本发明涉及一种遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统、方法及机械外壳，属于电机控制技术领域。以解决现有技术中的调焦驱动系统成本高，体积大，无法满足商业航天对微小卫星的要求的技术问题。该调焦驱动系统包括：用于控制电机转动的电机驱动子系统，用于采集焦距位置的状态回采子系统，用于整机调控的内部控制器子系统，用于实现所述内部控制器系统与上位机之间通信的串口子系统，以及电源子系统。本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统具有的成本低、功耗低、质量低、精度高、可靠性高以及体积小的“三低二高一小”优点，可以较好的在保证性能和系统可靠性的前提下，降低单机成本，满足商业航天对微小卫星的要求。
1.一种遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，其特征在于，包括：
用于控制电机转动的电机驱动子系统（05），所述电机驱动子系统（05）包括：H桥电机驱动控制器，其通过输出PWM波对电机绕组进行调焦驱动；
用于采集焦距位置的状态回采子系统（04），所述状态回采子系统（04）包括：RS422总线控制器，其用于将状态回采信息的差分信号转换成单端信号；
用于整机调控的内部控制器子系统（02），所述内部控制器子系统（02）包括：看门狗电路（201）、时钟电路（202）、调试接口（203）和CPU控制器（204）；所述看门狗电路（201）用来监控CPU状态；所述时钟电路（202）给CPU控制器（204）提供时钟；所述调试接口（203）用来实现程序下载和在线调试；所述CPU控制器（204）用来完成系统控制；
用于实现所述内部控制器子系统（02）与上位机之间通信的串口子系统（03），所述串口子系统（03）包括：与所述状态回采子系统（04）共用的所述RS422总线控制器；以及用于给整机供电的电源子系统（01），所述电源子系统（01）包括：熔断器电路（101）、浪涌抑制电路（102）和电平转换电路（103）；所述熔断器电路（101）用来在后极电路发生短路时熔断熔断器；所述浪涌抑制电路（102）用来抑制浪涌；所述电平转换电路（103）用来转换成5V电压给所述状态回采子系统（04）、所述内部控制器子系统（02）和/或所述串口子系统（03）供电，以及经过所述浪涌抑制电路（102）的12V电压给所述电机驱动子系统（05）供电；
所述内部控制器子系统（02）分别与所述电源子系统（01），所述串口子系统（03），所述状态回采子系统（04）以及所述电机驱动子系统（05）连接；所述电源子系统（01）还分别与所述串口子系统（03），所述状态回采子系统（04）以及所述电机驱动子系统（05）连接。
2.根据权利要求1所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，其特征在于，所述电机驱动子系统（05）在进行调焦驱动时，支持开环调焦和闭环调焦；所述开环调焦的指令参数包括：调焦步数和调焦频率；所述闭环调焦的指令参数包括：调焦位置和调焦频率。
3.根据权利要求2所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，其特征在于，所述闭环调焦采用单向逼近方式实现。
4.根据权利要求1所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，其特征在于，所述H桥电机驱动控制器为DRV8885驱动芯片（301）。
5.根据权利要求1所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，其特征在于，所述RS422总线控制器包括：RS422发送芯片（401）和RS422接收芯片（402）。
6.根据权利要求1所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，其特征在于，与中心机通过RS422接口进行通信，接收并解析遥控指令，读取光栅尺的位置信息，产生电机驱动控制信号，同时收集指令状态、调焦状态信息，对遥测信息进行组帧并发送给中心机。
7.根据权利要求1所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，其特征在于，所述内部控制器子系统（02）利用单片机控制器的SPI接口解析光栅尺的BiSS协议。
8.根据权利要求1所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，其特征在于，指令包括开环调焦指令、闭环调焦指令和工程参数采集指令；返回的应答帧包括指令应答帧和工程参数帧。
