CN202183018U - 一种基于dsp的神经网络小卫星智能故障诊断装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，包括数字信号处理器DSP及其***设备、可编程逻辑器CPLD、存储器单元、总线收发器和串口通信模块。本故障诊断装置可通过星上CAN总线监测各单机遥测参数，一旦监测到异常参数，可利用已建立的四层故障诊断BP神经网络诊断故障单机和原因，并显示结果，进行故障预警指示。同时，本故障装置还可通过采集单机地检串口信号、采集模拟量信号，进行故障诊断和预警。本故障诊断装置可对小卫星各分***多单机的各种参数同时监测，适用于定位复杂的***级故障，提高了小卫星测试过程中故障诊断的实时性和准确性，适应于不同配置和应用的小卫星整星测试及各分***联合测试。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种卫星故障诊断装置。
背景技术
研制周期短、生产成本低是小卫星的重要优点之一，小卫星已成为大卫星的必要补充，在空间技术领域中占有了越来越重要的地位。
目前，在进行小卫星地面测试时，大多利用多台计算机采集星上各分***、各单机的工作状态参数，而后根据设计依据文件进行人工或计算机辅助分别判别，这种方式耗费了大量时间和人力、物力成本，尤其是测试中的故障诊断方法，存在以下几个方面的问题：(1)由于小卫星各分***单机种类繁多、参数各异，而目前采用的判别方法过于解耦，因此难以快捷的通过单参数特异判别多征兆的***级故障；(2)现有故障诊断方法只能实时诊断出少部分简单故障原因，在复杂的故障发生后，难以模拟复现故障发生现场，致使故障原因难以准确诊断；(3)现有故障诊断方法缺乏自学***台和有效载荷的配置差别化；(4)由于目前地面测试***庞大、操作复杂，整星测试前的分***联试难以利用地面测试***资源，急需轻小型化故障诊断装置提高重要分***联试时的故障诊断能力。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，适用于卫星地面各级测试阶段的故障诊断和预警。
本实用新型的技术解决方案是：一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，包括数字信号处理器DSP、可编程逻辑器CPLD、存储器单元、总线收发器、串口通信模块；存储器单元中存储故障诊断BP神经网络算法和诊断参数的阈值；串口通信模块采集星上设备地检输出端信号并送至数字信号处理器DSP；总线收发器采集卫星CAN总线上所监测的参数源码并送至数字信号处理器DSP；数字信号处理器DSP通过ADC将星上模拟量转换为数字量信号，根据数据格式约定，获取所述数字量信号、参数源码或者星上设备地检输出端信号中包含的参数值，并和存储器单元中存储的对应参数的阈值进行比较，当参数值超出对应的阈值时由数字信号处理器DSP通过I/O口发出故障预警，同时调用存储器单元中的故障诊断BP神经网络算法得到相应的故障点和故障类型送至可编程逻辑器CPLD；可编程逻辑器CPLD启动显示器，使得显示器输出当前故障点和故障类型；当需要选择其他分***进行故障诊断时，可编程逻辑器CPLD启动键盘并将键盘输入信息读入，上传给数字信号处理器DSP进行新参数的故障诊断过程。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
(1)本实用新型故障诊断装置利用神经网络对多输入多输出的非线性模型的学习能力，可以对小卫星多单机的各种参数同时监测，易于耦合判断和定位表现复杂的***级故障；
(2)利用神经网络的鲁棒性和容错性可以使故障诊断结果更可靠，其对多故障现象的并行处理能力可以提高故障诊断的速度，满足实时性的要求；
(3)神经网络具有极强的自学习功能，通过简单的学习和训练过程，易于在不同应用和配置的小卫星测试过程中灵活应用；
(4)充分利用了DSP体积小、接口功能丰富、运算速度快等优点，适用于以太网、星上CAN总线通信网等各种介质，同时适用于各分***测试、整星联合测试等测试场合；DSP芯片内置AD转换模块，可以用于扩展采集星上模拟信号，作为智能故障诊断装置的重要参考信息，提高诊断实时性和覆盖性。
附图说明
图1为本实用新型故障诊断装置的结构图；
图2为本实用新型故障诊断装置的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型故障诊断装置从硬件上主要包括高速数字信号处理器DSP及其***设备、可编程逻辑器CPLD、存储器单元、总线收发器、串口通信模块。
