航天器低功耗电源控制器测控单元设计

2021-06-26徐海运

电子测试 2021年3期

徐海运

（中国运载火箭技术研究院研究发展部，北京，100076）

0 引言

电源控制器作为航天器电源系统的重要单机之一，主要功能是对太阳电池阵多余功率的分流调节和蓄电池的充放电控制。其中，电源控制器遥测/遥控单元（TM/TC），是完善和提高飞行器电源系统控制与管理功能的测控单元，通过总线以及OC指令与其他系统进行信息交互，是电源控制器的重要组成单元【1】。

电源控制器承担着航天器工作期间的能量传输和功率调控任务，作为航天器能源传递的初始节点，电源控制器必须具备较低的静态功耗，这样才能保证得到较高的功率输出比。而在电源控制器中，遥测遥控单元作为电源控制器自身状态采集编码和对外信息传输的重要组成部分，其功耗在电源控制器中占比较大，通过降低电源控制器遥测遥控单元的功耗，能够大幅降低电源控制器的静态功耗。

要实现电源控制器遥测遥控单元低功耗工作可以将其微处理器间断性设置为待机或掉电方式，通过间断性工作实现系统低功耗运行，但这样就无法保证航天器全任务周期下对信号进行连续、实时监测，无法满足航天器长期在轨运行的需求。本文对某航天器电源控制器智能遥测遥控单元从单元架构、关键电路模块及软件设计流程等方面进行了设计分析，提出电源控制器遥测遥控单元低功耗、智能化设计思路。

1 电源控制器原理及组成

目前长期在轨航天器电源系统多采用太阳电池阵—蓄电池组的联合供电体制。其中发电装置为太阳电池阵，储能装置为蓄电池组。电源控制器作为飞行器上电源系统的控制与管理中心，承担着飞行器在轨工作期间的能量传输和功率调控任务。光照期，太阳电池阵输出功率由电源控制器中分流调节电路和充电控制电路调控后给飞行器负载供电并按一定制式对蓄电池组进行充电，保证母线电压稳定；阴影期，蓄电池组输出功率经电源控制器中放电调节电路升压调节，以稳定的电压给飞行器供电【2】。系统原理框图如图1所示。

图1 电源控制器原理框图

2 遥测遥控单元架构设计

2.1 遥测遥控单元功能

电源控制器中遥测遥控单元负责电源控制器与整个航天器之间信息的相互传送，主要功能如下：

（1）完成遥控指令译码，将移码的结果送至相应执行模块；

（2）同时将遥测遥控单元采集的PCU内部的模拟遥测量、开关状态遥测量进行遥测编码，形成数据流后送整个航天器来识别电源控制器内部遥测数据；

（3）完成控制模块与电源控制器其他功能模块之间的接口匹配和执行。

2.2 遥测遥控单元组成架构

通过梳理电源控制器遥测遥控单元基本功能，设计控制部分、外围电路并通过RS422总线与飞行器主控进行通信。RS422总线采用两个独立接口，相互热备份。每个RS422总线接口对外是通过两对差分线与飞行器主控制单元连接，数据以串行方式通信；对内以数据总线和控制总线的方式与遥测遥控模块内部的控制电路连接。在内部控制电路用以完成A/D转换器的采样控制与采样数据通过RS422总线接口对外发送的控制；同时还完成对飞行器主控制单元通过RS422总线接口发送的命令数据进行解释和执行的任务。

遥测/遥控单元（TM/TC）原理框图如图2所示。

图2 遥测遥控单元框图

TM/TC模块控制电路可以完成对模拟通道（电压、电流、温度和状态等参数）的轮巡采集，所有接入各模拟通道的模拟量为0～5V的信号，模拟信号进A/D转换器形成遥测数据字节，遥测数据和一个起始字节（0x00）组成一个数据帧，在控制电路的作用之下，通过RS422接口上传给外系统。另外，对于母线电压、母线电流、蓄电池组电压等重要遥测参数还以0～5V的直接模拟量信号输出给外系统采集，作为备份。

此外，TM/TC收到飞行器主控发送的命令数据字节后进行解析，然后控制相应设备去执行所设定的命令，实现控制指令的传输。为了保证可靠性和安全性，电源系统保留一部分直接离散遥控指令，作为总线遥控指令的备份。

3 硬件电路模块设计

3.1 遥测遥控单元低功耗设计措施

（1）低功耗处理器选型

相对于DSP及FPGA等高性能芯片，单片机微处理器具有低功耗的显著优点且通过优化系统功能，其处理能力可以满足电源控制器遥测遥控单元功能需求。

（2）时钟优化【3】

微处理器主频越高，处理速度越快，但是功耗也越高。微处理器在不同工作模式下，系统工作电流均随着系统主频的增加而增加。根据待检测信号的频率，考虑AD转换速度和采样频率以及主程序控制周期，选定合适的主频配置。同时，开启微处理器内部的锁相环倍频模块会增加功耗，因此选用外部晶振作为时钟源，并关闭内部的锁相环模块，在保证时钟精度的同时降低系统功耗。

3.2 CPU外围电路

电源控制器微处理器（CPU）部分选用80C32作为主控制单元，通过外扩配置电路信号采集，通过DS26C31M和DS26C32M芯片配合CPU的UART部分实现RS422通信。CPU外围和RS422通信接口电路如图3，图4所示。

图3 CPU外围电路

图4 RS422通信接口电路

3.3 遥测参数采集电路

智能接口单元的遥测参数采集电路由模拟开关CC4067（分两级选通）、运算放大器LM108A、A/D转换器AD574组成。模拟遥测量均已经调整为0～5V的直流电压，微处理器80C32产生模拟开关CC4067的控制和片选信号，进行模拟遥测电压信号的选通，经过运算放大器LM108A进行阻抗匹配后，送AD574进行A/D转换，得到对应的数字量。

运算放大器采用具有高输入阻抗、低输出阻抗的LM108A，其高输入阻抗使多路开关导通电阻所引起的测量误差减小到可以忽略的程度，而低输出阻抗又能保证运算放大器输出与A/D转换器输入电阻之间的匹配。遥测参数采集电路如图5所示。

图5 遥测参数采集电路

为了提高分辨率，保证测量精度，A/D转换器选用AD574，该芯片分辨率12bit，转换速度最大35us，芯片内含高精度的参考电压源（10.00V），同时，转换操作所需的时钟信号由芯片内部提供，使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成A/D转换功能，应用非常方便。

3.4 遥控指令电路

智能接口单元的间接指令电路由译码器CC4514和双冗余译码输出驱动电路LB8169组成，如图6所示。CPU系统通过控制译码器CC4514的STR端进行对应间接指令数据的锁存，控制INH端使BM2701AMQ的两个控制信号产生80±10mS的有效输出，最终形成脉冲宽度为80±10mS的OC门输出间接指令。