民用飞机智能电源模块设计与实现

2018-09-13杨启帆赵腊才韩康

电脑知识与技术 2018年17期

杨启帆赵腊才韩康

摘要：伴随着我国民用飞机设计的不断发展，各类机载设备中的电源模块已不再是单一供电设备的代名词，智能电源的出现使得电源的设计更为复杂、功能更为多样。如何进一步提高对电源模块的监控变得越发突出。从智能电路设计研究出发，按照电路功能划分，详细描述了软件架构，同时运用自检测技术（Built-In-Test，BIT）提升了智能电源的可控性和智能性。实际使用证明，该电源智能电路在智能配电软件的控制下能够良好地满足智能监控和控制功能，保障机载设备运行的安全。

关键词：电源模块；智能控制；自检技术；微控制器；人机交互；民用飞机

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）17-0278-03

Abstract： With the continuous development of Civil Aircraft design in China， all kinds of power supply module in airborne equipment is no longer a synonym for power supply equipment， the emergence of intelligent power makes the design more complex and more various. How to make the monitoring of power supply module becomes more prominent. From the research of intelligent circuit design， according to the circuit function division， the software architecture is introduced in detail， and the BIT technology is applied to improve the controllability and intelligence of intelligent power. Actual use indicate that，under the control of intelligent power distribution software， the intelligent circuit satisfied the monitoring and control functions， and ensures the safety of airborne equipment.

Keywords： power supply module； intelligent control； BIT； microcontroller； human-computer interaction； civil aircraft

隨着我国某型飞机的首飞成功，机载电源模块已不在单纯完成对设备内部提供符合标准的交直流电，智能化和数字控制等方面的设计对于机载电源越发重要，同时如何更好地监控和维护电源已经成为飞机设计者和制造商关注的重要问题之一，因此民用飞机智能电源的设计变得越发重要，相对于传统电源系统，智能电源系统具有以下优势：1）便于控制和维护；2）功能的多样性和扩展性；3）实现人机交互。

1 总体框架

该智能电源模块需要向信息系统中的六种功能模块提供独立电压输出控制，并且监控每路的输出电压、电流，同时对电源模块的状态进行监控，支持系统的维护要求。

该智能电源采用单相115V、400Hz交流供电，经过前端交流电路的处理，为后端提供6路12V的直流电压以及3.3V和28V直流电压。为了实现模块智能控制功能，采用Atmel公司设计的ATmega128 MCU作为整个电源的控制核心，通过外围电路的配合，采用软件控制的方式实现电源模块的检测控制功能、信号处理功能、故障识别及处理功能和人机交互功能。整体设计框图如图1所示。

2 智能部分硬件设计

2.1 开关控制电路设计

独立控制供电是智能电源模块的关键技术之一，当系统内部某个模块出现故障的时候，关闭该路电源输出，可以有效地防止故障的扩散。采用传统的功率开关和驱动电路组成的控制电路不仅控制精度不高，无法对细微的变化做出有效的控制，而且占用印制板面积较大，不利于电源模块的小型化。因此，采取开关控制器硬件控制输出配合MCU软件控制输出的方式，开关控制电路主要功能是对6路12V的智能供电控制、过压过流保护。具体设计框图如图2所示：

本设计采用TI公司推出的TPS24720开关控制器，该控制器电压范围2.5V～18V，具有输出使能、硬件过压过流保护功能，满足3.3V和12V电压的开关控制，同时可调节电压、电流门限，并且该芯片提供监控电流采集点，精确地反映该通路上电流的大小。28V电压的开关控制采用TI公司推出的TPS2492开关控制器。

2.2 监控电路设计

监控电路的功能是监控开关控制器流过的电流以及输出电压，提供给ADC完成模数转换并传输给MCU，通过MCU完成对各模拟量的监控。

该监控电路需要实现对直流电源12V、3.3V电压和电流的监控，以及28V电源电压和电流的监控，采用模数转换器（ADC）配合MCU的方式监控电压、电流值，并通过软件控制开关控制器的输出使能，本设计中共采用4片ADT7516和2片Si8902 ADC配合MCU完成模数转换和监控。ADT7516是一款多功能四通道10-bit ADC，内部集成温度传感器，最大转换速率为22.5KHz，内部有2.28V参考电压；SI8902是一款隔离三通道10-bit ADC，转换时间为2us，隔离率最大为5KV。具体电路如图3所示：

MCU采用SPI总线完成对ADC的读写控制，通过MCU控制3-8译码器（74LVC138）完成对各ADC的片选，采用软件查询的方式对各通路电压、电流的采集，完成对各通路状态的监控，经过数据处理、逻辑比较，完成对各通路的开关控制。通过串口可以将采集的电压、电流值实时显示出来，供维护人员实时掌握电源模块的工作状态。

2.3 离散量电路设计

2.3.1 离散量输入接口电路设计

机舱内部输入的地/开信号经过离散量输入接口电路输入到MCU中，该电路不仅实现了输入信号去抖动，消除了虚假抖动信号对模块产生的虚假控制操作，而且实现外部输入信号与内部电路处理信号的电气隔离，在实现原理简单、可靠性高的基础上，引入了外部离散量BIT测试，具体电路如图4所示：

离散量开关连接的二极管防止外部高电平输入对内部电路的损坏。当外部离散量开关打开，即外部离散量接地，光耦导通，延迟器输出为低电平；当外部离散量开关关断，外部将信号上拉至28V，经过电阻分压和钳位电路保证施密特触发器输入端电压为3.3V，光耦不导通，延迟器输入由电源3.3V上拉，因此输出至GPIO管脚的电压为高电平。

