（飞行器设计专业论文）fy3卫星微波湿度计地面检测仪的研制.pdf

摘要 摘要 f y - 3 卫星是我国新一代极轨气象卫星，微波湿度计( m w h s ) 是f y - 3 卫星中 重要载荷之一，将是我国气象和灾害监测的重要遥感手段，它可以全天时、全天 候的观测大气湿度的垂直分布、水汽含量和降雨量等其它全球性空间气象资料， 从而实现中长期数值天气预报，提高天气预报的准确性。 微波湿度计地面检测仪( t i s p ) 是f y - 3 卫星微波湿度计研制过程中的必要设 备，对于检测微波湿度计的软硬件功能，保证微波湿度计的正常工作具有重要意 义。它的主要作用是模拟卫星1 5 5 3 b 总线控制器，并能够对微波湿度计进行遥 控、遥测操作，从而保证微波湿度计在未上星时，设备的正常可靠运行。地面检 测仪还能够完成遥感数据接收，卫星数管系统1 5 5 3 b 通讯总线消息的产生、传 送并接收微波湿度计对这些消息的响应，完成工程遥测参数及遥测数据的接收并 对这两项遥测的各项指标进行检验，以及发送外部遥控指令等多项功能，从而微 波湿度计的的正常运行提供良好保证。微波湿度计地面检测仪具有良好的可靠 性，同时具备功耗低和小型化的优点，对后续型号的研制也具有良好的应用价值。 本文详细论述了地面检测仪的研制方案特点和各部分工作原理，并具体论述 了系统的硬件、嵌入式软件、界面软件的设计方法，介绍了部分硬件电路设计的 应用和实现，并给出了界面软件功能的实现流程。 本文还完成了一种波导双孔耦合定向耦合器的设计。利用a n s o f t h f s s 软 件进行仿真设计，从而得到符合实际需要的定向耦合器的结构尺寸参数，加工出 满足电性能指标的定向耦合器，并在1 9 3 5 g h z 频率上进行了测试，完全满足工 程上的使用。 关键词：地面检测仪1 5 5 3 b 总线遥控遥测波导定向耦合器 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 a b s t r a c t m i c r o w a v eh u m i d i t ys e n s o r ( m w h s ) i sai m p o r t a n tp a y l o a do ff y - 3s a t e l l i t e ， w h i c hi st h en e wg e n e r a t i o nm e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t e ，i tw i l lw o r kf o rt h ew e a t h e r f o r e c a s ta n dd i s a s t e ri n s p e c t i tw i l li m p r o v et h ev e r a c i t yo fw e a t h e rf o r e c a s tb y r e a s o no fi t sa l l d a ya n da l l w e a t h e rw o r kt i m e a n db o o s tt h ea b i l i t yo fg e t t i n gt h e a t m o s p h e r eh u m i d i t yd i s t r i b u t i o n m w h st e s t i n gi n s t r u m e n to fs i g n a lp r o c e s s i n g ( t i s p ) i st h en e c e s s a r y i n s t r u m e n tf o rt h ed e v e l o p i n go ft h em w h s ，t e s t i n gt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f m w h s t h ep r i m a r yf i m c t i o no ft i s pi ss i m u l a t i n g15 5 3 bb u sc o n t r o l l e ro ft h e s a t e l l i t e ，a n dc o u l ds e n dt h er e m o t ec o n t r o lc o m m a n d sa n dr e c e i v et h et e l e m e t r yd a t a , p r o v i d i n gt h ew o r kc o n d i t i o no f m w h s t i s pc o u l dr e c e i v er e m o t es e n s i n gs c i e n t i f i c d a t a ；g e n e r a t e1 5 5 3 bm e s s a g ea n ds e n tt h e mo u t ，a n dt h e nr e c e i v et h em w h s s r e s p o n dm e s s a g e ；s e n to u t e rr e m o t ec o n t r o lc o m m a n d se t c