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        衛(wèi)星電源控制器軟件標準化開發(fā)平臺設計

        2022-10-02 08:29:00宛傳友劉宴華陳志緣
        科技創(chuàng)新與應用 2022年27期
        關鍵詞:指令

        宛傳友,劉宴華,侯 飛,陳志緣,鄧 濤

        (上??臻g電源研究所,上海 200245)

        電源控制器(PCU)是衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的關鍵設備,其主要功能是調(diào)節(jié)太陽電池陣、蓄電池組和衛(wèi)星負載之間的功率平衡等[1],下位機模塊又是PCU的控制中心,由軟件與硬件組成,主要完成總線網(wǎng)絡通信協(xié)議規(guī)定的應答操作、通過總線通信網(wǎng)絡完成遙測傳送和指令接收等功能[2]。如今衛(wèi)星型號任務研制周期短,對軟件產(chǎn)品快速開發(fā)的需求尤為突出。但目前衛(wèi)星電源分系統(tǒng)研制過程中,PCU下位機模塊軟件的開發(fā)調(diào)試均依賴于下位機模塊硬件。主要表現(xiàn)為:在研制初期,下位機軟件開發(fā)人員面臨無硬件條件下編程的窘境,待后期硬件到位時方能驗證下位機軟件的正確性,而屆時若軟件出現(xiàn)問題將會耗費大量人力成本去排故,導致型號進度壓力倍增。

        針對這種情況,本文設計了一種衛(wèi)星電源控制器軟件標準化開發(fā)平臺。該硬件平臺主要包括現(xiàn)場可編輯門陣列(FPGA)控制單元、型號常用的驅動電路單元和總線通信單元等。下位機模塊軟件開發(fā)人員根據(jù)任務需求,可以提前在該平臺上實現(xiàn)軟件代碼的調(diào)測試,為后續(xù)下位機模塊的調(diào)測試奠定基礎。

        1 開發(fā)平臺整體方案設計

        隨著越來越多的PCU下位機模塊首選FPGA作為核心控制器,因此本標準化開發(fā)平臺是基于A3P1000 FPGA進行設計。標準化開發(fā)平臺整體結構如圖1所示,按照功能可以分為電源模塊、控制單元、驅動電路單元和總線通信單元等。

        圖1 標準化開發(fā)平臺整體結構框圖

        2 單元設計和功能分析

        2.1 電源模塊

        標準化開發(fā)平臺用到的電壓等級分別為5、3.3和1.5 V,需要給驅動電路單元、FPGA控制單元和總線通信單元供電。整個平臺供電采用外部12 V輸入,需要經(jīng)過電壓轉換芯片轉換成相應的標準電壓。由于平臺所需的電流比較大,因此選用TI公司的LM2678系列芯片,該系列是一款開關型的電源管理芯片,體積小、速率高且功能強,可承受最大5 A的電流,在4 A左右的電流下可長時間工作,具有較高的變換效率,并且具有過熱保護和限流短路保護功能,是一款比較理想的降壓芯片[3],選用LM2678-5 V和LM2678-3.3 V分別產(chǎn)生5 V和3.3 V的電壓提供給驅動電路單元和總線通信單元等。由于FPGA作為核心控制器,為了保證其穩(wěn)定可靠,需要單獨設計電源,選用AMS公司生產(chǎn)的AMS1117系列低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO),該系列芯片可將4.2~12 V的輸入電壓轉換為穩(wěn)定輸出的標準電壓,最高輸出1 A電流[4],選用AMS1117-3.3 V和AMS1117-1.5 V分別產(chǎn)生3.3 V和1.5 V提供給FPGA芯片,電源模塊結構框圖如圖2所示。

        圖2 電源模塊結構框圖

        2.2 FPGA控制單元

        FPGA控制單元主要由A3P1000芯片、供電電路、晶振電路、SRAM存儲電路、復位電路和JTAG下載口等組成。標準開發(fā)平臺的核心控制器選擇ACTEL公司ProASIC3系列FLASH型FPGA,該系列主要包含以下部分模塊:輸入輸出模塊(IOB)、可編程邏輯單元(Tiles)、內(nèi)嵌RAM模塊(BRAM)和時鐘調(diào)整電路模塊(CCC)[5],功能強大,內(nèi)部資源豐富,可比較方便地在片外添加相應外設,完全能夠滿足軟件開發(fā)需求。FPGA的供電電源主要是內(nèi)核的1.5 V電壓和外設的3.3 V電壓。選用24 MHz的有源晶振提供穩(wěn)定的時鐘輸入。選用ISSI公司生產(chǎn)的IS62LV256AL芯片作為外部存儲芯片,該型存儲器容量為32 KB,具有訪問時間短,低功耗等特點[6]。復位電路采用電阻和電容上電復位電路提供復位信號。FPGA的程序下載是標準的JTAG下載口,采用外部燒錄器進行程序燒錄。FPGA最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