2.3.2 离散量BIT测试电路

MCU通过离散量BIT测试电路可以有效测试离散量通路的正确性，可以在电路调试过程中及时定位和发现问题，极大地减少了电路调试维护时间，具体电路如图5所示：

由MCU的两个GPIO管脚控制电路输出离散量BIT信号，输入到图4离散量输入接口电路中， MCU采集延迟器的输出，从而可以回环测试离散量电路的正确性，由于两个开关不能同时闭合，否则会产生短路，因此通过以上电路设计，即可以隔离外部输入信号与内部处理信号，同时又可以防止信号短路的发生。

3 智能配电软件设计

3.1 需求分析

智能配电软件是实现智能电源健康管理和智能控制的重要组成部分，主要负责对电源模块输出通路的通断控制、BIT检测、故障处理、数据存储和上报、人机交互以及通过I2C接口实现电源模块和外部功能模块的信息交换。针对智能配电软件的需求，可以分为4种工作模式，分别为初始化模式、正常工作模式、人机交互模式以及故障处理模式。

3.2 软件构架设计

嵌入式软件开发以硬件电路为基础，依托于驱动程序，实现顶层应用开发，因此智能配电软件采用分层化的方式进行软件开发。其分层结构图如图6所示：

初始化模式根据离散量的状态进入不同的上电初始化内容和工作模式，接着进行上电BIT检测，完成MCU检测、NVRAM检测、RTC检测、温度检测、中断检测、离散量检测等。

正常工作模式下，在加电BIT检测结果正确时，按照NVRAM中的工作构型文件的加电顺序及加电间隔，控制输出支路的通断，有效的解决各模块间因初始化时间的差别带来的影响。随后进行周期BIT检测。

故常处理模式下，根据BIT检测结果进入不同的故障处理流程，根据需求涉及11种检测。

人机交互模式主要是飞机在进行地面维护时提供给维护人员的操作界面，人机交互提供三级菜单，用户可以通过菜单项选择不同的控制操作，进行BIT检测，并通过RS232接口实现工作、软硬件构型信息的显示和更新。

3.3 智能监控

智能监控是智能配电软件的核心功能之一，监控程序为单任务周期运行方式，当第一次上电时，由于没有进行人机交互模式中的工作构型信息的更新，因此采用默认的加电顺序、加电间隔以及3.3V、12V、28V电压、电流预设门限进行监控；在周期BIT中MCU分时对各通道开关控制器输出端的电压进行采集。当开关控制器流过的电流大于门限范围时硬件自动切断输出；当采集到的电压或者电流不满足电压、电流门限范围时，由MCU软件控制关断相应通路，通过软硬件结合控制方式不但可以增强对供电模块的保护，同时反应速度较快，能够及时监控各电压、电流实时采集值，完成相应通路通断控制。

3.4 BIT检测

该电源模块在软硬件设计之初，充分地考虑到了BIT检测，即依靠模块或系统具备的电路和程序，监控和检测自身运行状态，并对产生的故障进行诊断、隔离、记录和控制。电源系统的BIT检测技术主要包括硬件检测、信号处理、故障识别和故障处理四个部分。智能配电软件根据BIT执行的阶段的不同分为上电BIT、周期BIT和维护BIT三个部分。BIT检测结果充分地反应了当前电源模块的状态，BIT检测是智能配电软件的重要组成部分，贯穿于软件的各种工作模式中。图7清晰的表明BIT检测和整体软件流程图之间的关系。

4 测试方法与分析

功能测试中，由1块烧写了智能配电软件的电源模块、1台电源模块调测台、1块文件服务器模块、1台文件服务器模块调测台以及2台4通路电子负载装置构成。电源模块调测台通过RS232接口和PC机相连，电源模块调测台和文件服务器模块调测台通过I2C调测线缆相连，6路电子负载连接到电源模块调测台的6路12V输出端口，配置电子负载各路额定电流为4A。测试内容如下所示：

a. 采样数据读取：在人机交互模式下，温度显示45.2℃，各路电压、电流值显示均在指定范围内，误差低于±2%；

b. 电流测试：在人机交互模式下，通过更改外部电子负载的额定电流值，各路电流值显示均在指定范围内，误差低于±2%；

c. 过流测试：在正常工作模式下，更改外部电子负载的额定电流值，使其超过智能配电软件内部配置的电流最大门限（5A）构型信息，对应通路输出关断正常；

d. 掉电恢复测试：在过流测试的基础上，将额定电流值恢复正常，通过CBIT检测，该通路恢复供电正常；

e. 故障信息存储：在正常工作模式下，模拟电源模块遇到的故障，比如过流故障，随后重新上电，进入人机交互模式时，读取NVRAM中故障记录地址空间信息，正确的显示过流错误代码和相应的时间信息。

测试结果显示，通过智能配电软件，智能电源模块可以实时、迅速地掌握电源模块的各种状态信息，各通路的控制灵活准确，极大的方便定位和查找电源模块出现的问题，并对故障能够做到及时规避。

5 结束语

本文主要描述了一种基于MCU的电源模块智能部分的软硬件设计，并引入了BIT檢测设计，在详细介绍智能硬件电路的基础上，从软件的架构和控制流程出发，阐述了软件的各功能模式。该电源模块已经圆满地完成了某型飞机的首飞任务，工作稳定可靠，为后续电源模块智能控制的硬件设计和软件开发提供了一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] Atmel corporation. ATmega128（L） Complete Datasheet [OL]. http：//www.atmel.com.

[2] Analog Devices，Inc. ADT7516 Datasheet [OL]. http：//www.analog.com.

[3] Silicon Laboratories.SI8902 Datasheet [OL]. http：//www.silabs.com .