t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo ft i s p ，t h ep r i n c i p l e o fe a c hp a r ti si n v o l v e d a n dd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to f1 5 5 3 bs i m u l a t i n g & t e s t i n gs o f t w a r ea n d r e m o t ec o n t r o la n dt e l e m e t r ye l e c t r o - c i r c u i t t h es i x t hc h a p t e rp r e s e n t st h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fw a v e g u i d ed i r e c t i o n a l c o u p l e rw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o r w a r e a n s o f th f s s ，a n dc o u p l e r p r o d u c e db a s e do nt h es i m u l a t i o nw a gt e s t e da t1 9 3 5g h z ，a n dg o tv e r yg o o d r e s u l t k e y w o r d s ：t i s p ，1 5 5 3 b ，r e m o t ec o n t r o l ，t e l e m e t r y 第一章概述 1 1 地面检测仪的意义和任务 第一章概述 本文中的地面检测仪( t i s p ) 是f y - 3 卫星微波湿度计( m w h s ) 研制过程中的 必要设备，它的研制要涉及到1 5 5 3 b 总线通讯、接口通讯以及8 0 5 1 单片机等相 关的软硬件知识，是一个需要将硬件设计与软件设计相结合的具有一定难度的系 统工程。 地面检测仪( t i s p ) 的主要作用是模拟卫星1 5 5 3 b 总线控制器，并能够对微波 湿度计进行遥控、遥测操作，从而保证微波湿度计在未上星时设备的正常可靠运 行。地面检测仪还需要完成遥感数据接收，完成f y - 3 卫星数管系统1 5 5 3 b 通讯 总线消息的产生、传送并接收微波湿度计对这些消息的响应，完成工程遥测参数 及遥测数据的接收并对这两项遥测的各项指标进行检验，从而为系统调试及各项 环境模拟试验等提供可靠的卫星数管系统模拟设备，为微波湿度计的正常运行提 供良好保证，为微波湿度计的顺利研制提供必要的调试平台。 1 2 本课题的项目背景 f y - 3 卫星微波湿度计模样机及初样机的地面检测仪是以普通台式p c 机为平 台，该主机分别通过两个i s a 接口与1 5 5 3 b 总线仿真卡和遥控遥测卡相连，1 5 5 3 b 总线仿真卡和遥控遥测卡分别通过m 皿一s t d 一1 5 5 3 b 总线和遥控遥测专用电缆与 微波湿度计进行通讯。由于其所使用p c 机体积较为庞大，携带不变；而且1 5 5 3 b 总线仿真卡和遥控遥测卡所使用的i s a 接口已接近淘汰，不利于系统的升级换 代，为了更好的完善地面检测仪的功能和整个调试平台的性能，故需要采用更为 便捷和性能优异的主机，并开发与之相配套的15 5 3 b 总线仿真卡和遥控遥测卡， 搭建所需要的系统调试平台。针对以上需求，提出了f y - 3 卫星微波湿度计正样 产品的地面检测仪的研制计划。 1 3 论文的组织结构 本论文从地面检测仪的需求设计展开，首先介绍了设计地面检测仪所需要的 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 相关技术理论，比如1 5 5 3 b 总线协议等，然后介绍了地面检测仪的设计开发， 本论文是按如下方式组织的。 第1 章是概述，提及了地面检测仪的重要性，说明课题研究背景及理论意义 和主要研究内容。 第2 章是地面检测仪的需求分析。 第3 章是1 5 5 3 b 总线协议介绍，介绍了本课题所采用的1 5 5 3 b 总线协议的 相关理论知识。 第4 章是地面检测仪的设计，首先叙述了本系统的总体构想 第5 章是地面检测仪的实现及调试过程，叙述了硬件与软件具体的实现情 况，并简要叙述了调试中遇到的主要问题及解决方法。 最后对论文的工作进行系统总结，归纳本文的理论与实践理论，提出了存在 的问题和改进建议。 2 第二章地面检测仪的需求分析 2 1 运行环境 第二章地面检测仪的需求分析 地面检测仪平台构建以便携式笔记本电脑为主机，连接易安装、性能稳定的 板卡，能够在同类型的系统上安全运行。界面软件能够在w i n 2 0 0 0 以上的汉字 操作系统上工作，使用v i s u a lc + + 编译软件开发调试。 2 2 接口需求 从项目要求可知，地亟检测仪主要是通过界面软件来控制1 5 5 3 b 总线仿真 卡和遥控遥测卡，实现各种控制功能，完成对各项性能和接口指标的监测和数据 存储，实施对f y - 3 卫星微波湿度计的检测。故系统的开发主要分为软件开发和 硬件开发两个部分。