1)本硬件的核心单元为高速数字信号处理器DSP，DSP选用TI公司的TMS320F2812，该DSP采用了多总线的哈佛结构，总线操作时序分为取指令、指令译码、取操作数和执行指令四个阶段并行处理，极大地加快了处理速度。该芯片采用程序与数据存储器统一编址的存储体组织形式，同一块存储空间既可以映射为程序空间也可以映射为数据空间，为用户分配存储器提供了很大的灵活性。它还提供了外部存储器接口，可扩展1.5M多的外部存储器。
另外，该DSP的外设资源也非常丰富：两个事件管理器模块EVA和EVB，可以处理与时间有关的时间事件和外部中断事件。该DSP还具有3个独立的CPU定时器、局域网CAN2.0B总线控制器、16个通道的12位ADC(最小转换时间为60ns)、串行通信接口(SCI)等等。该DSP的开发可以利用TI公司提供的集成开发环境Code Composer Studio 2.2，为用户提供了C/C++编译程序、汇编程序、连接程序以及基于Windows的调试程序，使用十分方便。
同时，由30Mhz晶振和电源共同构成DSP的最小***。电源芯片选用TPS73HD301，是TI公司专门为DSP设计的供电芯片，兼顾解决2812芯片内部上电顺序的问题，提高了***稳定性。
2)复杂可编程逻辑器CPLD，CPLD选用Altera公司的CPLDMAX7128，主要用于实现各个外部扩展功能模块的片选地址译码和逻辑功能的输入和输出。同时，为减轻核心单元DSP的负担，CPLD还完成对液晶显示屏、触摸式操作键盘等人机交互接口的控制。
3)为实现本故障诊断装置的可扩展性，以具备在各不同卫星分***下自适应应用的能力，满足编程以及升级需求，增加外扩存储器单元256K RAM和512K FLASH，分别为Integrated Circuit Solution公司的IS61LV25616芯片和FUJITSU公司的MBM29LV800BA芯片。
4)小卫星星上通信主要采用CAN总线，本故障诊断装置在参与卫星测试时将连入星上通信网以实时接收星上各分***各单机参数，以用于实时诊断故障。为实现该装置的CAN总线的差动发送和接收功能，选用飞利浦公司的SN65HVD230总线收发器作为DSP的CAN控制器和物理总线间接口，与其内置的CAN控制器模块连接，该总线收发器对于各种速率的CAN传输都具有良好的收发能力，具有较强的抗宽范围共模干扰、电磁干扰的能力。
5)小卫星星上设备有很大一部分配置了串口形式的地检，为方便使用本故障诊断装置与星上设备地检口通信，选用MAXIM的MAX232或者MAX489E作为串口通信模块，与DSP2812的内置的SCI串口通信模块直接相连，可实现波特率可调的串口通信方式，利用RS232或RS422通信标准与计算机通信。
6)DSP 2812内置12位ADC，可用于采集星表下传的各单机模拟信号，如姿轨控分***的陀螺马达电流等，ADC输入前端设置相关隔离、滤波等信号调理电路，以适应2812ADC输入端0～3V的电压范围。
***软件部分包括数据处理程序、BP神经网络训练程序、BP神经网络应用程序、CAN采集程序、串口采集程序、模拟量采集程序、预警中断程序以及键盘和显示程序。在运行各程序之初，首先运行各自的初始化子模块，读取保存在本地的配置文件，根据该配置文件信息，对各模块进行通信检测和状态检测，产生***运行参数。
根据小卫星故障预案处理先验知识库、在轨小卫星质量问题知识库以及各分***和单机研制生产知识库提取出小卫星各分***和各单机的关键参数。BP神经网络训练程序即以各分***关键参数异常现象为神经网络输入信号，以定位的故障类型为神经网络输出信号，建立四层故障诊断BP神经网络(FaultDiagnosis BP Neural Network，FD-BPNN)，进行多样本学习和训练。FD-BPNN包括输入层、第一层隐层、第二层隐层和输出层：其中，输入层和隐层的传输函数选用log-sigmoid函数，输出层传输函数选用线性函数，训练获得合适的权值，完成对故障模型的建立。
将训练完成的FD-BPNN的权值和输入输出函数固化为神经网络应用程序。将该程序在DSP的仿真测试平台CCS上进行调试仿真成功后，写入该装置DSP***的FLASH模块中。
装置软件启动后，CAN采集程序通过总线收发器SN65HVD230采集CAN总线上所监测的参数源码，数据处理程序根据数据格式约定、读取源码中的参数值并转换为约定物理单位量纲，同时，数据处理程序从FLASH中读取对应的参数正常阈值表，比较后输出异常参数类型及数值。
神经网络应用程序将数据处理程序采集到的异常参数信息作为神经网络输入信息，利用训练完毕的FD-BPNN输出判读的故障现象。此时进入预警中断程序，输出信号启动I/O口使故障预警指示灯闪烁。