9.一种根据权利要求1所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的调焦驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：初始化：初始化CPU、初始化I/O口、初始化看门狗、初始化全局变量和初始化通信接口；
指令采集：上位机向调焦驱动发送指令时，触发RS422中断函数，指令采集在中断函数中完成；所述指令包括工程参数采集指令、开环调焦指令和闭环调焦指令；根据帧头判断指令类型，如果是工程参数采集指令，将遥测返回标志位置位，如果是开环调焦指令和/或闭环调焦指令则存入指令缓存；
指令读取解析：判断有无开环调焦指令和/或闭环调焦指令在执行，如果没有开环调焦指令和/或闭环调焦指令执行，则去指令缓存提取开环调焦指令和/或闭环调焦指令并解析；
开环调焦：根据开环调焦指令中的调焦频率和步数，通过定时器产生对应频率和脉冲个数的驱动信号，作用于电机驱动子系统（05），实现开环调焦；定时器中断函数根据调焦频率设置中断时间，产生相应的控制信号；
闭环调焦：向光栅尺发送数据采集指令，光栅尺反馈当前焦距位置，触发SPI中断函数，根据目标位置和当前位置的差值，计算调焦步数，根据给定的频率产生相应的驱动信号，驱动过程中周期性采集光栅尺数据，完成一次驱动之后，重新计算调焦步数进行下一次驱动，直到满足给定阈值时，闭环调焦结束；
遥测返回：判断收到工程参数采集指令时，根据协议组帧并通过串口传递给中心机。
10.一种根据权利要求1‑8中的任意一项所述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的机械外壳，其特征在于，包括：容纳PCB板的壳体、用于封闭所述壳体的盖板和底板，以及军工级接插件；
所述PCB板固定在所述壳体内，所述盖板和底板通过钛合金螺钉与所述壳体固定连接；
所述电机驱动子系统（05）、所述状态回采子系统（04）、所述内部控制器子系统（02）、所述串口子系统（03）以及所述电源子系统（01）均设置在所述PCB板上；
所述壳体的侧壁设有与所述军工级接插件配合的插口，所述PCB板的电接口通过所述军工级接插件进行信号的传输。
遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统、方法及机械外壳
技术领域
[0001] 本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统、方法及机械外壳。
背景技术
[0002] 相机作为光学遥感卫星的载荷，完成对地景观的拍摄任务，拍摄的影像数据广泛应用于农业、林业、海洋、国土、环保、气像等方面，其数据影像的清晰程度对于数据的准确分析非常重要，影像的清晰程度与相机焦距是否调整在合适位置息息相关，相机焦距的调整依赖于卫星相机分系统的一个重要单机调焦驱动，调焦驱动受上位机控制产生驱动信号，带动调焦机构上的电机转动从而实现相机焦距的调整。
[0003] 现有技术中的调焦驱动系统成本高，体积大，无法满足商业航天对微小卫星的要求。
发明内容
[0004] 本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统、方法及机械外壳。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
[0006] 一种遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，包括：
[0007] 用于控制电机转动的电机驱动子系统，所述电机驱动子系统包括：H桥电机驱动控制器，其通过输出PWM波对电机绕组进行调焦驱动；
[0008] 用于采集焦距位置的状态回采子系统，所述状态回采子系统包括：RS422总线控制器，其用于将状态回采信息的差分信号转换成单端信号；
[0009] 用于整机调控的内部控制器子系统，所述内部控制器子系统包括：看门狗电路、时钟电路、调试接口和CPU控制器；所述看门狗电路用来监控CPU状态；所述时钟电路给CPU控制器提供时钟；所述调试接口用来实现程序下载和在线调试；所述CPU控制器用来完成系统控制；
[0010] 用于实现所述内部控制器子系统与上位机之间通信的串口子系统，所述串口子系统包括：与所述状态回采子系统共用的所述RS422总线控制器；以及
[0011] 用于给整机供电的电源子系统，所述电源子系统包括：熔断器电路、浪涌抑制电路和电平转换电路；所述熔断器电路用来在后极电路发生短路时熔断熔断器；所述浪涌抑制电路用来抑制浪涌；所述电平转换电路用来转换成5V电压给所述状态回采子系统、所述内部控制器子系统和/或所述串口子系统供电，以及经过所述浪涌抑制电路的12V电压给所述电机驱动子系统供电；