下面就从这两个方面详细论述系统的功能需求。 2 2 1 软件需求 2 2 1 1 功能需求 地面检测仪的界面软件主要实现以下功能： 1 ) 遥感数据接收 接收并实时显示遥感数据包，即接收到一包遥感数据包后返回数据源包结 束字，对通道数据形成直观图示： 接收并实时显示系统的工程参数，并能分析工程参数内容，判读系统是否 正常或故障所在； 数据后处理包括：数据帧计数的检测、遥感数据包的分包处理； 实时记录存储数据，形成数据文件和报告文件； 打印功能； 查看、回放数据功能： 2 ) 1 5 5 3 b 仿真 - 利用1 5 5 3 b 仿真卡生成通信广播飞船参数、飞船时间码并发送至m w h s 的1 5 5 3 b 总线r t 端； f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 能够根据需要生成数据注入指令，并将数据注入指令发送至m w h s 的 1 5 5 3 b 总线r t 端；发送后再向r t 端发送数据注入结束字； 利用1 5 5 3 b 仿真卡生成、传送f y - 3 卫星t 5 5 3 b 通讯总线的方式指令至 m w h s 的1 5 5 3 b 总线r t 端，接收r t 端的响应并能判读响应的内容是否 正确； 根据需要生成内部指令，并将内部指令发至m w h s 的1 5 5 3 b 总线r t 端； 能够进行1 5 5 3 b 通讯总线的长抱环测试； 3 ) 遥控激励遥测采集 设置遥控指令和接收遥测参数的方式； 发送遥控指令； 采集并显示遥测信号； 查看、遥测参数的回放数据功能。 记录存储数据并形成数据文件和报告文件； 2 2 1 2 人机接口 操作者主要通过鼠标和键盘和控制界面软件交互操作。显示界面要求清晰简 洁，能够显示数据图形与表格，能够同时显示多个窗口，显示的工程遥测数据刷 新率为秒级次。对错误操作要有处理提示，必要菜单选项要设置快捷键。必要 的数据应该能够打印输出。 2 , 2 1 3 数据流分析 电测试应用软件：包括测试系统初始化，进程管理，数据处理，记录归档管 理，报表管理，通讯( 测控数据、1 5 5 3 b 数据) 管理，运行环境管理，人机界面 键盘命令管理，图形图表生成管理。 顶层数据流 茹崩蠕搿陶_ 图1 顶层数据流示意图 4 第二章地面检视0 仪的需求分析 测量参数与数据：遥测数据、载荷输出数据、1 5 5 3 b 工程参数和状态数据 输入指令：遥控指令、数据注入指令、内部指令 数据图表：遥测数据的表格、1 6 进制数据显示 系统命令：1 5 5 3 b 通道测试命令 b 1 5 5 3 b 数据流描述 图21 5 5 3 b 数据流示意图 广播消息= 时间码+ 卫星姿态码+ 卫星g p s 参数 数据注入= 3 2 字节的注入数据 数据源包= 2 0 4 8 b y t e s 2 6 6 7 s 工程遥测= r t 工作状态+ 天线工作状态+ 系统温度( 3 0 b v r e s ) 内部指令= 1 4 条内部指令 方式指令= 发送状态字+ 启动自测试字+ 发送矢量字+ 发送自测试字 c 遥控遥测数据流 图3 遥控遥测数据流示意图 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 遥控指令- - - - 4 路外部遥控指令 遥测参数= 2 2 路遥测信号 2 2 2 硬件需求 f y - 3 卫星微波湿度计在轨工作时由卫星主控制板控制，接收飞船测控系统 和有效载荷系统的数据管理系统的在轨管理，实现地面的上行遥控和数据注入， 以改变其在轨运行状态，并下行输出工程遥测参数和观测数据。这样，为模拟卫 星总线控制器的各项功能，与微波湿度计各项接口应与总线控制器一致，除电源 接口外还有1 5 5 3 b 总线接口和遥控遥测接口。各项接口的指标如表1 所示： 表1 微波湿度计接口参数 参数名称参数数值 载荷源包更新频率2 包2 6 6 7 s 遥测数据更新时间2 s ，5 s ，1 0 s ，可调 遥控信号驱动电流 1 8 0 m a 遥控指令脉冲宽度 8 0 m s 1 0 m s 工程遥测下传频率 1 6 s 遥测电压精度 o 2 5 v 以上详细介绍了f y - 3 卫星微波湿度计地面检测仪的设计需求，可以看出该 系统的设备需求完全是与f y - 3 卫星的总线控制器相匹配的，符合微波湿度计参 与系统联调所提出的一切要求。当然，地面检测仪也具有相当的兼容性，经过合 理的软件设置，就可以完全满足类似载荷项目的开发调试需要。 第三章1 5 5 3 b 总线协议介绍 3 1 简介 第三章15 5 3 b 总线协议介绍 作为卫星内部设备的通讯总线，m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线广泛应用于航天航空 领域，它是美国空军电子子系统联网的标准总线，是一种中央集权式的串行总线， 总线组成包括一个总线控制器( b u sc o n t r o l l e r ，简称b c ) ，负责总线调度、 管理，是总线通讯的发起者和组织者；若干( 最多不超过3 1 个) 远置终端( r e m o t e t e r m i n a l ，简称r t ) ，另外还可以有一种设备即总线监视器( b u sm o n i t o r ， 简称b m ) ，用于监视总线的运行。