杨艳明 孙蓟沙 曹磊 陆云云 
（北京中科泛华测控技术有限公司，北京 100083 ） 
摘要： 卫星电源变换器作为卫星电源转换系统的核心部件，在卫星电源系统中起着举足轻重的作用，需要对电源变换器的各项参数进行详细测试。传统的测试设备往往存在测试功能针对性太强、扩展性差以及测试人员操作繁琐、工作量大等缺点。本文提出了基于柔性测试的通用卫星电源变换器测试技术，阐述了其基本的测试原理以及具体软硬件实现方法，完成了可扩展多型号电源变换器单板/整机的单项以及自动测试，并且可用于环境试验测试以及仿真测试，拥有通用性、扩展性强、功能全面、智能化程序高等特点。 
关键词：卫星电源变换器；柔性测试技术；模块化 
中图分类号：TP274  文献标识码：A

 Design and Implementation on General Testing Equipment of Satellite Power Voltage Convertor Based on Flexible Technology

Yang Yanming，Sun Jisha，Cao Lei，Lu Yunyun
（Beijing Zhong Ke Fan Hua Measurement &Control Technology Co., Ltd.）
(Beijing Zhong Ke Fan Hua Measurement & Control Technology Co., Ltd. (Pansino Ltd.) Beijing, 100083, China)
Abstract: The satellite power voltage convertor has been important in satellite power system, which needs to be measured according to its lots of parameters. The traditional test system has some disadvantages of high pertinence, bad compatibility and too much working load. The general testing technology of satellite power voltage convertor is mentioned based on flexible testing technology. Its testing scheme and measurement is introduced including the hardware and software. Single boards and combination are tested in “one step” and automatic methods, which can also be applied in environment and simulation conditions. This testing system has the advantages of generality, extensibility and intelligence.
Key word: Satellite Power Voltage Convertor; Flexible Testing Technology; Modularization
0 引言 
卫星电源系统由电源、电源控制设备、电源变换器、电源配电与电缆网等四部分组成。由于卫星上各种电器、电子设备需要各种不同的直流电或者交流电，而卫星电源一般只能提供一种或者几种电压的直流电，无法满足用电设备的供电要求，因此电源系统需设置直流——直流变换器（DC/DC变换器），直流——交流（DC/AC变换器）等[1][2]。多数用电设备不由电源母线直接供电，而经电源变换器变换后供电，电源变换器具有电源隔离和保护功能，一旦负载过载或者短路，它可对电源实施过流保护或短路保护，当电源变换器输出电压超过规定范围，它可实施过压或者欠压保护。
由于电源变换器在卫星母线与星上供电设备之间起到中间转换作用，电源变换器的性

能优劣直接影响到星上设备的正常工作与安全，因此对电源变换器的测试显得尤为重要。而目前的电源变换器测试系统存在以下几个缺点：

1. 通用性、扩展性差

目前卫星电源变换器的测试设备针对性很强，不同的单板以及组装后的整机变换板测试设备繁多，因此对于新的电源变换器，以往的测试设备功能扩展性差[3]；

1. 设备总线资源有限

以往的测试设备由于总线和资源上的限制，在设计时通常采取定制方式，如控制指令的幅度、脉宽大多是针对某特定类型的变换器，且数量有限，在电源变换器升级或者功能增加的情况下，测试设备往往需要重新添加硬件或者软件资源；

1. 测试智能化程度低

过去的电源变换器测试过程中，更多的依赖操作人员，如按照测试项人工手动测试，操作人员需整理电源变换器不同单板和整机的多个测试报告，尤其对于整机测试，多达几十个的测试项让操作人员精力耗费巨大，且效率低下，增加了由于误操作导致变换器发生故障的几率。
柔性测试技术是以测试测量系统的整体功能及性能为关注对象，对满足测试测量系统需求的方法和手段进行研究及开发的技术。它以虚拟仪器技术为核心，融合了测试测量、机电一体化、网络通信及软件等多种技术；以测试系统的精确性、可靠性、适应性、灵活性和拓展性为研究目标；既面向应用，又专注于测试行业的发展，推动着现代测试技术在实际应用中的快速发展。
为此，本为提出了一种基于柔性测试的通用卫星电源变换器测试技术，可以弥补以往变电源变换器测试设备的不足，使得测试仪器拥有通用性强、功能全面、智能化程度高的特点。
1 系统整体方案设计 
基于柔性测试技术的通用卫星电源变换器测试系统整体方案设计如下图所示：

