卫星电源控制器软件标准化开发平台设计

2022-10-02宛传友刘宴华陈志缘

科技创新与应用 2022年27期

宛传友，刘宴华，侯飞，陈志缘，邓涛

（上海空间电源研究所，上海 200245）

电源控制器（PCU）是卫星电源分系统的关键设备，其主要功能是调节太阳电池阵、蓄电池组和卫星负载之间的功率平衡等[1]，下位机模块又是PCU的控制中心，由软件与硬件组成，主要完成总线网络通信协议规定的应答操作、通过总线通信网络完成遥测传送和指令接收等功能[2]。如今卫星型号任务研制周期短，对软件产品快速开发的需求尤为突出。但目前卫星电源分系统研制过程中，PCU下位机模块软件的开发调试均依赖于下位机模块硬件。主要表现为：在研制初期，下位机软件开发人员面临无硬件条件下编程的窘境，待后期硬件到位时方能验证下位机软件的正确性，而届时若软件出现问题将会耗费大量人力成本去排故，导致型号进度压力倍增。

针对这种情况，本文设计了一种卫星电源控制器软件标准化开发平台。该硬件平台主要包括现场可编辑门阵列（FPGA）控制单元、型号常用的驱动电路单元和总线通信单元等。下位机模块软件开发人员根据任务需求，可以提前在该平台上实现软件代码的调测试，为后续下位机模块的调测试奠定基础。

1 开发平台整体方案设计

随着越来越多的PCU下位机模块首选FPGA作为核心控制器，因此本标准化开发平台是基于A3P1000 FPGA进行设计。标准化开发平台整体结构如图1所示，按照功能可以分为电源模块、控制单元、驱动电路单元和总线通信单元等。

图1 标准化开发平台整体结构框图

2 单元设计和功能分析

2.1 电源模块

标准化开发平台用到的电压等级分别为5、3.3和1.5 V，需要给驱动电路单元、FPGA控制单元和总线通信单元供电。整个平台供电采用外部12 V输入，需要经过电压转换芯片转换成相应的标准电压。由于平台所需的电流比较大，因此选用TI公司的LM2678系列芯片，该系列是一款开关型的电源管理芯片，体积小、速率高且功能强，可承受最大5 A的电流，在4 A左右的电流下可长时间工作，具有较高的变换效率，并且具有过热保护和限流短路保护功能，是一款比较理想的降压芯片[3]，选用LM2678-5 V和LM2678-3.3 V分别产生5 V和3.3 V的电压提供给驱动电路单元和总线通信单元等。由于FPGA作为核心控制器，为了保证其稳定可靠，需要单独设计电源，选用AMS公司生产的AMS1117系列低压差线性稳压器（LDO），该系列芯片可将4.2～12 V的输入电压转换为稳定输出的标准电压，最高输出1 A电流[4]，选用AMS1117-3.3 V和AMS1117-1.5 V分别产生3.3 V和1.5 V提供给FPGA芯片，电源模块结构框图如图2所示。

图2 电源模块结构框图

2.2 FPGA控制单元

FPGA控制单元主要由A3P1000芯片、供电电路、晶振电路、SRAM存储电路、复位电路和JTAG下载口等组成。标准开发平台的核心控制器选择ACTEL公司ProASIC3系列FLASH型FPGA，该系列主要包含以下部分模块：输入输出模块（IOB）、可编程逻辑单元（Tiles）、内嵌RAM模块（BRAM）和时钟调整电路模块（CCC）[5]，功能强大，内部资源丰富，可比较方便地在片外添加相应外设，完全能够满足软件开发需求。FPGA的供电电源主要是内核的1.5 V电压和外设的3.3 V电压。选用24 MHz的有源晶振提供稳定的时钟输入。选用ISSI公司生产的IS62LV256AL芯片作为外部存储芯片，该型存储器容量为32 KB，具有访问时间短，低功耗等特点[6]。复位电路采用电阻和电容上电复位电路提供复位信号。FPGA的程序下载是标准的JTAG下载口，采用外部烧录器进行程序烧录。FPGA最小系统电路如图3所示。

图3 FPGA最小系统电路

2.3 驱动电路单元

卫星PCU下位机模块需要处理遥测、遥控等信号，驱动电路单元主要由OC指令输出电路、TTL指令输出电路和AD采样电路等组成。OC指令输出电路主要由SN74ALVC164245、CD4514、ULN2803和LED等组成，其中SN74ALVC164245具有三态输出的16位2.5～3.3 V或者3.3～5 V电平转换收发器。CD4514具有锁存输入的4到16译码器，在选定的输出端输出高电平，即逻辑“1”，其输入锁存器是RS型触发器，用于保存选通从“1”到“0”的跳变之前显示的最新输入数据，对该输入数据进行解码，并激活相应的输出[7]。ULN2803是八路NPN达林顿连接晶体管阵系列，特别适用于低逻辑电平数字电路和较高的电流或电压要求之间的接口。设计LDE指示灯来直观地显示出OC指令的输出情况，方便软件调试人员进行调测试。其中FPGA与OC指令接口电路如图4所示。

图4 FPGA与OC指令接口电路

TTL指令输出电路采用的是TI公司的SN74ALVC164245芯片，该芯片除了作为电平转换芯片，也可以作为TTL指令输出芯片，其输出电流驱动能力为8 mA以上，将其输出端的信号输入到LED指示灯，可以直观地观察TTL电平的执行情况，其中FPGA与TTL指令接口电路如图5所示。

图5 FPGA与TTL指令接口电路

AD采样电路主要由SN74ALVC164245、CD4067、OP07和AD574等芯片组成。其中CD4067芯片为16路模拟开关，其内部包括一个16选1的译码器和被译码输出所控制的16个双向模拟开关。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路，具有非常低的输入失调电压的特点。AD574是ADI公司生产的12位逐次逼近型模拟数字转换器电路，由电压比较器、控制逻辑电路、逐次逼近寄存器、高精度基准电压源和时钟等单元组成[8]，其中FPGA与AD采样接口电路如图6所示。

图6 FPGA与AD采样接口电路

2.4 总线通信单元

1553B总线通信电路主要由BU-61580、SN74ALV C164245和PM-2725等芯片组成。其中BU-61580是一种CMOS构成的1553B总线协议处理芯片，在FPGA和1553B外部线缆之间实现MIL-STD-1553B数据通信，芯片通信速率为标准的1Mb/s，BU61580芯片可被选择为BC、RT或MT工作方式[9]。隔离变压器使用的是HOLT公司的PM-2725芯片。其中FPGA与1553B总线接口电路如图7所示。

图7 FPGA与1553B总线接口电路

CAN总线通信电路主要由SJA1000T、TJA1040和SN74ALVC164245等芯片组成。其中SJA1000T是NXP公司推出的一款独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。TJA1040是控制器局域网CAN协议控制器和物理总线之间的接口芯片，有优秀的EMC性能而且在不上电状态下有理想的无源性能。其中FPGA与CAN总线接口电路如图8所示。

图8 FPGA与CAN总线接口电路

RS422总线通信电路主要由AM26C31、AM26C32和SN74ALVC164245等芯片组成。其中AM26C31器件是具有互补输出的差分线路驱动器，三态输出具有驱动平衡线路的高电流能力。AM26C32是四路差动线路接收器的平衡或不平衡的数字数据传输，使能功能是共用的所有4个接收器，并提供了高电平有效选择或低电平有效的输入。其中FPGA与RS422总线接口电路如图9所示。