该总线采用指令应答方式实现系统通讯，通 过采用冗余通道和奇校验以及相应的错误处理来提高系统通讯的可靠性。1 5 5 3 b 是总线接! s l 规律和信号特性的标准，它在物理层上对硬件部件所产生的电信号特 性作了严格的规定，在数据链路层和网络层对错误监测的方法和指令响应的格式 也作了严格的定义。由于1 5 5 3 b 总线具有极高的可靠性，因而在航空、航天、 军事等领域的电子联网系统中得到广泛应用。 1 5 5 3 b 总线采用异步数据传输方式，码速率1 m b p s ，即每秒1 0 6 位，数据编 码采用曼彻斯特i i 型码，差分传输，一般情况下采用屏蔽双绞线作为传输介质。 3 2 硬件拓扑结构 总线控制器( b c ) 滢鼍嚣簧 b u sc 。h t r o l e r 下1 b u s 下下 - -l- l =t,lt上t ： o _ l ；_i-l 山一_ b u s b i | _ 远置终端o ( r t )远置鍪端i ( r t ) 远置终端3 0 ( r t ) r i j v l o t et e r m i m lr i o t et e 眦i l r 日村r e 丁e 附i m a l -耦台器终端负载 = 主线子线 图41 5 5 3 b 拓扑结构 一个典型的1 5 5 3 b 总线硬件系统的拓扑结构见图1 ，总线本身是一个二冗余 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 的结构，包括总线a 和总线b ，二者互为冗余备份，所有的总线设备f 也称为总 线接口单元b u s i n t e r f a c e u n i t b i u ) b c 、r t 、b m 都以并联方式共享总线的主线 部分，主线与子线之间采用变压器耦合，子线与1 5 5 3 b 设备之间也采用变压器 耦合。总线上只能有一个总线控制器毋c ) ，不多于3 1 远置终端( r t ，某些文献也 称其为远程终端或者远置单元) ，总线监视器是可选的，用于监视总线通讯，一 般不参与通讯，也可以r t 兼容方式参与通讯。在本文当中，单纯的监视器 ( m o n i t o r ) 被称为m t ，m t 和r t 的兼容工作方式称为b m 。 3 2 1 总线控制器( b c ) 总线控制器负责总线调度、管理，是总线通讯的发起者和组织者。由于1 5 5 3 b 总线采用中央集权式的总线管理，在整个通讯过程中，只有总线控制器是主动参 与总线通讯的，所有的数据传输必须由总线控制器启动，远置终端只能被动的接 收或者发送数据，因而任何一次通讯过程都必须由总线控制器参与，远置终端只 能被动的接收或者发送和自己有关的数据，对远置终端来说，和自己无关的数据 是透明的( 看不见的) 。总线控制器根据预先设定的通讯协议，主动组织各个远 置终端参与通讯，完成数据的传输，合理的通讯协议可以使远置终端主动的向总 线控制器发出数据传输请求，总线控制器根据远置终端发出的数据传输请求，组 织相应的远置终端接收或发送数据。 一般来说，总线控制器是某个星载设备的全部功能的一部分，通讯协议的制 定、软件、硬件的设计必须统一考虑，必须从系统的高度安排总线的各种消息。 3 2 2 远置终端( r t ) 远置终端只能被动的接收或者发送和自己有关的数据，对远置终端来说，和 自己无关的数据是透明的( 看不见的) 。远置终端根据预先设定的通讯协议接收 和发送数据。由于远置终端只能被动的参与总线通讯，软件的设计和总线控制器 的工作方式是密切相关的，因而在软件的设计上必须有充分的安全考虑。 和总线控制器一样，远置终端一般也是某个星载设备的全部功能的一部分， 远置终端本身只是个通讯的桥梁，通讯软件往往是为数据收集和分发服务的。 第三章1 5 5 3 b 总线协议介绍 3 2 3 总线监视器( m t ) 总线上的所有通讯过程对总线监视器来说都是可见的，因而总线监视器能够 全部或选择性的监视总线的通讯过程，对通讯状态进行分析和判断，给出参与总 线通讯的总线控制器和各个远置终端的运行状态和健康状态。 总线监视器作为星载设备不是必须的，往往用作总线控制器的备份，监视总 线控制器的健康状况，在必要的条件下代替之。 3 3 物理层通讯协议 1 5 5 3 b 总线上信息的最小单位为位b “，每2 0 位形成一个字w o r d ，每个字的 有效信息位为1 6 b i t ，在有效信息位的前面有3 位的同步头，同步头被分为2 个 一位半，有效信息位的后面有1 位校验位， 1 5 5 3 b 总线数据传送采用奇校验。 1 5 5 3 b 总线上的一次数据传送过程称为条消息，每条消息包含至少1 个、至多 2 个命令字，不多于3 2 个的数据字，不多于2 个的状态字。 3 3 1 命令字 总线通讯的启动由b c 发出命令字开始，如图2 ，每次通讯至少传输一个命 令字。 按位时序凰 ：i ： ：! ：i ： ： i ：【i 【! 】：j ! i ； ：i ： i i j i 田 擀r 王二二工 二二 卫 l 同臻头 l 终端地址 t r 予地址，方式指令码 l 黄据字敦方式指夸码i p i 图5 命令字格式 命令字只能由总线控制器发送，它的内容规定了该次传输消息的具体要求： 其前五位是终端寻址场，指明总线控制器要与那个终端对话。t r 位表明命令该 终端是发送还是接收消息。