王偉偉 金文 葛立 閆新峰 王楊

摘要：針對(duì)航天飛行器在高空掛飛過(guò)程中，外界溫度低于-40℃，很多元器件的無(wú)法正常工作，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法啟動(dòng)或工作出現(xiàn)故障。本文采用基于DSP的1553B總線技術(shù)以及采用高可靠性硬件比較電路實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器艙內(nèi)溫度的控制，使其保持在10℃～30℃之間，從而保證艙內(nèi)設(shè)備能夠正常工作，提高系統(tǒng)安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：1553B總線技術(shù);硬件比較電路;溫度控制

中圖分類號(hào)：TM571 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1007-9416（2020）06-0000-00

0引言

在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，溫度環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的性能影響巨大。在上萬(wàn)米的高空中，外界空氣溫度很低，常常會(huì)到達(dá)-40℃甚至更低。而一般的進(jìn)口元器件工業(yè)級(jí)的穩(wěn)定工作溫度為-40℃。低于該溫度，不能保證芯片的正常工作，往往會(huì)出現(xiàn)各種不確定的異常現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品工作異常，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。同時(shí)目前國(guó)產(chǎn)化在如火如荼地進(jìn)行著，但國(guó)產(chǎn)器件的溫度特性和穩(wěn)定性還需要試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，因此在低溫環(huán)境中無(wú)法保證芯片正常工作的情況下，能夠想到的就是為芯片提供一個(gè)“保溫環(huán)境”，即讓其工作在適宜的工作環(huán)境中[4，5]，從而保證功能的正確性。

本文針對(duì)掛飛試驗(yàn)中對(duì)溫度的要求，設(shè)計(jì)了一種溫度控制裝置，該裝置能夠?qū)⑴搩?nèi)溫度控制在10℃～30℃，保證艙內(nèi)設(shè)備能夠正常工作，并通過(guò)1553B總線[1-3]將控溫結(jié)果報(bào)送給地面測(cè)試系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

1總體設(shè)計(jì)方案

溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度控制裝置和加熱元件組成。溫度傳感器采集環(huán)境溫度，溫度控制裝置根據(jù)環(huán)境溫度啟動(dòng)或關(guān)閉加熱元件，從而將溫度控制在一定的溫度范圍內(nèi)。為了提高加熱效率，整個(gè)系統(tǒng)的供電電壓為100V，加熱元件的功率將近2000W，通過(guò)加熱元件的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)艙內(nèi)溫度的控制，并通過(guò)1553B總線將溫度值及控制情況上報(bào)給地面測(cè)試系統(tǒng)。

為了保證溫度控制的準(zhǔn)確性和安全性，設(shè)計(jì)時(shí)使用了軟硬件分開(kāi)設(shè)計(jì)的方法。即硬件電路控制加熱元件的工作狀態(tài)，軟件只管采集溫度和工作狀態(tài)，然后通過(guò)1553B總線上報(bào)結(jié)果，不參與控制。溫度控制裝置采用板卡插背板的設(shè)計(jì)方式，主要由5個(gè)板卡組成，分別為電源模塊、接口模塊和3個(gè)溫控模塊，3個(gè)溫控模塊分別對(duì)應(yīng)了三個(gè)加熱元件，分成3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有3個(gè)溫度傳感器，互相備份，使用三判二方式對(duì)溫度進(jìn)行判斷，提高系統(tǒng)的可靠性。溫度控制裝置的組成框圖如圖1所示。

由圖所示，100V供電電壓輸入，經(jīng)過(guò)電源模塊后，轉(zhuǎn)換成5V電壓供后面的接口模塊和溫控模塊使用，接口模塊使用1553B總線和外面系統(tǒng)進(jìn)行通信，將9路溫度采集值和三路加熱元件開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋給其他系統(tǒng)。3個(gè)溫控模塊根據(jù)外面3個(gè)溫度傳感器的電壓值進(jìn)行三判二處理，根據(jù)不同的閾值控制繼電器對(duì)加熱元件進(jìn)行加熱或停止加熱。下面對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行描述。

1.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊的主要由EMI濾波器、DC/DC轉(zhuǎn)換模塊組成，為了降低文波，提高5V電源質(zhì)量，增加了共模濾波和差模濾波器，輸出工作電流可達(dá)3A。電源模塊組成框圖如圖2所示。