图 1 系统整体方案设计原理

整个测试系统的核心是测试箱，外围设备包括一次电源、电子负载、示波器等都基于GPIB接口与测试箱通信，电源变换器包括多种变换器单板和整机，通过不同的单板电缆和整机电缆与测试箱连接。另外展开箱用来对电源变换器与测试箱之间的信号进行展开，由拨动开关控制，方便对于某些关键信号进行实时测量以及故障判断。
2 测试箱硬件组成 
2.1  PXI总线测试平台 
由于测试箱是整个测试系统的核心，因此需对测试箱的设计做详细说明[4]。由图1可以看出测试箱的核心是基于PXI总线的测试平台。该平台由PXI插箱、PXI控制器、3块多功能数据采集卡、1块数字输出板卡和1块PXI-GPI B模块组成。PXI各个模块与控制器通过一个8槽的PXI总线背板连接，所有数据交互均通过PXI总线传输。
在PXI测试平台中，控制器用来运行Windows操作系统，控制PXI模块与总线的数据交互，图1中标识DAQ模块1、DAQ模块2、DAQ模块3表示采用了3块PXI采集板卡，用来完成电源变换板单板或者整机所有非功率信号的测试，主要包括模拟遥测、数字遥测以及DC/DC电压监控。每块PXI采集模块拥有16个采集通道，考虑到可以兼容其他型号卫星电源变换器的测试，在设计时对PXI采集模块资源做了整体规划和预留。PXI总线模块化、通用性的特点也使得PXI测试平台在硬件资源扩展上更加方便快捷，只需要在PXI背板上插入新的模块即可，不需要增加额外硬件或者驱动级的设计。
PXI数字输出模块用来向变换器单板或者整机提供控制指令，0~200ms之内控制指令脉宽可设，步长1ms，由于在测试箱内设计了指令电源模块，因此指令的幅度也可以在0~30V之内任意设定，满足对指令幅度和脉宽的多种要求。PXI-GPIB模块通过GPIB仪器总线控制一次电源、电子负载等外围设备，能够满足多种不同外部设备与测试箱的互连。
同时，由于不同的卫星电源变换板需要的激励不同，因此在测试箱内也设计了模拟电源模块。如编号为1,2,3,4的4块电源变换板组成了某卫星的整体电源变换器，且模块之间有信号及供电联系，当对其中编号为1的电源变换板进行测试时，1号变换板需要3号变换板提供控制指令，需要4号变换板提供供电或者负载，此时就需要测试箱能够同时模拟4号板的电源或负载以及3号板的指令。通常模拟电源模块包括模拟输出为42V、28V以及12V等几种电压类型的DC/DC电源。
2.2  电阻负载插箱设计 
在卫星电源变换单板或者整机测试时，过流保护、短路保护、欠压或者过压都是非常重要的测试项，考虑到测试设备能够做环境试验（长时间带载）的因素，在测试箱内也设计了电阻负载插箱，使得测试设备能够在环境试验的测试工况下长时间带载测试。
电阻负载插箱根据电源变换器DC/DC输出电压类型及通道的不同，在内部设计了多路负载，每路负载分多档，便于在测试过程中动态加载。当然，对变换板做带载测试时也可以连接外部电子负载，如Agilent N3300主机和N3305A模块，这样在做变换器单板或者整机实验时，可以方便地切换到电子负载测试，使得测试设备扩展性更强，解决了环境试验和单板/整机实验时均依赖繁重的电子负载做测试的问题。某路两档电阻负载与电子负载切换原理设计如下图所示：

图 2 负载切换电路设计原理图

由图中可以看出，该电路可以正常切换测试箱内电阻负载和外围电子负载，在使用电阻负载时可以高效地完成对于电源变换器空载、半载和满载的测试。
2.3  系统测试接口 
关于测试接口部分除了普通的电压信号测试外，还有大电流的测试。此时设计时考虑接插件上针点的限流大小，采用多点分流的方式连接负载，保证功率测试过程安全准确。
测试箱外围留有VGA接口，将内部PXI控制器上的VGA接口引出，连接外部显示屏设备。同时，测试箱面板也留有USB接口，用来连接鼠标键盘等，方便操作。考虑到电源变换器测试过程中需要观测一次电经过DC/DC变换后带载不同情况下的纹波，在测试箱上也设计了多组BNC接口，方便示波器探头的连接。
3 软件设计 
3.1  软件设计框架 
系统软件开发平台选择labVIEW，它的优势在于可以和基于PXI总线的各硬件模块无缝连接，软件设计人员不需要对PXI各模块的驱动有深入了解，在开发过程中利用labVIEW提供的API即可进行程序开发，极大地提高了系统软件开发效率[5]。卫星电源变换器测试系统软件框架设计如下图所示：