分地址场有五位( s a ) 指明这要传输的消息是从终 端的哪个数据通讯缓存区取出( t r = 1 ) 或是送至哪个数据通讯缓存区( t r = o ) 。由于分地址常共5 位，因此接收缓存区和发送缓存区各有3 2 个数据缓存区。 9 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 指令字中的最后5 位是数据字字数场，指明了指令字所规定的这一次数据传输所 连续传输的数据字块长度数据字字数。当指令字的终端地址场r t = 1 1 1 1 1 ， 即全1 时此指令字所命令的数据传输是对总线上所有的终端而言，即是广播形式 的传输，此时t r 位总是等于0 ，即要求各个终端同时接收有总线控制器发出的 数据。r t 场后面的t r 位，s a 场，d w 场位，共1 1 位，实际上隐含地指出了 对所要寻址的终端之中对哪一个数据通讯的缓存区地质进行访问( 存取) 。图3 表明了这1 l 位映象的存储器映象地址图形。 鼗据地址表 厂 l 数据缓冲区l i一 图6 指令字指明的寻址映象图 此映象图形形象的表明了寻址空间的分布情况。其中t 瓜= 0 为收区地址 ( 1 k ) ，t r = 1 的为发区地址( 1 k ) ，称之位页。每页中包括了3 2 个分地址( 分 地址5 位决定) 。每个分地址可容纳最大3 2 个字。1 5 5 3 b 通讯格式之中，用于数 据通讯的数据库称之为数据缓存区。 应该特别指出的是：1 5 5 3 b 中规定了分地址场为全零或全1 时，不再是一半 的数据通讯区数据通讯的的含义，而是表明此指令字是一个管理系统的方式指 令，即表明了指令字命令一终端去完成某种特定的功能。其功能的具体含义由指 令字中数据字中的5 位表示，称之为方式码。此时指令字变为方式指令字。1 5 5 3 b 中所规定的方式指令功能容后叙述。 对于r t 到r t 的数据传输，b c 先发出接收命令字，通知相关的远置终端准 1 0 li_ i l t 第三章1 5 5 3 b 总线协议介绍 备接收数据，然后发出发送命令字，通知相关的远置终端发出需要传输的数据。 对于r t 和b c 之间的数据传输，b c 只发出一个命令字，通知相关的远置终端 准备接收或者发送数据。 3 3 2 数据字 数据字为需要传输的用户数据，它既可以有总线控制器传输到某终端，也可 以从终端输至某总线控制器，或者从某终端输往另一个终端。由指令字和响应的 消息格式决定。在总线上的传输格式格式由图7 所示： 按位时序圈 浆据字 图7 数据字格式 如图7 ，数据字仍然是以占三位位宽的同步字头标志开始，与指令字不同的 是同步字头的特征为先负后正( 1 5 b i t 、+ 1 5 b i t ) ，有效数据位1 6 b i t s ，校验位 l b i t 。每次通讯传输的数据字个数由命令字的字计数方式码确定，对于非方式码传 输，数据字的个数即为b c 发出的命令字低5 位表示的字计数，对于方式命令，是否 需要数据字由方式命令的定义确定。 3 3 3 状态字 状态字为远置终端向b c 发出的响应数据，它只能由终端发出，是一个对总 线控制器发出的有效命令的应证性信号，所有非广播消息至少包含一个状态字， 广播消息由于有多个远置终端参与通讯，所有接收数据的远置终端均不发出状态 字，状态字的位定义如图8 。 f y 一3 卫星微波湿度计地面检钡4 仪的研制 按位时序圉二三i三二二二【三i三二】二三三i三二习e至三【三田 糍字目二 二二 工匝二五卫 i 同步头i 终端地址 罐引引备用引禁幢i 嚣引 羹羲票 蓑荐蒸箍位 息皮球 皈蒋鲺征 位位位位征控位 位翟 状态字是总线控制器对于总线上数据传输及设备的功能变化进行了解的最 常用的手段。这里所指的数据传输与设备的功能变化指的是对于总线上的数据传 输有影响者。头三位时仍然是同步字头，其特点与指令字相同，即由+ 1 5 b i t 、 一t 5 b i t 两个电平表示。由于数据总线上，总是由总线控制器发出指令字，而终端 去识别其指令字。或者相反，由终端为响应指令字的要求而发出状态字，二总线 控制器去判别其状态字。b c 与r t 的分工自然决定了状态字和指令字的区别， 当然，如果系统中存在一个第三者，例如有监视器来辨识仅仅有同步字头就 不能区别到底是指令字或者是状态字了，在这种情况下，还需要同步字以外的位 特征来区别指令字和状态字。因此，需要进一步地定义同步字头以外状态场的含 3 4 通讯过程简述 在数据总线上，信息是按时间逐次进行传输，构成有效信息的基本单元是“消 息”。总线消息通讯的启动由b c 发出命令字开始，对于不同的通讯过程，数据 传输的数量、意义有很大的差别，1 5 5 3 b 总线有1 0 种可能的消息格式，最常用 的数据传输方式包括r t 到b c 、b c 到r t 、r t 到r t 、b c 到多个r t 的广播等， 方式命令是一类总线运行状态的控制命令，其意义是单独定义的。 需要说明的是，在1 5 5 3 b 标准中，所有接收、发送均指远置终端的接收或 者发送。同样命令字中的收发位的设置也是根据远置终端的接收或者发送来设定 的。 第三章1 5 5 3 b 总线协议介绍 几种常见的通讯格式如图9 所示 ”鲫匿 区圈圜+ 圈* 删e c 固匝互巨田囝圈* 下一十 i 竺三j # 消息间隔 下一十 响应时何 i 一妻! 