当测试需要采集模拟信号时，启动模拟量采集程序，通过DSP内置的12位ADC将星上模拟量转换为数字量信号，模拟量采集程序将数字信号转换为约定物理单位量纲，同时从FLASH中读取模拟参数正常阈值表，比较后输出异常参数类型及数值。神经网络应用程序将数据处理程序采集到的异常参数信息作为神经网络输入信息，利用训练完毕的FD-BPNN输出判读的故障现象。此时进入预警中断程序，输出信号启动I/O口使故障预警指示灯闪烁。
当测试时需要采集星上设备地检输出端信号时，启动串口采集程序，通过MAX232或者MAX489E(根据星上设备串口协议选择)，获取星上参数信息，同时从FLASH中读取参数正常阈值表，比较后输出异常参数类型及数值。神经网络应用程序将数据处理程序采集到的异常参数信息作为神经网络输入信息，利用训练完毕的FD-BPNN输出判读的故障现象。此时进入预警中断程序，输出信号启动I/O口使故障预警指示灯闪烁。
当故障发生后，CPLDMAX7128启动键盘和显示程序，使得显示器输出当前故障单机和分***。同时，当需要选择其他分***进行故障诊断时，通过显示器提示进行键盘操作，CPLDMAX7128启动键盘和显示程序，将键盘输入信息读入，上传给DSP自动生成配置文件并保存，按照设置的参数来运行相关分***程序，从而完成分***选择设置，同时，将显示器上相关分***着色显示。
下面分别以姿轨控分***、电源分***、星务分***、相机分***的故障诊断为例对本实用新型的使用进行介绍。
1)姿轨控分***故障诊断：
a)硬件设置：首先，利用键盘操作选择姿轨控分***作为当前诊断的分***，读取显示屏确认选择成功，此时姿轨控分***应为着色显示。其次，将该智能故障诊断装置接入星上CAN总线网络，通过CAN总线获取姿轨控分***的状态遥测参数。
当测试需要采集姿轨控分***模拟信号时，将姿轨控分***中心计算机的模拟信号输出端与智能故障诊断装置的ADC输入端连接，以获取姿轨控分***陀螺、红外地球敏感器等部件的模拟信号。
在进行分***测试时需要采集单机地检输出端信号时，如动量轮，将姿轨控分***单机的地检口与智能故障诊断装置的MAX232或者MAX489E接口连接，以获取动量轮地检信号。
b)软件设置：以姿轨控分***关键参数异常现象为神经网络输入信号，以定位的故障类型为神经网络输出信号，针对姿轨控分***建立FD-BPNN，完成训练后固化为姿轨控分***神经网络应用程序。将该程序在DSP的仿真测试平台CCS上进行调试仿真成功后，写入该装置DSP***的FLASH中，完成软件设置。
c)诊断过程：姿轨控分***陀螺加电工作过程中，通过总线收发器SN65HVD230采集CAN总线上所监测陀螺马达电流遥测值，同时，从FLASH中读取正常阈值表中马达电流正常阈值，当该参数超出设定阈值，启动I/O口输出信号使得故障预警指示灯闪烁，同时通过CPLD在液晶屏上显示故障参数对应的设备陀螺及姿轨控分***。DSP此时根据故障设备及分***信息，启动姿轨控分***神经网络应用程序，将陀螺马达电流遥测值作为FD-BPNN输入信息，神经网络应用程序经过FD-BPNN多层计算，输出定位为陀螺堵转故障。其后DSP读取FLASH中预存建议处理方案代码并显示。根据智能故障诊断装置的诊断结果，对陀螺头部进行检测，可验证诊断结果。如应用至其他型号小卫星姿轨控分***，需重新配置测试参数，可对智能故障诊断装置进行重新初始化设置。
2)电源分***故障诊断：
a)硬件设置：首先，利用键盘操作选择电源分***作为当前诊断的分***，读取显示屏确认选择成功，此时电源分***应为着色显示。其次，将该智能故障诊断装置接入星上CAN总线网络，通过CAN总线获取电源分***的状态遥测参数。
当测试需要采集电源分***模拟信号时，将电源分***的模拟信号输出端与智能故障诊断装置的ADC输入端连接，以获取电源分***蓄电池等部件的模拟信号。
在进行分***测试时需要采集单机地检输出端信号时，将单机的地检口与智能故障诊断装置的MAX232或者MAX489E接口连接，以获取其地检信号。
b)软件设置：以电源分***关键参数异常现象为神经网络输入信号，以定位的故障类型为神经网络输出信号，针对电源分***建立FD-BPNN，完成训练后固化为电源分***神经网络应用程序。将该程序在DSP的仿真测试平台CCS上进行调试仿真成功后，写入该装置DSP***的FLASH中，完成软件设置。
