李哲 劉棟斌 李聞先

摘要：針對一種航天遙感光譜儀定標機構(gòu)的可靠性測試，設計了一套操作簡單、使用方便的控制系統(tǒng)，可以自動驅(qū)動定標機構(gòu)電機進行測試，不但能完整記錄次數(shù)、電機步數(shù)、定標機構(gòu)溫度等關(guān)鍵參數(shù)，而且可以識別定標機構(gòu)的異常狀態(tài)并中止試驗。實踐證明該系統(tǒng)可以很好地滿足測試要求，且自動化程度高，方便設計人員發(fā)現(xiàn)問題并進行改進，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：光譜儀；定標機構(gòu)；可靠性

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）31-0196-03

The Design of Onboard Calibration Mechanism Reliability Testing System

LI Zhe， LIU Dong-bin， LI Wen-Xian

（Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）

Abstract： Aimed at a space remote sensing spectrometercalibrationmechanism reliability test， a control system which can be operated easily and used conveniently is designed for automatic test. It can not only save thekeyparameters， such ascycles， motor steps， temperature of the calibrationmechanism and so on， but also can identifythe abnormalstatus and stop the test. Theexperimental results show that the system can meetrequirements of the test. The system has the advantage ofhigh automation level， can help thedesigner to find and solve the problems efficiently.

Key words： spectrometer； calibration mechanism； reliability

1概述

目前，航天遙感光譜儀被廣泛應用于資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、大氣成分分析、農(nóng)作物估產(chǎn)、災害預警等相關(guān)領(lǐng)域。由于空間環(huán)境惡劣以及隨著時間的推移，探測器及光學系統(tǒng)的性能會持續(xù)下降，而光譜儀的數(shù)據(jù)準確性會直接影響分析的結(jié)果，所以專門設計了一套帶有漫反射板的可伸縮對日定標機構(gòu)，在必要時進行在軌定標以確保光譜儀數(shù)據(jù)的準確性[1][2]。

星上對日定標時，機構(gòu)展開漫反射板至光譜儀鏡頭前，將太陽光反射至光譜儀中[3]，對地工作時，機構(gòu)收回漫反射板，而在航天工程中，對活動部件的可靠性要求很高，機構(gòu)展開失敗會導致不能定標，機構(gòu)收回失敗則會導致光譜儀被遮擋不能完成觀測任務。故本文為定標機構(gòu)的可靠性試驗而設計了一套控制系統(tǒng)，并對測試結(jié)果進行了分析，進而幫助改進定標機構(gòu)的設計。

2定標機構(gòu)

定標機構(gòu)由支架、漫反射板驅(qū)動機構(gòu)、漫反射板保護蓋驅(qū)動機構(gòu)、漫反射板、漫反射板保護蓋、霍爾傳感器、行程開關(guān)、鎖緊釋放電磁鐵等部件組成，漫反射板驅(qū)動機構(gòu)由步進電機、諧波減速器、主軸、軸承、齒輪齒條及導軌組成，如圖1所示。定標機構(gòu)的漫反射板由步進電機驅(qū)動進行打開和關(guān)閉操作，并通過霍爾傳感器和行程開關(guān)來反饋打開及關(guān)閉的狀態(tài)。

圖1 定標機構(gòu)

3測試系統(tǒng)設計

測試系統(tǒng)主要完成控制步進電機進行打開、關(guān)閉操作，霍爾元件及行程開關(guān)狀態(tài)、溫度、電壓等參數(shù)的采集，并根據(jù)參數(shù)判斷當前的機構(gòu)狀態(tài)，自動執(zhí)行測試或中止測試。整個測試系統(tǒng)由電源、測試控制電箱和上位機組成，如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)框圖

3.1測試控制電箱設計

測試控制電箱中核心器件為Xilinx公司的FPGA-XC3S400，并通過VHDL硬件描述語言實現(xiàn)邏輯電路功能。定標機構(gòu)在展開端安裝了兩個霍爾元件和一個行程開關(guān)，展開霍爾2的位置高于展開霍爾1，展開行程開關(guān)為機械限位位置是最高端；收回段也安裝了兩個霍爾元件和一個行程開關(guān)，收回霍爾2的位置低于收回霍爾1，收回行程開關(guān)為機械限位位置是最低端?；魻栐托谐涕_關(guān)的接到由5V電壓到地的2kΩ與3kΩ的中間一端并與FPGA的IO相連，無效時為3V，IO端為高，有效時為0V，IO端為低。電壓定標機構(gòu)所使用的電機為步進電機，控制方式為四相八拍，使用1KHz的工作頻率。電機控制指令包括3個字節(jié)，首字節(jié)代表方向，16進制的“33”代表展開方向，16進制的“CC”代表關(guān)閉方向，后兩個字節(jié)代表電機步數(shù)，因定標機構(gòu)的行程最大為29000步，所以將最大步數(shù)限制為30000步。FPGA接收到指令后，首先判斷方向，如果不是“33”或“CC”則不執(zhí)行，如果超過30000步則最大走行3000步，如果指令正確，則根據(jù)方向及步數(shù)按順序發(fā)出四相八拍的時序信號。監(jiān)測關(guān)鍵電壓信號D+5V，A+5V，+12V，-12V，以及機構(gòu)上的4個溫度值，使用的是AD7890芯片，此芯片有8個輸入端，1個輸出端，通過地址從0到7依次讀出8個輸入端的電壓信號，設定每0.1s更換一次地址。測試控制電箱使用RS-422通信接收計算機發(fā)出的控制指令，F(xiàn)PGA進行串并轉(zhuǎn)換，識別命令，執(zhí)行命令，并將定標機構(gòu)相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)進行并串轉(zhuǎn)換，上傳至計算機，發(fā)送芯片為DS26LV31，接收芯片為DS26LV32。