宇_ 一j f 一十 删n t 匿匦圆+ t 巨圈垂咽圈t - 圈一匦兰：j 下一十 脚”滕匿圈匿至圈圉- ! 受：j 下一十 嗍t s 广播匿【圈tt 匝匠臣丑蔓丑圈* 匦曩 藤黧譬圆e 下一十 i 黧妻一j 下一十 # ；命奇字i #请息问祸 响应时i 可 图91 5 5 3 b 常用通讯消息格式 3 4 1r t 到b c 的数据传输 r t 到b c 的数据传输过程见图9 ，一般称该过程为发送消息。 b c 首先发出一个命令字，其远置终端地址域指定参与本次通讯的远置终端 的地址( 有时也称其为r t 号，为0 到3 0 ，不能为3 1 ，及不存在广播发送消息) ， 收发位为l ，子地址域指定参与本次通的远置终端所使用的发送子地址，字计数 域指定参与本次通的远置终端所必须发出的数据字的个数。 若命令字指定的远置终端已经在线，其应在收到命令字的时刻起的若干微秒 内( 一般设定为1 4 微秒) 发送出状态字。显然状态字中的远置终端地址域必须 和命令字中的远置终端地址域一致。状态字发出之后，远置终端必须紧接着将命 令字指定的发送子地址的数据发出，数据字个数等于命令字的字计数域的数值， 其中0 代表3 2 个数据字，1 代表1 个数据字，2 代表2 个数据字，3 代表3 个数 据字，依此类推。 若命令字指定的远置终端不在线，显然不可能发出状态字和数据字，不论远 1 1 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 置终端不在线，或者远置终端的响应时间( 指从命令字发送结束到状态字发出的 时间间隔) 超过给定的间隔，均称超时无响应。 3 4 2 b c 到r t 的数据传输 b c 到r t 的数据传输过程见图9 ，一般称该过程为接收消息。 b c 首先发出一个命令字，其远置终端地址域指定参与本次通讯的r t 号， 收发位域为0 ，子地址域指定参与本次通的远置终端所使用的接收子地址，字计 数域指定参与本次通的远置终端所必须接收的数据字的个数。紧接着命令字， b c 发出命令字字计数域指定的计数个数据字。 若命令字指定的远置终端已经在线，其应在收到最后一个数据字的时刻起的 若干微秒内发送出状态字。显然状态字中的远置终端地址域必须和命令字中的远 置终端地址域一致。状态字发出之前，远置终端必须将数据接收到命令字指定的 接收子地址的数据区，数据字个数等于命令字的字计数域的数值，其中0 代表 3 2 个数据字，1 代表1 个数据字，2 代表2 个数据字，3 代表3 个数据字，依此 类推。 若命令字指定的远置终端不在线，显然不可能发出状态字和数据字，不论远 置终端不在线，或者远置终端的响应时间超过给定的间隔，均称超时无响应。 若命令字的远置终端地址域为3 1 ，称为广播消息。 3 4 3 r t 到r t 的数据传输 r t 到r t 的数据传输过程见图9 。 b c 首先发出接收命令字，其远置终端地址域指定参与本次通讯的接收r t 号( 若r t 号为3 1 ，称为r t 到r t s 的广播) ，收发位为0 ，子地址域指定参与 本次通的接收远置终端所使用的接收子地址，字计数域指定参与本次通的接收远 置终端所必须接收的数据字的个数。紧接着接收命令字，b c 发出发送命令字， 指定参与本次通讯的发送r t 号、子地址和字计数，显然第二个命令字的收发位 应为1 ，且两个命令字指定的字计数个数应一致。 若发送命令字指定的远置终端已经在线，其应在收到发送命令字的时刻起的 若干微秒内发送出状态字。在状态字的随后将发送命令字给定的子地址的数据发 1 4 第三章1 5 5 3 b 总线协议介绍 出，状态字的其余状态位由通讯的状态确定。显然状态字中的远置终端地址必须 和命令字中的远置终端地址域一致。 对于接收命令字给定的远置终端，在状态字发出之前，远置终端必须将数据 接收到接收命令字指定的接收子地址的数据区，数据字个数等于命令字的字计数 域的数值，其中0 代表3 2 个数据字，1 代表1 个数据字，2 代表2 个数据字，3 代表3 个数据字，依此类推。并随后发出接收状态字。 若发送r t 不在线，显然不可能发出状态字和数据字，不论发送r t 不在线， 或者发送r t 的响应时间超过给定的间隔，均称超时无响应。 不论是发送r t 超时无响应还是消息错导致的数据字未发出，接收r t 均不 发出状态字。 若发送r t 在线，接收r t 不在线，或者接收r t 的响应时间超过给定的间 隔，同样称超时无响应。 若接收命令字的远置终端地址域为3 l ，称为r t 到r t s 的广播消息。 3 4 4 方式命令的数据传输 方式命令是1 5 5 3 b 总线上一类重要的消息，用于总线的运行状态的控制和 查询。命令字中的子地址域为全0 或全l ，表示方式命令。方式指令的消息格式 如图1 0 所示 下一十 掰搽固+ t 圈。! ：曼叠 下一十 麓秽圆一囹8 1 要： 1 ：- - 4 - 榭匿圃* + 圈# ! 蔓重 营稍息阃隔 响应时间 图1 01 5 5 3 b 方式指令消息格式 方式命令的收发位、数据字的个数、是否可以为广播消息都是单独定义的。 其中小于1 6 的方式命令的收发位均为1 ，且不带数据字，1 6 以及大于1 6 的方式 命令的收发位是l 或0 根据该方式命令的数据字是由r t 发出还是由b c 发出确 定，即数据字是由r t 发出，则收发位是l ，数据字是由b c 发出，则收发位是0 。 