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基于AVR单片机的卫星地面测控系统设计

2012年02月13日 ?? 收藏1
引言

本文介绍了单片机Atmega128在一种卫星地面测控系统中的应用,该系统利用Atmega128完成了10路模拟信号的测量、4路脉冲信号的频率测量以及脉冲宽度的测量,由单片机上的16位定时计数器输出两路与输入信号具有相位关系的信号,并通过外扩串口与其它测试模块及工控机进行通信。由于要求系统能够连续稳定工作3年,并且数据不能丢失,因此,在设计时采用了双电源冗余热备份的方案,并且采用两个工控机同时接收数据并互为备份的设计方案。

硬件设计

Atmega128属于Atmel公司的AVR系列单片机,是一种高性能、低功耗的8位控制器,执行大多数指令只需要一个时钟周期。其最高主频可达到16MHz;自带128KB可在线编程的闪存、4KB的EEPROM、4KB的SRAM,程序可进行加密;自带JTAG接口,便于程序的调试;集成外设:两个8位定时计数器、两个16位定时计数器、两个8位PWM通道、6个16位PWM通道、8个10位 ADC通道、一个I2C接口、两个可编程异步串行接口、一个SPI接口、一个看门狗定时器和8个外部中断源。

卫星地面测控系统主要由电源模块、电子机箱、测试箱、工控机以及红外地球敏感器构成,系统结构如图1所示。其中两台电源并联, 输出串联二极管。在整个测控系统中,测试箱的控制功能是通过Atmega128完成的。

图1 卫星地面测控系统结构图

测试箱的硬件原理如图2所示。测试系统以AVR单片机为核心,外围电路由串口通信、ADC采样和DAC输出等部分构成。

测试箱的硬件原理

单片机与工控机之间通过RS-232标准总线进行数据通信,在设计中采用电平转换芯片MAX202来实现二者的电平兼容。为了能够和测试系统的其它模块进行串口通信,采用Xicor公司的双串口芯片ST16C2552外扩了两个串口,由于与外扩串口通信的是-12V~+12V的信号,不是标准电平,因此,要另外设计电平转换电路。使用Altera公司的可编程逻辑器件EPM7128实现对DAC和ADC的逻辑控制;使用BB公司的12位ADC实现对遥测信号的测量;采用BB公司的12位DAC芯片DAC7615产生电地球波信号。

具体功能如下:

ADC测量:将输入的10路模拟信号经过阻抗匹配后连接到通道选择器,再接到ADC芯片ADS7835的信号输入端,ADC的输出信号以及控制信号经过光隔离接到EPLD逻辑,在逻辑内部实现对ADC启动信号、转换通道的选择,以及对时钟信号、数据信号的控制。

DAC 输出:单片机通过逻辑芯片实现对DAC的片选、时钟、数据等信号的控制,DAC的输出信号通过光隔离后,再经过运算放大器进行阻抗匹配后才接到整个测试系统的其它模块。DAC参考电压的稳定性至关重要,如果参考电压稳定性差,将导致整个DAC的输出波动很大,达不到输出精度要求,因此,通过一个稳压芯片 AD584给DAC提供参考电压。

频率测量:电测箱需要对2路基准信号和2路光栅信号进行测量,利用AVR单片机的外部中断和计数器1、3实现测量。将2路基准信号分别接到单片机的外中断INT0和INT1,将光栅信号分别接到单片机的计数器1和3。在电测箱需要实现的各项功能中,电地球波的输出是一个难点,因为需要电地球波的输出与基准信号具有相位关系,并且要求输出具有可变相位、幅度和斜率的信号,本文通过计数器1和3的比较中断实现电地球波的输出。

串口通信:通过单片机自带的两个异步串口,并经过电平转换与上位工控机通信,通过双串口芯片ST16C2552外扩两个串口与测试系统的其它模块通信,此外,为保证系统的可靠性,所有的信号均经过光隔离。


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ADC? DAC? 串口通信? 定时计数器?

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