圖3 電箱硬件框圖

3.2上位機軟件設計

上位機使用的是USB轉(zhuǎn)RS-422接口，上位機軟件通過此接口與測試控制電箱實現(xiàn)通信，發(fā)送控制指令，并接收定標機構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，上位機軟件如圖4所示。上位機發(fā)送的命令主要有兩條：1.電機切換指令，電機驅(qū)動有主備份可選；閉環(huán)控制響應霍爾及行程狀態(tài)，開環(huán)則不響應；機構(gòu)打開判據(jù)可以選擇打開霍爾1、打開霍爾2或打開行程，機構(gòu)關(guān)閉判據(jù)可以選擇關(guān)閉霍爾1、關(guān)閉霍爾2或關(guān)閉行程。2定標機構(gòu)控制設置指令，方向“33”為打開，“CC”為關(guān)閉；電機步數(shù)最大設置為30000步。上位機的定標機構(gòu)老煉采用定時器設置，因定標機構(gòu)從兩個限位端的最遠距離電機29000步可以走完，且最大設置為30000步，電機工作在1kHz，所以設置間隔32秒發(fā)送打開和關(guān)閉的指令，下面的循環(huán)次數(shù)記錄機構(gòu)打開關(guān)閉的循環(huán)次數(shù)，設置好后可以自動執(zhí)行測試。上位機通過每秒發(fā)送的輪詢指令從測試控制電箱得到各種狀態(tài)參數(shù)，如電壓、溫度、霍爾元件及行程開關(guān)的狀態(tài)、電機步數(shù)、FPGA判斷到的定標機構(gòu)工作狀態(tài)，方便測試人員進行判讀。

圖4 上位機軟件

3.3異常狀態(tài)的識別及處理

當定標機構(gòu)發(fā)生卡滯的時候，電機會丟步，即FPGA發(fā)出30000步之后，仍沒有任何霍爾元件或行程開關(guān)有效，則FPGA會進行識別，返回打開失敗或關(guān)閉失敗標識，此時上位機會識別這個狀態(tài)標識，終止定標機構(gòu)的跑合循環(huán)。如定標機構(gòu)變形，即展開時先經(jīng)過霍爾1，而沒有觸發(fā)霍爾1有效，在霍爾2停住或觸發(fā)行程開關(guān)才停住，F(xiàn)PGA也會進行識別，返回異常標識，此時上位機會也會進行識別，終止循環(huán)。

4跑合測試試驗情況

為考察定標機構(gòu)在太空環(huán)境下的環(huán)境適應性，試驗在真空罐中進行，首先進行三次高低溫循環(huán)試驗，溫度范圍從-25℃～50℃，此后需要在5℃的溫度下跑合10000次，試驗情況如圖5所示。定標機構(gòu)放入真空罐，測試控制電箱通過穿罐的電纜與定標機構(gòu)相連，電源、上位機擺分別通過電纜連接到測試控制電箱，左側(cè)的筆記本記錄真空罐內(nèi)的溫度，如圖5所示。

圖5

試驗過程中，在低溫-25℃時，發(fā)生了機構(gòu)卡滯，運行30000步之后，沒有霍爾開關(guān)或行程開關(guān)為有效狀態(tài)，且通過窗口玻璃觀察確實沒有展開到位，后經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)真空潤滑脂在低溫時發(fā)生凝固，經(jīng)過更換潤滑脂后故障排除。高溫50℃時，直到關(guān)閉霍爾2有效時，關(guān)閉霍爾1均一直無效，后發(fā)現(xiàn)高溫時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定變形造成磁鋼與霍爾元件間距過大而無效，后經(jīng)重新裝配解決問題。此后的在5℃下跑合10000次沒有發(fā)生任何問題，每次打開、關(guān)閉定標機構(gòu)的步數(shù)均在26240步左右，相差不超過10步。真空試驗驗證了星上定標機構(gòu)的可靠性。

5總結(jié)

本文針對星上定標機構(gòu)設計了一套測試系統(tǒng)，可自動執(zhí)行測試，能完整記錄跑合次數(shù)、電機步數(shù)、定標機構(gòu)溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并可識別異常情況并終止測試。通過試驗，測試系統(tǒng)驗證了星上定標機構(gòu)的可靠性，其自動化程度高，方便設計人員發(fā)現(xiàn)和解決問題，可提高工作效率。

參考文獻：

[1] 楊國鵬，余旭初，馮伍法，等.高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展與應用現(xiàn)狀[J].測繪學報，2008（10）：1-4.

[2] 李曉暉，顏昌翔. 成像光譜儀星上定標技術(shù)[J].中國光學與應用光學，2009，8（2）：309-315.

[3] 趙敏杰，司福祺，江宇，等. 星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀定標機構(gòu)設計[J]，大氣與環(huán)境光學學報，2014，1（9）：57-60.