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 表3 方式命令m o d e c o d e l i s t m o d ec o d ew i t h o u td a t ab r o a d c a s t m o d ec o d ew i t hd a t ab r o a d c a s t 0 0 0 0 0 d y n a m i cb u sc o n t r o l n o1 0 0 0 0t r a n s m i tv e c t o r b r dn o 0 0 0 0 1 s y n c h r o n i z e y e s1 0 0 0 1 s y n c h r o n i z e y e s 0 0 0 1 0t r a n s m i ts t a t u sw o r d n o1 0 0 1 0 t r a n s m i tl a s tc o m m a n dn o 0 0 0 1 1i n i t i a t es e l f l b s ty e s1 0 0 1 1t r a n s m i tb i tw o r dn o 0 0 1 0 0t xs h u t d o w n y e s1 0 1 0 0 s e l e c t e dt xs h u t d o w ny e s 0 0 1 0 1o v e r r i d et xs h u t d o w ny e s1 0 1 0 1o v e r r i d es e l s h u t d o w ny e s 0 0 1 1 0i n h i b i tt fb i ty e s1 0 1 1 0r e s e r v e d n 0 0 0 1 1 1o v e r r i d ei n h i b i tt fy e s1 0 1 1 1r e s e r v e dn o 0 1 0 0 0r e s e tr e m o t et e r m i n a ly e s1 1 0 0 0r e s e r v e dn o 0 1 0 0 1r e s e r v e dn o1 1 0 0 1r e s e r v e dn 0 r e s e r v r dn or e s e r v r dn o o 1 lr e s e r v e dn o1 1 1 1 1r e s e r v e dn o ( 注：状态码的详细论述参考附录a ) 1 6 第四章地面检测仪的设计 第四章地面检测仪的设计 地面检测仪( t i s p ) 的作用是模拟卫星总线控制器，产生湿度计工作所需要的 指令信号，发送异步控制信号；接收湿度计发送的科学数据，并将科学数据送计 算机显示；接收工程遥测数据并采集遥测信号，送至计算机显示，以此供研制人 员检验湿度计的工作状态。 它的组成主要包括：1 5 5 3 b 仿真卡及其应用软件，遥控遥测板两部分。下面 从硬件结构和软件结构两方面来说明地面检测仪的总体结构。 4 1 硬件结构设计 由设各需求可以看出，地面检测仪与f y - 3 卫星微波湿度计有两个接口： 1 5 5 3 b 总线接口和遥控遥测接口。 针对以上两个接口，硬件的结构设计论述如下： a ) 1 5 5 3 b 仿真终端选用美国d d c 公司的p c m c i a 仿真测试卡田u 6 5 5 7 0 m ) ， 它的功能主要是仿真总线b c ，并通过1 5 5 3 b 总线与微波湿度计相联，负责发送 1 5 5 3 b 指令和接收载荷数据。 b ) 遥控遥测板与主机通过u s b 接口互联，主要负责发送外部遥控指令和采 集遥测数据信号，与载荷通过专用电缆连接； c ) 主机通过开发的应用界面软件控制1 5 5 3 b 仿真卡和遥控遥测板。 地面检测仪的组成如图1 1 ： f y - 3 卫星微波湿度计地面检测仪 图1 1微波湿度计地面检测仪系统硬件组成原理示意图 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 下面详细论述地面检测仪的硬件设计。 4 1 1 电脑主机 出于便携性和通用性的考虑，电脑主机采用笔记本电脑。该主机要求提供 1 5 5 3 b 仿真测试卡所需的p c m c i a 接口以及遥测遥控卡所需的u s b 总线接口。 4 1 21 5 5 3 b 仿真测试卡 本系统的开发选用美国d d c 公司的p c m c i a 仿真测试卡( b u 6 5 5 7 0 m ) ，该 仿真测试卡采用t y p ei i 型p c m c i a 接口，专门用于m i l - s t d 一1 5 5 3 b 仿真测试 系统，最大可寻址6 4 kw o r d s 共享内存，如图1 2 ，它的内部结构类似于其他的 1 5 5 3 b 总线通信测试卡，不同之处在于采用了内嵌f p g a 协议处理单元使它能够 同时仿真b c 、m t 和3 1 个r t 终端，功能十分强大，并且与其他的仿真测试卡 和1 5 5 3 b 总线通讯芯片兼容。 图1 26 5 5 7 0 m 仿真测试卡结构简图 作为b c 和r t s ，它能够实时发现总线上传送的消息中发生的错误，并且有 专用的寄存器记录上一个命令字和状态字；并且用户可根据需要在编辑的消息中 添加可能发生的错误，以检测系统中的b c 或r t 。 