光电探测系统电源通用化设计与实现

李宝珺，党 力，李宝龙，陈 伟

（1.西安应用光学研究所，西安 710065；2.西安电子工程研究所，西安 710100）

光电探测系统电源通用化设计与实现

李宝珺1，党 力1，李宝龙2，陈 伟1

（1.西安应用光学研究所，西安 710065；2.西安电子工程研究所，西安 710100）

为应对全天候、全天时实时使用要求，光电探测系统逐渐从功能单一的光电探测系统演变为多功能、多传感器的综合光电系统。因此，具体进行工程设计时，系统电源组件的技术指标要合理，满足系统使用要求。同时，组件维修、故障诊断、部件互换也要容易。针对此问题，基于描述的光电探测系统电源通用化设计原则，提出了一种可工程化设计方案。该方案对电源硬件结构设置、电源控制管理和电源功能扩展设计等进行了讨论，并给出具体设计方法。通过实际应用验证表明，该方案能够满足系统对电源组件的要求。

光电探测系统，电源管理，通用化设计

0 引言

为应对全天候、全天时实时使用要求，光电探测系统逐渐从功能单一的光电探测系统演变为多功能、多传感器的综合光电系统。研发人员开发了诸如热像周视瞄准镜、激光探测系统、夜视观瞄仪、昼夜综合观瞄系统等综合光电系统。这些系统其电源组件的性能要求越来越高，稍有不当就可能影响系统中光电传感器组件的正常工作。早期光电探测系统功能单一且由于技术条件所限，系统电源组件研发较为简单，仅考虑当前系统需要进行专门研制。而单个组件重新研制会导致产品出厂周期长，且同一类产品中，相同名称、功能变形的产品列装后，由于系统电源组件的差异，使得组件维修、故障诊断，部件互换的难度、时间、成本大大增加，这些问题表明光电探测系统电源组件迫切需要通用化设计，以保证性能提升，降低研制成本，缩减维护成本。

1 光电探测系统电源组件通用化设计原则

在一个全新系统的电源组件方案设计中，可最大限度地使用已工程化、通用化的电源模块，再根据功能要求配以少量的专用模块，构成专用的系统电源组件［1］。这样不仅能降低研制、维护时间及费用，也可提高系统重构能力及后勤保障能力。因此，提出如下设计原则和要求：

①利用已工程化、通用化的电源模块，将其组合使用；

②无需太多改动就能完成专门的任务。有预留的功能接口，仅对接口完成改型（如：电源输出种类，有无供电信息传递接口等）；

③能通过其安置的武器平台数据总线与综合信息管理设备完成命令及数据信息传递；

④由于综合光电系统集成性，为保证系统正常工作，要有系统工作电压、电流检测及上电时序控制等基本的电源管理功能。

2 通用化系统电源组件设计方案

对于各综合光电探测系统的电源组件而言，它一般需要提供较低纹波的大功率电源、激磁电源、伺服电源、系统板卡级低压电源。不同的只是安装方式的改变，信息传递方法及电压输入输出通道等方面的差异。为实现上述通用化设计原则，光电系统电源组件应包括：

①用以提供不同功能所需工作电压的电源模块；

②控制及自检系统，进行上电时序控制，完成各工作电源使用信息采集及交互；

③用于与外界通联的接口（电压输出+信息交互接口）；

④可靠的散热系统，以保证系统电源组件的内部系统、器件等工作环境温度。

2.1 系统电源组件硬件模块化设计

通用化系统电源组件硬件包括“基本硬件单元”和“扩展硬件单元”两部分，如图1所示。

图1 通用化系统电源硬件组成

其中，考虑电磁兼容要求，基本硬件单元是一个封闭金属仓，内含的扩展接口用来与线缆接口面板或扩展硬件单元对接。当光电系统仅有光学组件和稳瞄系统时，就无需扩展硬件单元，仅根据电气接口，设计线缆接口面板与之对接即可。当系统是加装其他传感器组件的光电探测系统，则用扩展接口连接扩展硬件单元，其也为封闭金属仓，为传感器组件提供工作电压。再根据电气接口，另设计线缆接口面板与扩展仓内的扩展接口对接即可。

2.1.1 基本硬件单元

现今，一般光电探测系统是包括火控计算机、高精度伺服转台、显控台等部件的光机电一体化产品。因此，系统电源组件的基本硬件单元应包括：电源稳压模块（板）、稳像稳瞄电源模块（板）、激磁电源模块（板）、火控计算机电源模块（板）、系统电源控制模块（板）。基本硬件系统的主要功能如下：

电源稳压模块（板），其串联于系统输入电源与后级DC-DC之间。因系统输入电源电压会有起伏、相邻电子系统通过电源线相互干扰、驱动电机等感性负载的频繁启动造成供电线上出现很大的浪涌电压。为保证传感器组件正常工作，电源稳压模块加入防反接保护、稳压、滤波模块和防浪涌模块，经过一级稳压和滤波后，可保护后级DC-DC，满足单一故障条件的浪涌电压和无故障条件的尖峰脉冲电压，有效降低外部干扰，有利于提高传感器组件可靠性［3］，如图2所示。