電源濾波模塊輸入前端為了防止輸入端電壓正負(fù)接反并且保護(hù)輸入端電源，設(shè)計(jì)中在EMI濾波器輸入正端串聯(lián)了1對(duì)并聯(lián)的整流二極管，同時(shí)為了抑制外界引入的高脈沖對(duì)元器件的損害，加入了一個(gè)單向的瞬態(tài)抑制二極管進(jìn)行保護(hù)。

1.2 接口模塊設(shè)計(jì)

接口模塊使用B61580芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)1553B總線通信技術(shù)。B61580總線控制器是針對(duì)1553B總線通信系統(tǒng)研制的專用接口控制電路，為1553B總線通訊系統(tǒng)中的核心控制芯片，完成系統(tǒng)中的BC/RT/MT功能，用于通訊系統(tǒng)中核心數(shù)據(jù)的傳輸。使用范圍涉及航天和軍用領(lǐng)域，其同譜產(chǎn)品目前已被廣泛應(yīng)用于太空飛船、火箭、衛(wèi)星、核工業(yè)、船舶及武器裝備等關(guān)系國(guó)防安全的關(guān)鍵設(shè)備上。

接口模塊的核心控制芯片采用TI的DSP TMS320F2812來(lái)控制1553B協(xié)議芯片B61580實(shí)現(xiàn)RT功能和控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，具體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

其中CPLD完成B61580和DSP之間的電平轉(zhuǎn)換、邏輯控制功能，通過(guò)中斷的方式通知DSP對(duì)1553B消息進(jìn)行處理。對(duì)13路數(shù)據(jù)的采集使用DSP自帶的12位ADC，分AB兩個(gè)通道，共16路，信號(hào)從背板引入。從溫度控制模塊過(guò)來(lái)的12路信號(hào)，經(jīng)過(guò)射隨器阻抗變換后進(jìn)入DSP的ADC模塊進(jìn)行采集。

1.3 溫控模塊設(shè)計(jì)

溫控模塊主要包括電壓比較電路、邏輯控制電路以及加熱控制電路。電路比較電路完成對(duì)3路溫度值轉(zhuǎn)換成的電壓值進(jìn)行比較，邏輯控制電路完成三判二功能，加熱控制電路完成對(duì)加熱元件的控制。

1.3.1 電壓比較電路

電壓比較電路由測(cè)溫電路和電壓比較器組成。測(cè)溫電路是由電阻組成電路。溫度傳感器的輸出作為控溫閾值，測(cè)溫電路的輸出接到電壓比較器的輸入端，電壓比較器的輸入端與設(shè)定的控溫閾值進(jìn)行比較，輸出高低電平。

當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，比較器輸入低于設(shè)定的控溫閾值下限，比較器輸出高電平，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，比較器輸入高于設(shè)定的控溫閾值上限，使比較器輸出低電平。電壓比較電路輸出的高低電平首先進(jìn)入邏輯控制電路，當(dāng)3路比較器的輸出電平2路為高時(shí)，控制其后的驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通，加熱回路閉合，加熱器開(kāi)始加熱，環(huán)境溫度上升;當(dāng)3路比較器的輸出電平中2路為低時(shí)，控制其后的驅(qū)動(dòng)電路截止，加熱回路斷開(kāi)，加熱器停止加熱，環(huán)境溫度下降。這樣，比較回路反復(fù)如此，達(dá)到控溫效果。單路電壓比較電路見(jiàn)圖4。

1.3.2 邏輯控制電路

邏輯控制電路主要實(shí)現(xiàn)三判二控制功能，電路實(shí)現(xiàn)原理圖如圖5所示。

三路比較器輸出中，任意兩路達(dá)到加熱要求，輸出高電平電壓，控制繼電器打通，加熱器加熱;相反，任意兩路達(dá)到停止加熱要求，輸出低電平，控制繼電器關(guān)斷，加熱器停止加熱。

1.3.3 加熱控制電路

本設(shè)計(jì)中，加熱器的開(kāi)關(guān)控制由固體繼電器實(shí)現(xiàn)。固體繼電器是具有隔離功能的電子開(kāi)關(guān)，是由半導(dǎo)體器件和無(wú)源元件組成，利用光電子和微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制電路（輸入端）與負(fù)載電路（輸出端）之間的電耦合和電隔離，無(wú)任何可動(dòng)部件。固體繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有與邏輯電路兼容、開(kāi)關(guān)速度快、輸出接通電阻穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)外界干擾小、壽命長(zhǎng)、工作可靠性高等突出的特點(diǎn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證

