据所述控制单元的指令选择待采集的模拟信号通道，包括：

至少一个一级选择单元，其输入端与待采集的模拟信号通道连接；以及

二级选择单元，其输入端与所述一级选择单元的输出端连接；

滤波单元，其与所述二级选择单元的输出端连接，且被配置为能够对选取的模拟信号通道中的信号进行滤波操作；

AD转换单元,其与所述滤波单元的输出端连接，且被配置为能够对滤波后的信号进行模数转换；以及

控制单元，其与CPU通信地连接，包括：

数据缓存区，其与所述AD转换单元可通信地连接，且被配置为能够缓存所述滤波后的信号模数转换结果；以及

控制逻辑，其与所述通道选择单元及AD转换单元可通信地连接，且被配置为能够选择、切换待采集的模拟信号通道，以及控制所述AD转换单元。

2.如权利要求1所述的采集***，其特征在于，所述待采集的模拟信号通道包括电压量信号通道以及测温量信号通道。

3.如权利要求2所述的采集***，其特征在于，所述采集***还包括参考源及基准电阻，所述参考源及基准电阻连接于所述测温量信号通道与所述通道选择单元之间。

4.如权利要求3所述的采集***，其特征在于，所述参考源电压为5V，以及所述基准电阻为20KΩ。

5.如权利要求1所述的采集***，其特征在于，任一所述一级选择单元包括至少一个第一模拟电子开关，以及所述二级选择单元包括第二模拟电子开关，其中：

任一所述第一模拟电子开关的输入端与待采集的模拟信号通道以及所述控制逻辑连接，输出端与所述第二模拟电子开关的输入端连接；以及

所述第二模拟电子开关的输入端与第一模拟电子开关的输出端、分***参考地以及所述控制逻辑连接，输出端与滤波单元连接，输出差分信号。

6.如权利要求1所述的采集***，其特征在于，所述AD转换单元包括至少一个AD转换器，其中所述AD转换器的数量与所述二级选择单元的数量相同。

7.如权利要求1所述的采集***，其特征在于，所述AD转换单元包括两个AD转换器。

8.如权利要求1所述的采集***，其特征在于，所述控制单元包括FPGA，其通过IO总线与CPU可通信地连接。

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