作为m t ，它可以监测总线上所有的消息传送，甚至可以根据特定条件触发 监测动作。 6 5 5 7 0 m 的连接十分简单，主要是通过变压器耦合与1 5 5 3 b 总线相连，在不 用的终端需要连接7 8q 匹配负载。如图1 3 ： 第四章地面检测仪的设计 习k b u 6 5 5 7 0 m 1 1 乃 眨 4 1 3 遥控遥测卡 d a t a 8 u s 图1 36 5 5 7 0 m 总线连接图 遥控遥测卡采用c 5 1 单片机架构，主要结构由四部分组成：微处理器、u s b 通讯模块、控制模块以及数据采集模块。如图1 4 ： 地面检测设备 终端单元 ii 图1 4 遥控遥测卡硬件结构示意图 ( 1 ) 微处理器选用a t m e l 公司推出的c 5 1 系列单片机8 9 s 5 2 ，它是一种低功 耗、高性能c m o s8 位微控制器，使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术 制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在系 统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可编 程f l a s h ，通过在线下载接口就可以方便的刷新运行程序，使得a t 8 9 s 5 2 可以为 嵌入式控制应用系统提供高效、灵活的解决方案。 f y 一3 卫星微波湿度计地面检测仪的研制 a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位f o 口 线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器，一个6 向量2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，a t 8 9 s 5 2 可降至0 h z 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作， 允许r a m 、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内 容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为 止。 ( 2 ) u s b 通讯模块 下面先介绍一下u s b 接口，通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 对连 接p c 机外围设备是一种很好的解决方案( 尤其是对非通用性的地面检测仪) 。为 了把外围设备连接到p c 机上，u s b 提供了一种低成本的解决方案。 1 ) 设备连接后由u s b 自动检测，并且由软件自动配置，完成后即可使用， 不需要用户干涉。系统自动检测设备的插入与拔出，并且自动装载或卸载相应的 驱动程序。 2 ) u s b 定义了一种简单的连接器，它可以用来连接任何一个u s b 设备，扩 展和连接起来十分方便，多个连接器可以通过u s b 集线器连接。每个u s b 总线 支持1 2 7 个设备的连接。连接的电缆长度最长可达3 0 m 。 3 ) u s b 支持2 种设备传输速率：1 , 5 m b p s 和1 2 m b p s 。1 5 m b p s 传输速率能 够实现低速低成本的u s b 设备连接。u s b 定义了4 种不同的传输类型来满足 不同设备的需求。传输类型包括：块传输、同步传输、中断传输和控制传输。 4 ) 由于减少了使用的数据线，使数据线不需要屏蔽。外围设各能够直接通 过数据线进行供电，5 v 的直流电压可以直接加在数据线上。电流的大小则取决 于集线器的端口，电流范围从1 0 0 5 0 0 m a 。对于功耗不是太大的外设，完全可以 使用总线提供的电源，使外设的工作更具有独立性。 5 ) u s b 设备不像i s a 、e i s a 、p c i 设备，它不需要内存和i o 地址空间， 也不需要中断请求线路。u s b 事务处理包括错误检测机制，该机制用以确保数 据无错误发送。若发生错误时，事务处理可以重来。如果连续3 m s 没有总线活 动，u s b 就会自动进入挂起状态。 而微处理器与u s b 接口的选择有2 种方式：采用单片机加上专用的u s b 通信芯片。采用具有u s b 通信功能的单片机。随着u s b 接口的普及，很多厂 第四章地面检测仪的设计 商推出了专用u s b 通信芯片，本文采用的就是南京沁恒公司开发的u s b 通信芯 片c h 3 4 1 ，它能够仿真硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率 5 0 b p s 2 m b p s 。支持串口发送使能、串1 3 接收就绪等传输速率控制信号和 m o d e m 联络信号。提供w i n d o w s 操作系统下的驱动程序，操作十分简单。并 且通过外加电平转换器件，提供r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、r s 4 2 2 等接口。使用该芯片开 发带u s b 接口的外设，其硬件