[0012] 所述内部控制器子系统分别与所述电源子系统，所述串口子系统，所述状态回采子系统以及所述电机驱动子系统连接；所述电源子系统还分别与所述串口子系统，所述状态回采子系统以及所述电机驱动子系统连接。
[0013] 在上述技术方案中，所述电机驱动子系统在进行调焦驱动时，支持开环调焦和闭环调焦；所述开环调焦的指令参数包括：调焦步数和调焦频率；所述闭环调焦的指令参数包括：调焦位置和调焦频率。
[0014] 在上述技术方案中，所述闭环调焦采用单向逼近方式实现。
[0015] 在上述技术方案中，所述H桥电机驱动控制器为DRV8885驱动芯片。
[0016] 在上述技术方案中，所述RS422总线控制器包括：RS422发送芯片和RS422接收芯片。
[0017] 在上述技术方案中，与中心机通过RS422接口进行通信，接收并解析遥控指令，读取光栅尺的位置信息，产生电机驱动控制信号，同时收集指令状态、调焦状态信息，对遥测信息进行组帧并发送给中心机。
[0018] 在上述技术方案中，所述内部控制器子系统利用单片机控制器的SPI接口解析光栅尺的BiSS协议。
[0019] 在上述技术方案中，指令包括开环调焦指令、闭环调焦指令和工程参数采集指令；返回的应答帧包括指令应答帧和工程参数帧。
[0020] 一种上述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的调焦驱动方法，包括以下步骤：
[0021] 初始化：初始化CPU、初始化I/O口、初始化看门狗、初始化全局变量和初始化通信接口；
[0022] 指令采集：上位机向调焦驱动发送指令时，触发RS422中断函数，指令采集在中断函数中完成；所述指令包括工程参数采集指令、开环调焦指令和闭环调焦指令；根据帧头判断指令类型，如果是工程参数采集指令，将遥测返回标志位置位，如果是开环调焦指令和/或闭环调焦指令则存入指令缓存；
[0023] 指令读取解析：判断有无开环调焦指令和/或闭环调焦指令在执行，如果没有开环调焦指令和/或闭环调焦指令执行，则去指令缓存提取开环调焦指令和/或闭环调焦指令并解析；
[0024] 开环调焦：根据开环调焦指令中的调焦频率和步数，通过定时器产生对应频率和脉冲个数的驱动信号，作用于电机驱动子系统，实现开环调焦；定时器中断函数根据调焦频率设置中断时间，产生相应的控制信号；
[0025] 闭环调焦：向光栅尺发送数据采集指令，光栅尺反馈当前焦距位置，触发SPI中断函数，根据目标位置和当前位置的差值，计算调焦步数，根据给定的频率产生相应的驱动信号，驱动过程中周期性采集光栅尺数据，完成一次驱动之后，重新计算调焦步数进行下一次驱动，直到满足给定阈值时，闭环调焦结束；
[0026] 遥测返回：判断收到工程参数采集指令时，根据协议组帧并通过串口传递给中心机。
[0027] 一种上述的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的机械外壳，包括：
[0028] 容纳PCB板的壳体、用于封闭所述壳体的盖板和底板，以及军工级接插件；
[0029] 所述PCB板固定在所述壳体内，所述盖板和底板通过钛合金螺钉与所述壳体固定连接；所述电机驱动子系统、所述状态回采子系统、所述内部控制器子系统、所述串口子系统以及所述电源子系统均设置在所述PCB板上；
[0030] 所述壳体的底部设有四个用于固定连接的凸耳；
[0031] 所述壳体的侧壁设有与所述军工级接插件配合的插口，所述PCB板的电接口通过所述军工级接插件进行信号的传输。
[0032] 本发明具有以下有益效果：
[0033] 本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统具有的成本低、功耗低、质量低、精度高、可靠性高以及体积小的“三低二高一小”优点可以较好的在保证性能和系统可靠性的前提下，降低单机成本，满足商业航天对微小卫星的要求。
[0034] 本发明所提出的调焦驱动不仅可应用于商业航天领域遥感卫星载荷分系统的焦距控制，也可应用于军事、航空、航海和空间探测等领域。
[0035] 本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，采用价格低廉的单片机作为主控，一组RS422收发器实现与上位机通信和焦距位置采集功能，可以完成开环和闭环调焦功能。单机成本低、功耗低、体积小、功能稳定，作为一种非经常工作的单机，在卫星批产方面有较大优势。
[0036] 产品设计简单，能够满足星上对载荷分系统对焦距调整的需要，本发明的组合系统在保证卫星在轨稳定运行的前提下，不仅降低单机成本，而且可以降低单机质量，节约发射成本，同时，降低单机功耗，延长卫星在轨使用寿命，间接进一步降低卫星成本。
附图说明
[0037] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0038] 图1为本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的一个实施例的系统框图。