图2 稳压板功能图

激磁电源模块（板）、稳像稳瞄电源模块（板）及光电火控计算机电源模块（板），均为后级DC-DC转换模块，按其功能为光电探测系统提供相应功能的工作电压，如图3所示。

图3 后级DC-DC转换板功能图

系统电源控制模块（板），完成光电探测系统时序上电控制、各输出电压上电自检和管理。即对输出工作电源进行电平检测信息采集，通过添加的某种总线接口卡，与外部火控信息数据总线连接，完成信息交互功能。

2.1.2 扩展硬件单元

扩展硬件单元主要用于通用化系统电源的专用化改型，从而实现光电探测系统的多功能性。内含多种扩展模块，可以构成不同功能的光电系统电源组件，以完成与非常规配置（如加装激光测距机、红外热像仪、CCD相机、夜视仪、多超光谱成像仪等）的综合光电系统联合工作。

扩展1：添加“传感器组件电源模块（板）”，因为根据光电探测系统功能，会添加相应的各类传感器，如激光传感器、红外热像仪、CCD相机、夜视仪、多超光谱成像仪等，增加此扩展电源模块后，成为单一功能或多功能综合光电系统电源；

扩展2：添加“智能电压电流检测模块（板）”，该模块利用AD芯片监测被测工作电压并将信息送给CPU进行处理和传输；利用电磁感应和双霍尔效应原理的霍尔电流传感器采集被测值，通过一定处理，得出电流监测信息。以上电压、电流信息可通过“1553B”、“RS-422”、“CAN”和“TCP/IP”等接口传至外部火控信息数据总线，这些监测信息使光电系统使用人员可以清楚地掌握目前整机供电情况和各零部件的功耗，通过这些数据的存储分析，既可完成各个用电单元的功耗和使用频率的统计，还能对各设备的性能进行评估，提前发现问题，有利于故障排除。智能电压电流检测模块设计如图4所示。

图4 智能电流检测模块方案框图

其中，“智能电压电流检测模块（板）”是标准模板，而“传感器组件电源模块（板）”是非标准模板，需要根据技术协议专门研制，划分为一块或多块电源模块（板）。在结构上，非标准模板与标准模板一样，装配在扩展硬件单元仓内的槽位中，通过仓内扩展接口与基本硬件系统连接。

2.2 系统电源组件接口标准化设计

为达到部件互换，可制定系统电源通用接口标准。本工程设计中，系统电源组件采用J29M一体化连接器，其各组合模块的接触件可通过3 A～15 A电流。工程应用时，可通过多种不同类型的接触件模块（四芯的差分接触件、功率接触件、高速传输接触件或“1553B”数据总线接触件等模块）混装使用，即根据系统电源扩展接口需求，用不同的接触件模块混插在一起达到功能要求。设计时，同时规定直流电压输入、激磁电源输出、稳像稳瞄电源输出、火控计算机电源输出、检测信号、控制信号等及扩展电源输出（备用）管脚定义，以后直接使用即可［2］。由于连接器选型固定，系统电源外壳接插件安装尺寸也可确定。当结构壳体加工时，避免因更改系统电源壳体图纸参数而产生的加工失败风险。

2.3 系统电源组件控制软件设计

随着系统内电源数量的增多，为确保其安全、持续和正常的工作，系统电源管理不可缺少，即通过控制软件对系统电源组件完成工况监控和上、下电时序控制。这样可在综合光电探测系统工作时，保证系统按照正确的时序上电或断电，并随时观察系统电源组件内各部件是处于工作范围内还是出现异常。

2.3.1 工作电源时序控制软件设计

工作电源时序控制，即当复杂系统上电时，能够按照由一定顺序逐个对系统各工作组件完成开启行为；断电时，则由相反的顺序完成关闭行为。这种控制可统一、有效地控制系统集成的各工作组件，这不仅避免了人为的失误操作对各工作组件造成的可能损害，而且又减小了开/关系统各工作组件时，对输电线路的冲击电流。以热像周视瞄准镜工作为例，其内部控制模块上电控制为：首先，稳像陀螺电压、稳像控制电压开启，稳像陀螺开始工作。一定时延后，开启系统稳像功率管工作电压。接着，1 ms后，激磁模块开启，以驱动角度传感器、轴角解算模块工作。然后其他扩展硬件，如激光测距机、红外热像仪等，则通过数据传输总线接口接收开启、关闭命令。若以RS-422串口总线接口传接信息，上电时，工作电源时序控制软件流程图，如图5所示。断电时，工作电源由相反的顺序关闭系统各工作组件。

图5 上电时序控制软件流程图

2.3.2 工作电压及工作电流监测软件设计

“智能电压电流检测模块”可实时监控系统中各用电设备的工作电压及电流数据。通过A/D采集的被测工作电压值及通过霍尔电流传感器采集的被检测电流值送至CPU，完成数据的存储、分析，并通过数据传输总线接口将结果传给操控计算机。给各工作电压电流检测点都分配一个地址，通信的数据以打包的形式发送。通信由主控系统发起，检测模块的接收采用中断方式，确保数据的及时接收。主控系统根据操作命令发出检测点地址，每个检测点接收到后进行判断，不是该检测点地址的中断返回；反之则把该检测点地址及检测到的数据信息作为应答信号发送给主机，完成工作电压及工作电流检测。智能电压电流检测模块软件流程图，如图6和下页图7所示。