c)诊断过程：电源分***蓄电池处于充电过程时，通过总线收发器SN65HVD230采集CAN总线上所监测蓄电池充电时温度遥测值，同时，从FLASH中读取正常阈值表中蓄电池充电时温度正常阈值20℃，当该参数超出设定阈值20℃时，启动I/O口输出信号使得故障预警指示灯闪烁，同时通过CPLD在液晶屏上显示故障参数对应的设备蓄电池及电源分***。DSP此时根据故障设备及分***信息，启动电源分***神经网络应用程序，将蓄电池充电时温度遥测值作为FD-BPNN输入信息，神经网络应用程序经过FD-BPNN多层计算，输出定位为蓄电池充满电后没有有效终止充电，造成过充电。其后DSP读取FLASH中预存建议处理方案代码并显示。根据智能故障诊断装置的诊断结果，对蓄电池进行检测，可验证诊断结果。如应用至其他型号小卫星电源分***，需重新配置测试参数，可对智能故障诊断装置进行重新初始化设置。
3)星务分***故障诊断：
a)硬件设置：首先，利用键盘操作选择星务分***作为当前诊断的分***，读取显示屏确认选择成功，此时星务分***应为着色显示。其次，将该智能故障诊断装置接入星上CAN总线网络，通过CAN总线获取星务分***的状态遥测参数。
当测试需要采集星务分***模拟信号时，将星务分***的模拟信号输出端与智能故障诊断装置的ADC输入端连接，以获取星务分***部件的模拟信号。
在进行分***测试时需要采集单机地检输出端信号时，将单机的地检口与智能故障诊断装置的MAX232或者MAX489E接口连接，以获取其地检信号。
b)软件设置：以星务分***关键参数异常现象为神经网络输入信号，以定位的故障类型为神经网络输出信号，针对星务分***建立FD-BPNN，完成训练后固化为星务分***神经网络应用程序。将该程序在DSP的仿真测试平台CCS上进行调试仿真成功后，写入该装置DSP***的FLASH中，完成软件设置。
c)诊断过程：星务分***上电工作后星时开始累计，通过总线收发器SN65HVD230采集CAN总线上所监测星务中心计算机主份星时遥测值，同时，从FLASH中读取正常阈值表中正常阈值比较，当星时累计混乱时，启动I/O口输出信号使得故障预警指示灯闪烁，同时通过CPLD在液晶屏上显示故障参数对应的设备星务中心计算机及星务分***。DSP此时根据故障设备及分***信息，启动星务分***神经网络应用程序，将星时遥测值作为FD-BPNN输入信息，神经网络应用程序经过FD-BPNN多层计算，输出定位为星务中心计算机主份工作异常。其后DSP读取FLASH中预存建议处理方案代码并显示。根据智能故障诊断装置的诊断结果，对星务中心计算机进行检测，可验证诊断结果。如应用至其他型号小卫星星务分***，需重新配置测试参数，可对智能故障诊断装置进行重新初始化设置。
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，其特征在于包括：数字信号处理器DSP、可编程逻辑器CPLD、存储器单元、总线收发器、串口通信模块；存储器单元中存储故障诊断BP神经网络算法和诊断参数的阈值；串口通信模块采集星上设备地检输出端信号并送至数字信号处理器DSP；总线收发器采集卫星CAN总线上所监测的参数源码并送至数字信号处理器DSP；数字信号处理器DSP通过ADC将星上模拟量转换为数字量信号，根据数据格式约定，获取所述数字量信号、参数源码或者星上设备地检输出端信号中包含的参数值，并和存储器单元中存储的对应参数的阈值进行比较，当参数值超出对应的阈值时由数字信号处理器DSP通过I/O口发出故障预警，同时调用存储器单元中的故障诊断BP神经网络算法得到相应的故障点和故障类型送至可编程逻辑器CPLD；可编程逻辑器CPLD启动显示器，使得显示器输出当前故障点和故障类型；当需要选择其他分***进行故障诊断时，可编程逻辑器CPLD启动键盘并将键盘输入信息读入，上传给数字信号处理器DSP进行新参数的故障诊断过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，其特征在于：所述的数字信号处理器DSP为TI公司的TMS320F2812。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，其特征在于：所述的可编程逻辑器CPLD为Altera公司的CPLDMAX7128。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，其特征在于：所述的存储器单元为Integrated Circuit Solution公司的IS61LV25616芯片和FUJITSU公司的MBM29LV800BA芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，其特征在于：所述的总线收发器为飞利浦公司的SN65HVD230。
6.根据权利要求1所述的一种基于DSP的神经网络小卫星智能故障诊断装置，其特征在于：所述的串口通信模块为MAXIM的MAX232或者MAX489E。
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