[0039] 图2为本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的详细系统架构示意图。
[0040] 图3为本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的控制流程示意图。
[0041] 图4为利用SPI协议解析BiSS协议时序示意图。
[0042] 图5‑7为本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的机械外壳的结构示意图；其中，图5为主视图，图6为左视图，图7为后视图。
[0043] 图8为本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的机械外壳的立体结构示意图。
[0044] 图中的附图标记表示为：
[0045] 01‑电源子系统；02‑内部控制器子系统；03‑串口子系统；04‑状态回采子系统；05‑电机驱动子系统；
[0046] 101‑熔断器电路；102‑浪涌抑制电路；103‑电平转换电路；
[0047] 201‑看门狗电路；202‑时钟电路；203‑调试接口；204‑CPU控制器；
[0048] 301‑DRV8885驱动芯片；
[0049] 401‑RS422发送芯片；402‑RS422接收芯片。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0051] 在其中一个实施例中，如图1所示，本发明公开一种遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，该系统包括：用于控制电机转动的电机驱动子系统05、用于采集焦距位置的状态回采子系统04、用于整机调控的内部控制器子系统02、用于实现内部控制器子系统02与上位机之间通信的串口子系统03以及用于给整机供电的电源子系统01。其中，内部控制器子系统02分别与电源子系统01，串口子系统03，状态回采子系统04以及电机驱动子系统05连接；电源子系统01还分别与串口子系统03，状态回采子系统04以及电机驱动子系统05连接。
[0052] 如图2所示，电源子系统01包括熔断器电路101、浪涌抑制电路102和电平转换电路103。12V供电输入首先经过熔断器电路101，在后极电路发生短路时，电流突然增大，熔断器电路101熔断，掐断电源输入从而保护电源和后极电路；
[0053] 浪涌抑制电路102采用MOS管，配合电阻、电容实现浪涌抑制，并且采用双路并联冗余备份设计，提高了可靠性；
[0054] 电平转换电路103采用的芯片为TPS5410，转换成5V电压后，供给状态回采子系统04、内部控制器子系统02、串口子系统03使用。经过浪涌抑制电路102的12V电压供给电机驱动子系统05供电。
[0055] 如图2所示，内部控制器子系统02包括看门狗电路201、时钟电路202、调试接口203和CPU控制器204；
[0056] 看门狗电路201的芯片选用的是MAX6316，用来监控CPU控制器204的状态。芯片供电稳定供电，手动复位引脚保持悬空状态，喂狗引脚与CPU控制器204相连，程序周期性输出喂狗信号。若程序出现异常无法按时喂狗，看门狗芯片将输出复位信号，使CPU控制器204复位重启；
[0057] 时钟电路202的晶振型号为WX5N芯片，频率为22.1184MHz，给CPU控制器204提供时钟；
[0058] 调试接口203采用两线制C2CK接口，实现程序下载和在线调试；
[0059] CPU控制器204选用C8051F502单片机。
[0060] 如图2所示，状态回采子系统04和串口子系统03共用RS422收发芯片，包括RS422接收芯片402和RS422发送芯片401，CPU控制器204调用内部UART串口内核，通过串口子系统03实现与上位机通信；调用SPI内核，通过状态回采子系统04与光栅尺通信。
[0061] 如图2所示，电机驱动子系统05的驱动芯片选用DRV8885驱动芯片301，采用H桥电机驱动控制器产生PWM波实现对电机绕组进行调焦驱动，可以控制电机的转动方向和速度。驱动电压12V。
[0062] 本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统包含一个控制程序，控制程序的主要功能包括，实现与中心机通过RS422接口进行通信，接收并解析遥控指令，读取光栅尺的位置信息，产生电机驱动控制信号，同时收集指令状态、调焦状态等信息，对遥测信息进行组帧并发送给中心机。