3 应用方式

此方案设计的通用化光电探测系统电源组件可应用于车长周视瞄准镜、激光探测系统、夜视观瞄仪、昼夜综合观瞄系统等综合光电探测系统平台。

以车长周视瞄准镜为例，据其功能划分，有微光型、热像型、激光型、双倍率型等系列产品。主要用于实施全天候的观察、瞄准、跟踪、预警等任务的。为满足使用、维护要求，镜体光学部件在设计之初就采用了全光谱共光路设计，通过双向稳定光学系统中的反射镜，完成一定立体视角范围内的视场巡查。根据系统基本功能设置，其中系统稳压电源板、稳像稳瞄电源板、激磁电源板、火控计算机电源板、系统电源管理板是各型整机系统电源的基本硬件单元，并安装固定于封闭金属仓内，各电源板提供基本供电需求，电源管理板提供时序上电控制、各输出电压上电自检和管理。管理板上搭载数据总线接口卡，从数据总线接收传感器开启关闭控制命令。另设计线缆接口面板与电气线缆或扩展仓的扩展接口对接。

图7 电压电流检测子系统串口中断软件流程图

当加装红外热像仪组成车长热像周视瞄准镜并安装在某车载平台时，则用基本硬件单元仓的扩展接口连接扩展硬件单元仓，其内装有“红外热像仪组件电源模块（板）”，为红外热像仪组件提供工作电压。由于全光谱共光路设计，镜体头部结构是同一尺寸。因此，车载平台可更换车长周视瞄准镜使用类型，如微光型。因其系统基本功能设置不变，镜体更换后，仅将系统电源的扩展仓内的“红外热像仪组件电源模块（板）”更换为“微光组件电源模块（板）”即可。整套系统电源具有工作自检能力、外部信息交换能力和高质量的电源管理能力。可见，即使光电探测系统功能更换了，但系统电源组件并不要很大的结构变化，甚至安装位置都保持不变，就完成使用需求转变。满足系统使用要求的同时，组件维修、故障诊断、部件互换也要容易。此种使用已在ZTZ99TZ99AMBT200坦克上进行使用验证。

若将此系统电源组件应用于其他武器平台，仅可根据其自身结构接口尺寸，在相应位置打孔安装即可。若光电探测系统技术参数、功能有改变，仅小范围设计改造基本仓内各电路模块（板）及扩展仓的硬件，就可完成系统电源设计。缩短新产品研制周期，对战场物资保障和维修保障快速响应提供有力支撑。

4 结论

系统电源组件是光电探测系统的重要组成部分，为系统中其他工作单元提供正常工作“基础”。在进行系统电源设计时，不仅要考虑各输出工作电压的战技指标，还需结合电源特性、各传感器组件用电特点等考虑，并设计系统电源组件的控制管理功能。这样的系统电源组件设计，在保证实现各工作电压的技术指标要求的同时，也可增加不同系统电源组件间零部件通用化程度，提高系统重构能力及后勤保障能力［4］。系统电源组件零部件在模块化分解的条件下，可达到缩短研制周期、降低维修成本、提高系统质量和可靠性，有利于系统故障排除，达到维修简化的目的。

［1］杨拴科，杨建国，姜向东.模块式电源及其应用［J］.电子产品世界，2000，8（2）：22-23.

［2］赵殳.电子设备结构设计原理［M］.南京：江苏科学技术出版社，1986.

［3］NICOLETTI R.新一代电源模块有效简化电源设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2015，15（9）：82-82.

［4］沈翠娟，叶静英.浅谈通用件的科学管理［J］.航天标准化，2009，27（4）：27-30.

Design and Implementation of Power Supply Generalization for Photoelectric Detector System

LI Bao-jun1，DANG Li1，LI Bao-long2，CHEN Wei1
（1.Xi’an Institution of Applied Optics，Xi’an 710065，China；2.Xi’an Institution of Electronic Engineering，Xi’an 710100，China）

In order to meet requirements of real-time using in all-weather，all-day，photoelectric detector systems are changed gradually from single function to multi-function and multi-sensors. Therefore，when the engineering design begins，the technical indicators of power supply needs be reasonable for fulfilling the systems and the maintenance，fault diagnosis and units exchange are easy to do.To resolve this problem，a scheme of power supply is proposed for photoelectric detection system based on the universal design principles which are described.The scheme introduces some methods，which include power supply hardware structure design，power control and power function extension design，as well as discusses engineering design implementation.Through real application，the results indicate that this plan can fulfill the missions of power supply for photoelectric detector systems.

photoelectric detecting systems，power supply management，generalization design

TN802

A

1002-0640（2017）05-0155-05

2016-03-19

2016-05-17

李宝珺（1981- ），女，陕西西安人，高级工程师。研究方向：光电仪器总体、侦察感知和信息处理技术研究。