一种星载电源系统下位机设计
时间：2020-12-08 20:05:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 为了增强对新一代星载蓄电池的管理，设计一套多功能的电源系统下位机变得有重要意义。在此论述了一种电源下位机的设计方案，它以MCS?51微处理器系统为核心，通过软硬件相结合，针对蓄电池的特性，合理制定了蓄电池的充放电管理策略。实践结果表明，电源下位机的技术方案可行，能有效地对蓄电池进行控制，大大提升了星载蓄电池的工作寿命与可靠性。
关键词： 电源下位机； 蓄电池； 充放电； 流程控制
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）04?0159?04
随着卫星设计工作寿命的延长，将氢镍蓄电池和锂离子蓄电池用作卫星的贮能设备，替代长期以来一直在星上使用的镉镍蓄电池是目前星载用蓄电池的发展方向[1]。目前卫星上使用的蓄电池在寿命期内需要经受数万次的充放电循环，比原先卫星的蓄电池充放电循环次数要多数倍，为了保证蓄电池使用寿命、可靠性，对于蓄电池充放电的控制需更为精细、复杂。单纯的硬件控制已无法满足星载蓄电池充放电控制和在轨维护的需要，因此设计一套全新的多功能电源系统下位机对星载电源系统进行控制就变得有重要意义[2?3]。
鉴于上述原因，提出一个适合于空间环境长周期工作的蓄电池控制用电源下位机的设计方法，并做了进一步的探讨和研究。
1 电源下位机概述
电源系统下位机包括： 电源模块、1553B总线收发模块、指令控制模块、遥测采集模块和控制模块。考虑到空间应用的不可维修性，电源下位机采用双机冷备份的设计。图1给出电源下位机的原理框图。它把遥测变换采集、总线通信、指令发送、系统控制等多个模块有机地融合为一体，实现了对电源系统及蓄电池组的有效控制。
为了满足对电源系统的控制要求，电源下位机采用以硬件实现对模拟量电压变换、处理工作，软件实现对蓄电池充放电闭环控制、进行总线通信等工作。
1.1 硬件部分
硬件上对电池单体电压、电池组电压等模拟量采集后，使用高精度的运算放大器进行电压转换，并采用差分放大电路，最后使用软件判别修正，使转换精度达到5 mV。在蓄电池温度量采集的设计上，对测温基准5 V电源进行四冗余处理，使得任意一路测温基准电源的损坏都不影响温度量的正常采集。对指令控制电路的设计也采用四冗余设计，并通过组合码排列的方式进行指令解析，确保最坏情况也只会发送一条误指令，但由于各种充放电指令都采取了3取2的模式，所以一条误指令是不能对电池进行充放电控制的。同时，设计了硬件看门狗电路，确保软件跑飞时能对单片机进行及时复位。
1.2 软件部分
软件上，对各类参数的采集通过软件做数字平均滤波，确保在有干扰的情况下，各类参数的采集可靠有效。通过1553B总线与星务系统进行通信，及时反馈遥测信息和接收指令参数。在软件中对上注控制参数进行3取2比对，防止因空间单粒子翻转等因素影响上注参数的正确性。将氢压控制周期设计为连续2个周期满足指令发送条件才发送指令。电池电量不足时，电源下位机向星务报警，由星务判断关闭部分单机，确保平台安全。
2 电源下位机设计方案
2.1 硬件系统组成
电源下位机包括4个硬件模块，各功能模块中，模拟量输入交换子主、备机为热备份，其余模块主、备机均为冷备份。
2.1.1 电源模块
电源模块完成一次电源到二次电源的转换，为电源下位机提供工作电源。
2.1.2 间接指令发送模块
单片机经过对电源输入参数的判断，当满足发送指令的条件后，立即从P0口送出信号经锁存、译码后由驱动器送出指令脉冲，脉冲经锁存器锁存一定脉冲宽度后清除，脉冲宽度由单片机定时器控制。
2.1.3 遥测采集模块
遥测采集模块有2个功能：第一是对蓄电池输入的电压或电流量变换为适合模/数转换的范围；第二是若干路模拟量在控制模块选通信号控制下，由模拟门变换为PAM信号，然后送至控制模块进行采集、处理。
2.1.4 控制模块
控制模块电路采用单片机作为控制核心，由单片机系统控制1553B总线通信、遥测参数采集、A/D转换、间接指令发送等功能。控制电路的原理框图如图2所示。
单片机产生各级模拟门选通信号，配合控制A/D转换器完成遥测模拟信号到数字信号的转换，AD芯片选用了AD574AUD模/数转换芯片，转换精度可达12位，能够满足对电池参数采样判断的精度要求。同时，单片机根据实际采样值进行运算和值域判断，对满足条件的采样值或判断值，给出相应的指令地址用以指令发送。
单片机在控制输出的同时，将所采集的数据或参数按照需要进行数据包封装，通过1553B总线传至卫星平台进行后处理。另外，单片机还通过1553B总线接收来自星务计算机的注数包和指令包，解析后执行相应操作。1553B协议处理器采用美国DDC公司的芯片BU65170作为一个终端RT，该芯片具有确定的传输延迟，可靠的传输能力，容错能力强等特点，而被广泛应用于航空，航天和军事领域的电子设备中[4]。
2.2 软件控制流程
电源下位机软件主要完成3项功能：对氢镍蓄电池组进行氢压和安时计充电控制；对锂离子蓄电池组进行充电控制和均衡管理；与星务主机进行通信。
2.2.1 氢镍蓄电池组控制流程
平台氢镍蓄电池组的充电控制是由氢压控制作为主要手段。
氢压控制的内容包括：
（1） 连续采集当前各电池模块的氢压，与设定值（上限、下限）进行比较，在条件满足后即当前氢压超过设定氢压上限时发出充电终止指令，当前氢压低于设定氢压下限时发出充电解锁指令。氢压设定值（上限、下限）可在轨注数“氢压设置”参数来修改。