[0063] 调焦驱动软件架构如图3所示。包括主程序、RS422中断函数、SPI中断函数和定时器中断函数四部分。主程序完成调焦动的初始化，然后进入循环语句，循环对调焦指令进行判读、解析，并产生电机驱动信号以及完成对光栅尺数据的读取；RS422中断函数采用中断形式完成中心机遥控数据的接收；SPI中断函数用于接收光栅尺返回的位置信息；定时器中断函数用于产生调焦机构的驱动信号。
[0064] 调焦驱动软件可分为初始化、指令采集、指令读取解析、开环调焦、闭环调焦和遥测返回六个功能模块。本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统的调焦驱动方法包括以下步骤：
[0065] 初始化：只在程序开始执行一次，包括初始化CPU、初始化I/O口、初始化看门狗、初始化全局变量和初始化通信接口。
[0066] 指令采集：上位机向调焦驱动发送指令时，触发RS422中断函数，指令采集在中断函数中完成，包括工程参数采集指令、开环调焦指令和闭环调焦指令。程序根据帧头判断指令类型，如果是工程参数采集指令，将遥测返回标志位置位，如果是调焦指令（包括开环调焦指令和闭环调焦指令）则存入指令缓存。
[0067] 指令读取解析：程序大循环在循环起始，判断有无调焦指令在执行，如果没有调焦指令执行，则去指令缓存提取指令并解析。
[0068] 开环调焦：程序根据开环调焦指令中的调焦频率和步数，通过定时器产生对应频率和脉冲个数的驱动信号，配合其他控制信号作用于电机驱动子系统的驱动芯片（DRV8885驱动芯片301），实现开环调焦功能。定时器中断函数根据调焦频率设置中断时间，产生相应的控制信号。
[0069] 闭环调焦：程序向光栅尺发送数据采集指令，光栅尺反馈当前焦距位置，触发SPI中断函数，根据目标位置和当前位置的差值，计算调焦步数，根据给定的频率产生相应的驱动信号，驱动过程中周期性采集光栅尺数据，完成一次驱动之后，重新计算调焦步数进行下一次驱动，直到满足给定阈值时，本次闭环调焦结束。闭环调焦采用单向逼进的方式完成。
[0070] 遥测返回：判断收到工程参数采集指令时，根据协议组帧并通过串口传递给中心机。
[0071] 调焦驱动控制软件通过SPI接口解析BiSS协议数据，光栅尺的数据接口遵循BiSS协议，RS422电平标准，通过串口芯片转换成单端信号。图4给出了BiSS协议和SPI协议时序对比图。从图4中可以看出，总线空闲时，MA保持高电平，SLOBiSS保持高电平表示它已准备就绪，在MA的第二个上升沿，SLOBiSS设为低电平Ack作出响应，Ack的长度不定。Ack结束后，SLOBiSS设为1位高电平Start启始位，然后是1位低电平“0”位。“0”位之后是26位有效数据位。对比SPI协议时序可知，用SPI协议解析BiSS协议数据，数据总以“110…010”为起始，然后是26位有效数据位。通过软件确定“110…010”起始位，提取其后的26位有效数据位，即可获得光栅尺反馈的焦距位置信息。
[0072] 如图5‑8所示，本发明还公开一种用于上述调焦驱动系统的机械外壳，该机械外壳包括：容纳PCB板的壳体、用于封闭壳体的盖板和底板，军工级接插件；本发明中的电机驱动子系统05、状态回采子系统04、内部控制器子系统02、串口子系统03和电源子系统01均设置在第一层PCB板上。
[0073] PCB板固定在壳体内，盖板和底板通过钛合金螺钉与壳体固定连接；壳体的底部设有四个用于与安装板固定连接的凸耳；壳体的侧壁设有与军工级接插件配合的插口，PCB板的电接口通过军工级接插件进行信号的传输。
[0074] 本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统具有的成本低、功耗低、质量低、精度高、可靠性高以及体积小的“三低二高一小”优点可以较好的在保证性能和系统可靠性的前提下，降低单机成本，满足商业航天对微小卫星的要求。
[0075] 本发明所提出的调焦驱动不仅可应用于商业航天领域遥感卫星载荷分系统的焦距控制，也可应用于军事、航空、航海和空间探测等领域。
[0076] 本发明的遥感卫星载荷分系统用调焦驱动系统，采用价格低廉的单片机作为主控，一组RS422收发器实现与上位机通信和焦距位置采集功能，可以完成开环和闭环调焦功能。单机成本低、功耗低、体积小、功能稳定，作为一种非经常工作的单机，在卫星批产方面有较大优势。
[0077] 产品设计简单，能够满足星上对载荷分系统对焦距调整的需要，本发明的组合系统在保证卫星在轨稳定运行的前提下，不仅降低单机成本，而且可以降低单机质量，节约发射成本，同时，降低单机功耗，延长卫星在轨使用寿命，间接进一步降低卫星成本。
[0078] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0079] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