2.1 基于DSP的1553B總線控制技術(shù)

設(shè)計(jì)中使用到1553B控制芯片為B61580，使用DSP作為控制B61580的控制處理芯片，來(lái)完成對(duì)B61580的控制，實(shí)現(xiàn)RT功能。DSP對(duì)B61580的控制分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。B61580有一些控制硬件需要給特定的控制電平，如RT配置引腳，非零等待模式配置、讀寫(xiě)極性設(shè)置、16bit或8bit設(shè)置等，需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)給出確定的電平。硬件設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要的信號(hào)是Ready，是DSP控制B61580進(jìn)行讀寫(xiě)控制的握手信號(hào)。該信號(hào)需要經(jīng)過(guò)反向后引入到DSP的XINTF引腳的Ready引腳上，這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)B61580的正確讀寫(xiě)。

硬件設(shè)置完成后，需要根據(jù)B61580的手冊(cè)對(duì)其進(jìn)行軟件配置，主要包括寄存器設(shè)置和RAM區(qū)設(shè)置，寄存器設(shè)置如表1，RAM區(qū)設(shè)置如表2。

按照上面表1和表2中的設(shè)計(jì)參數(shù)，初始化完成后，B61580開(kāi)始工作。上面的初始化中設(shè)置了幾個(gè)子地址分別為：接收子地址1、發(fā)送子地址1、發(fā)送子地址10、發(fā)送子地址14和發(fā)送子地址15。需要注意的是，在寄存器0x01設(shè)置需要在RAM區(qū)設(shè)置完成后再設(shè)置，否則會(huì)因?yàn)锽61580未初始化完成就開(kāi)始工作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤地存放到其他區(qū)域，從而使得通信出現(xiàn)異常。經(jīng)過(guò)對(duì)B61580的軟硬件正確設(shè)置后，就可以根據(jù)1553B軟件協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)1553B總線通信。

2.2 溫控模塊參數(shù)選擇

本設(shè)計(jì)中溫控模塊的控溫功能是中重點(diǎn)。其中溫控模塊中的單路電壓比較電路來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由于溫度為緩變參數(shù)，系統(tǒng)要求控溫范圍為10℃～30℃，通過(guò)仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)控溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為17℃和23℃，即外界溫度小于17℃時(shí)溫控模塊接通繼電器開(kāi)始對(duì)加熱元件加熱;外界溫度大于23℃時(shí)關(guān)斷繼電器停止加熱元件加熱。通過(guò)理論計(jì)算，選取圖4中R1為精密電阻1.8K，R2、R4為精密電阻10K，R3為精密電阻8K，反饋電阻R5為精密電阻82K。選取上述電阻參數(shù)進(jìn)行了電路驗(yàn)證，該電路在供電5V的情況下能正常工作，運(yùn)放輸出3.7V左右，控溫范圍為17℃～23℃，滿足總體要求。

2.3 AD采集校準(zhǔn)

本設(shè)計(jì)使用到了DSP芯片自帶的AD芯片，設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有再外置專用的ADC芯片。DSP內(nèi)部有16路12位AD轉(zhuǎn)換器，理論上來(lái)講，ADC模塊的采樣精度還是可以的。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，每個(gè)DSP的ADC采集值差別很大，誤差最大都超過(guò)了15%，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很多問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)為DSP的ADC輸入端增加了兩路標(biāo)準(zhǔn)電壓5V和3.3V采集電路，由于模擬量輸入和數(shù)字量輸出之間存在Y= a ×X + b的關(guān)系，則根據(jù)兩路的標(biāo)準(zhǔn)電壓計(jì)算出線性系數(shù)a和b，然后作為其他通道的系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)該補(bǔ)償后各設(shè)備各通道之間的誤差控制在2%范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)需求。

3 總結(jié)

本文針對(duì)飛行器掛飛過(guò)程中存在的超低溫環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種溫度控制裝置，該裝置采用基于DSP的1553B總線技術(shù)、可靠的硬件控制電路以及AD采集補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)外界溫度環(huán)境的變化實(shí)時(shí)對(duì)加熱元件進(jìn)行控制，將溫度控制在10℃～30℃，保證了設(shè)備的穩(wěn)定工作，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

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收稿日期：2020-05-14

作者簡(jiǎn)介：王偉偉（1986—），男，河北衡水人，碩士研究生，工程師，研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。