        圖3 FPGA最小系統(tǒng)電路

        2.3 驅動電路單元

        衛(wèi)星PCU下位機模塊需要處理遙測、遙控等信號,驅動電路單元主要由OC指令輸出電路、TTL指令輸出電路和AD采樣電路等組成。OC指令輸出電路主要由SN74ALVC164245、CD4514、ULN2803和LED等組成,其中SN74ALVC164245具有三態(tài)輸出的16位2.5~3.3 V或者3.3~5 V電平轉換收發(fā)器。CD4514具有鎖存輸入的4到16譯碼器,在選定的輸出端輸出高電平,即邏輯“1”,其輸入鎖存器是RS型觸發(fā)器,用于保存選通從“1”到“0”的跳變之前顯示的最新輸入數(shù)據(jù),對該輸入數(shù)據(jù)進行解碼,并激活相應的輸出[7]。ULN2803是八路NPN達林頓連接晶體管陣系列,特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流或電壓要求之間的接口。設計LDE指示燈來直觀地顯示出OC指令的輸出情況,方便軟件調(diào)試人員進行調(diào)測試。其中FPGA與OC指令接口電路如圖4所示。

        圖4 FPGA與OC指令接口電路

        TTL指令輸出電路采用的是TI公司的SN74ALVC164245芯片,該芯片除了作為電平轉換芯片,也可以作為TTL指令輸出芯片,其輸出電流驅動能力為8 mA以上,將其輸出端的信號輸入到LED指示燈,可以直觀地觀察TTL電平的執(zhí)行情況,其中FPGA與TTL指令接口電路如圖5所示。

        圖5 FPGA與TTL指令接口電路

        AD采樣電路主要由SN74ALVC164245、CD4067、OP07和AD574等芯片組成。其中CD4067芯片為16路模擬開關,其內(nèi)部包括一個16選1的譯碼器和被譯碼輸出所控制的16個雙向模擬開關。OP07芯片是一種低噪聲,非斬波穩(wěn)零的雙極性(雙電源供電)運算放大器集成電路,具有非常低的輸入失調(diào)電壓的特點。AD574是ADI公司生產(chǎn)的12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉換器電路,由電壓比較器、控制邏輯電路、逐次逼近寄存器、高精度基準電壓源和時鐘等單元組成[8],其中FPGA與AD采樣接口電路如圖6所示。

        圖6 FPGA與AD采樣接口電路

        2.4 總線通信單元

        1553B總線通信電路主要由BU-61580、SN74ALV C164245和PM-2725等芯片組成。其中BU-61580是一種CMOS構成的1553B總線協(xié)議處理芯片,在FPGA和1553B外部線纜之間實現(xiàn)MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)通信,芯片通信速率為標準的1Mb/s,BU61580芯片可被選擇為BC、RT或MT工作方式[9]。隔離變壓器使用的是HOLT公司的PM-2725芯片。其中FPGA與1553B總線接口電路如圖7所示。

        圖7 FPGA與1553B總線接口電路

        CAN總線通信電路主要由SJA1000T、TJA1040和SN74ALVC164245等芯片組成。其中SJA1000T是NXP公司推出的一款獨立的CAN控制器,主要用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡控制。TJA1040是控制器局域網(wǎng)CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口芯片,有優(yōu)秀的EMC性能而且在不上電狀態(tài)下有理想的無源性能。其中FPGA與CAN總線接口電路如圖8所示。

        圖8 FPGA與CAN總線接口電路

        RS422總線通信電路主要由AM26C31、AM26C32和SN74ALVC164245等芯片組成。其中AM26C31器件是具有互補輸出的差分線路驅動器,三態(tài)輸出具有驅動平衡線路的高電流能力。AM26C32是四路差動線路接收器的平衡或不平衡的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸,使能功能是共用的所有4個接收器,并提供了高電平有效選擇或低電平有效的輸入。其中FPGA與RS422總線接口電路如圖9所示。

        3 開發(fā)平臺硬件實物圖

        軟件標準化開發(fā)平臺的實物如圖10所示,其中10(a)是驅動電路單元,10(b)是FPGA控制和總線通信單元。衛(wèi)星PCU下位機軟件開發(fā)人員根據(jù)任務需求將2塊印制板進行連接,進行軟件代碼的提前調(diào)測試。

        圖10 軟件標準化開發(fā)平臺的實物

        4 結束語

        本文提出的衛(wèi)星電源控制器軟件標準化開發(fā)平臺,改變了傳統(tǒng)衛(wèi)星PCU下位機模塊軟件的開發(fā)方式,解決了下位機軟件開發(fā)人員需要等待下位機模塊硬件到位才能進行調(diào)測試的窘境。經(jīng)過多個型號的驗證,結果表明該開發(fā)平臺的適配性強,穩(wěn)定性高,加快了型號單機的研制進度,可以為后續(xù)衛(wèi)星型號的研制提供借鑒。

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