图 3 系统软件开发框架设计

考虑卫星电源变换器测试设备的通用性，除了硬件上采用了基于模块化设计的PXI总线平台之外，软件设计时同样依据模块化、序列性测试设计原则进行软件功能划分，分为电源变换器单板、整机、环境测试以及仿真测试四部分。
3.2  测试项配置

软件设计基于测试项编写不同的测试序列，实现上通过ini配置文件方便操作人员实时添加测试项，无需了解labVIEW编程平台即可迅速完成其他型号单板/整机测试项功能的添加，软件上实现了较强的通用性和扩展性，且易于操作。
软件配置项界面如下图所示：

图 4 系统软件测试项界配置界面

在该测试界面，可以灵活地在.ini配置文件中编辑测试项，之后根据不用的测试对象选择相应的测试项，组成测试项序列，另外也可定义测试项开始及结束条件，以便控制测试序列流程。
3.3  软件单步及自动测试 
系统软件除了可以完成电源变换器多种单板及整机单项测试外，还完成了整机及环境试验下的自动测试功能，解决了诸如过流保护、短路保护等以往测试设备人工操作较为危险、所需外围设备繁多、操作复杂等棘手问题，并且整机的测试时间大幅缩短，相比之前效率提到了几十倍，智能化程度得到了较大的提高。
系统软件自动测试界面如下图所示：

图 5 系统自动测试界面

在软件自动测试界面，可以看到对于操作人员选中的多个测试项组成的测试序列，软件可以自动控制各测试项关联的硬件操作，从而按照选定的顺序完成自动测试，中间测试过程无需操作人员干预。
3.4  软件报表设计 
系统软件设计了完善的报表功能，对于单板或者整机测试时所有的测试项均设计了基于模版的报表子项，可以动态灵活地设置诸如欠压、过压切换临界电压值、过流、短路保护阈值等，待某些实验完成后操作人员自定义选择报表子项，最后生成一份满足某项实验的测试报告，无需操作人员做任何改动或者添加即可作为报告归档，实现测试过程到报表生成的无间断操作，极大地减小了以往操作人员实时记录、表格整合、数据归类等繁杂操作的工作量，进一步提高了电源变换器的测试效率。
4 系统技术难点实现 
卫星电源变换器测试过程中，欠压切换过程的捕获难度较大，主要是以往测试设备在总线数据带宽上有所限制，无法达到较大的数据吞吐量。本文提出的基于PXI总线的测试平台可以实现每个遥测采集通道几十KS/s的采样率，并进行实时数据处理和显示，能够很好地对卫星电源变换器DC/DC欠压过程进行测试和监控。
另外由于星上用电设备的特殊性导致卫星电源变换器的遥测输出也较为特殊，通常情况下输出阻抗较高，因此实际测试设备设计过程中在信号调理部分设计了阻抗匹配电路，利用反向运算放大电路高输入阻抗、低输出阻抗的特性，解决了由于遥测信号输出阻抗高带来的高采样率下精度下降的问题。反向运放电路原理如下图所示：

图 6 反向运算放大电路原理图

由于在测试箱内设计了电阻负载，因此测试箱整个系统的散热也是设计难点，良好的散热通道设计、多个强力风扇的机械装配设计都是保证测试箱气流顺畅流通的重要手段。另外测试箱内装配的模块较多，包括PXI总线测试平台、模拟电源模块以及电阻负载等，因此测试箱内的电磁干扰问题也需要考虑，对模拟电源模块进行电磁屏蔽封装盒设计，整个测试箱选择屏蔽箱，同时在信号调理部分对关键信号进行滤波处理，测试箱内合理布局、布线等措施在实际测试中效果较好。
5 总结 
综上所述，本文提出的基于柔性测试的通用卫星电源变换器测试技术侧重于模块化设计，配合其他的外围模块，如DC/DC模拟电源、电阻负载及仪器即可搭建功能全面的卫星电源变换器测试系统；同时测试系统较大的总线带宽、良好的机械特性也提高了测试设备的可靠性及稳定性。另外基于labVIEW平台开发的系统软件，以模块化、序列性测试的软件框架实现了卫星电源变换器多种单板及整机型号的测试需求，智能化程度高，易于操作及扩展。
目前基于柔性测试技术的卫星电源变换器测试设备已投入实际使用中，运行良好。
参考文献:
[1]马世俊.卫星电源技术[M],北京：中国宇航出版社，2009:39-41
[2]叶卫东. 卫星电源数据采集控制系统研究[J],现代制造工程,2011年第9期:112-115
[3]张黎明. 基于PXI的卫星综合测试系统的设计与实现[J],计算机测量与控制,2008年第16期:27-29
[4]王建军. 卫星星座地面供配电测试系统研制[J]. 航天环境工程，2010年第27卷第3期:346-350
[5]陈锡辉，张银鸿. LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社,2008