基于AVR单片机的卫星地面测控系统设计

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他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通信、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。

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。

单片机与工控机之间通过rs232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他模块进行串口通信，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他模块。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他模块通信。此外，为保证系统的可靠性，所有的信号均经过光隔离。

软件实现

单片机软件

运行在单片机的底层软件主要负责adc的采集、dac的输出以及串口的通信，下面详细介绍各个部分：

1、光栅频率测量：测量模拟基准一个周期内的光栅个数

在程序中，每次进入外中断0的处理程序void int0_isr（void）（即基准脉冲上升沿到来时）调用void do_gd_opt_frq（）函数测量光栅频率。
在do_gd_opt_frq（）函数中，先把前一次读取计数器1的计数值保存在全局变量time1_prev中，再读取计数器1的值并保存在time1_next中，因为两次中断的间隔就是模拟基准的周期，有一个光栅脉冲计数器1就加1，所以，前后两次的差值就是一个模拟基准周期内光栅的个数。

2、模拟基准幅度

在int0的中断处理函数中置一个全局标志refoa_gd_flag＝0xff，在一个100μs的定时器的中断处理函数中查询此全局标志，若置位，则对模拟基准的adc通道连续采样400次，采样后清refoa_gd_flag标志并置采样结束的标志refoa_gd_finished＝0xff。在主程序main（）函数中不断查询refoa_gd_finished标志，若置位，则调用do_refoa_high（）函数求出模拟基准幅度，然后清标志。在do_refoa_high（）函数中求出采样400个点中的最大值和最小值，两者之差即为模拟基准幅度。

3、模拟基准周期：测量一个模拟基准周期的毫秒值

在一个1ms的定时器溢出中断处理函数中，全局的计数变量ref_gd_count加1，ref_gd_count初始化为0。在外中断0的处理函数int0_isr（）中读取ref_gd_count的值，即为模拟基准的周期，再把ref_gd_count清零。这样，只有第一次测量值是无效的，以后均为有效的模拟基准周期。

4、模拟基准宽度

在int0的中断处理函数中置全局变量refoa_width_gd_count＝0，在100μs的定时器中断中查询外中断0的引脚是否为高电平，是高电平则refoa_width_gd_count加1，直至变为低电平，refoa_width_gd_count的值就是模拟基准的宽度。

5、电地球波

在do_ein（）函数中处理工控机串口传过来的电地球波信息，如果是停止电地球波命令（state＝0），通过da电地球波直接输出高电平并清除电地球波使能标志位ein_gd_enable。如果是开始电地球波命令（state＝1），把相位、宽度、幅值、斜率等信息赋给全局变量保存，并且计算出步距和斜率上各个点的输出值，置位电地球波使能标志ein_gd_enable。

电地球波的产生是以模拟基准为基准的，在int0的中断处理函数中设置计数器的比较中断并使能。

图3中，t0与t1之间是地球波的相位，t2与t5之间是地球波的宽度。在t1时刻进入计数器1的比较中断timer1_compa_isr（），全局变量ein_count_gd初始化为0，若ein_count_gd不等于1，则设置比较中断寄存器初值为下一步距点，并通过da输出，若下一个比较中断到来ige ein_count_gd不等于1，则继续设置比较中断寄存器初值为下一个步距，并输出幅值，直到斜率上所有的幅值输出完毕，置ein_count_gd等于1并设置比较中断寄存器，使t4进入比较中断。t4进入比较中断，并按照前述方法输出斜率上所有的幅值，完毕则禁止比较中断并置ein_count_gd＝0xff。

adc采集和串口通信比较简单，这里不再赘述。

软件编译与下载

由于单片机程序是采用c语言设计完成的，因此，需要用image craft公司的iccavr编译器进行编译，生成cof文件，再用avrstudio调试软件和双龙公司的avr jtag仿真器进行调试，调试完成后，利用单片机的jtag接口写入内部闪存即可。

上位工控机软件

运行在工控机的软件主要负责处理avr单片机通过串口传送过来的数据并进行超差、报警的检查，然后把数据存储在access数据库中，以便查看。该软件能够设置电地球波的幅度、宽度、相位，并能自主控制电地球波的产生或停止。
上位工控机软件采用vc6.0编写，其中的数据库部分采用ado技术。ado是microsoft公司为最新和最强大的数据访问范例ole db而设计的，是一个便于使用的应用程序层接口。ado最主要的优点是易于使用、快速快、内存支出少且磁盘遗迹小。

结语

采用atmel公司的avr系列单片机进行系统设计，其外围设备丰富、集成开发环境简单易用、支持在线仿真等特点使得系统的开发周期大大缩短。本文介绍的系统使用了很多atmega128的外围资源，并通过atmega128提供的定时计数器的比较中断解决了系统设计中的难题。