一种基于FPGA的星载电源控制方案设计*

刘博 李小磊 夏天泉 李欣欣

（上海航天电子技术研究所，上海， 201109）

随着航天任务复杂度和需求度提升，对航天器上电源系统的要求也越来越高[1]。作为整个航天器电源系统管理的控制核心，电源控制器（Power Control Unit，PCU）根据 需要对 星上能量输出进行相应调节、传输和变换，以保证星上各仪器能够正常工作[2]。

目前，星上的电源系统控制方式多使用8051的CPU（中央处理器）系统，以及一系列的锁存器、译码器等中小规模集成电路构成[3-4]，此类架构外围电路较为复杂，且对不同类型的接口兼容性不强。另外也有使用单个反熔丝FPGA（可编程阵列逻辑）来完成电源系统的遥测遥控功能[5-6]，此类方式能减少器件的种类、简化电路设计，但由于其做浮点运算的能力较弱，会消耗大量资源，因此在对蓄电池的自主管理方面会有所欠缺。

鉴于此，本文提出了一种适用于新型星载电源智能管理的设计方案，能够实现电路的小型化，完成更复杂的数据传输与管理；同时适应多种接口和控制方式，有良好的通用性和可扩展性，可以稳定地对电源系统进行自主监控和管理。

1 电源管理方案架构

电源管理方案的基本思路是：首先通过遥测采集模块周期性采集电源分系统的工作参数，并在控制处理模块的控制下将其转化为数字量；响应星载主机周期性的轮询命令，由1553通信模块将存储的遥测参数送至星上总线网络；CPU将多轮采集的遥测参数进行运算处理，并与预设或星载主机上注的控制门限值相比较，自主发送不同类型控制指令调节当前能源管理的状态，防止蓄电池过充过放，以提高蓄电池的充电效率，延长蓄电池寿命[7]。同时，增加了在系统编程的功能，可以根据不同蓄电池的K系数及控制策略变更进行实时的软件修改，可有效缩减研制周期，增强设备的兼容性。

图1给出了电源管理方案的原理框图，由图可知电源管理方案由二次电源变换、遥测采集模块、A/D转换、控制处理模块、1553B接口电路、指令输出接口、片选输出、422接口等电路组成。考虑到空间应用的不可维修性，采用了双机冷备份的设计。

图1 电源管理方案原理框图

1.1 数据采集功能设计

数据采集的主要功能是在CPU的控制下，时序采集电源分系统的状态参数，并将采集的电压量转换为数字量，由控制模块读取，存入数据存储器。数据采集功能主要分为2部分，一部分为多选一的模拟通道，另一部分为AD转换电路。数据采集功能框图如图2所示。

图2 数据采集功能框图

模拟通道电路主要由16选1的模拟门芯片构成，采用2级选通的方式实现多选一功能，该功能保证了AD转换器在每一个采集时刻只采集一路信号，避免多路信号之间相互干扰的问题。

AD转换电路由运算放大器OP77和AD转换芯片AD574组成。在使用中，将OP77设置为射极跟随器电路，以保证对输入信号的高阻抗隔离及A/D转换所要求的低输入阻抗。AD574是AD公司生产的一种快速逐次比较型12位AD转换器，转换速度最大为35μs，转换精度不大于0.05%，能够满足对蓄电池阈值门限控制的精度要求。

1.2 指令发送功能设计

指令发送功能是由CPU经过判断或计算后，依据发送通路，将对应的指令数据写入FPGA中，FPGA根据数据所写入的地址和指令内容来实施具体指令的发送。指令控制方式分为3类：①OC指令：FPGA输出脉冲选通电平控制驱动芯片发送OC指令，使用了具有16路指令驱动芯片BM2711；②片选指令：FPGA输出电平选通信号通过电平转换芯片发送片选指令，电平转换芯片使用了CC40109，能够将5V电平转换为适合电源系统充电曲线切换的电平后输出；③串口指令：FPGA通过串口芯片输出三线制时钟、门控、数据进行同步串口指令的发送。

1.3 控制处理功能设计

电源管理设备的控制处理核心为8051系列CPU系统和FPGA控制芯片，CPU系统包括CPU、PROM和SRAM芯片，PROM用于存放CPU处理软件，SRAM用于存放遥测数据和控制参数，SRAM与FPGA相连后作为同步422接口的遥测数据缓存，FPGA完成系统的逻辑控制及输入输出信号的收发控制。CPU与FPGA之间以及控制处理模块与外部各芯片的接口关系如图3所示。

图3 控制处理模块接口关系

CPU作为主控芯片完成1553B总线通信、遥测组帧、指令包解析、电源系统各参数的处理，FPGA作为从芯片，配合CPU完成地址端口的映射、地址的逻辑译码、模拟量的采集与缓存、各类指令发送、对外的同步或异步串口通信以及看门狗功能等。

在物理层，FPGA与CPU数据交换通过八位并行总线实现。FPGA内部主要由CPU通信模块完成与CPU的通信控制。CPU通信模块根据CPU的读写信号和ALE信号，按照时序与CPU进行通信，通过CPU给出的地址进行地址译码，实现外部各芯片的选通和读写控制。根据接收到的不同指令请求内容分发指令码至相应功能模块。与缓存管理模块交互，完成计算参数、遥测数据的缓存和转发。

1.4 在系统编程功能设计

为了便于系统和整星测试时的软件更改，设计了在系统编程功能。在系统编程的实现是通过增加一个RS232芯片，将CPU的TXD、RXD引出，同时将标准RS232串口中的DTR信号送FPGA芯片，采用在系统编程软件实现用户应用软件的烧录。由于FPGA设计中设计了看门狗控制功能，软件加载时，首先会禁止看门狗输出，此时CPU将自动识别到ISP端口，进行程序加载，整个加载过程CPU处于不工作模式，不会输出任何数据。

2 电源管理策略设计

2.1 蓄电池充电保护控制策略

充电保护控制目的：CPU通过自主调节蓄电池组充电限压曲线，保证蓄电池组所有单体电压不大于单体电压上限保护值，避免蓄电池单体过充。当需要进行充电保护控制流程时，星务软件会通过1553B总线发送一条“蓄电池单体保护充电控制使能”指令，CPU接收并解析该条指令后，便可在充电过程中对蓄电池单体进行自主控制，控制的周期为2s。在充电过程中，FPGA周期性地通过串口从均衡器接收蓄电池的各电压值，同时从AD处采集放电电流、蓄电池组电压等模拟量，CPU根据FPGA收集到的遥测电压数据判断，当满足任意一组蓄电池组的充电电流I＜4A且持续28s，充电开始，CPU进入充电控制流程：先筛选出单体电压在3.5V～4.5V范围的电池单体，并连续检测蓄电池单体电压变化情况；当检测到单体电压达到单体电压上限保护值时，CPU控制FPGA发送充电限压曲线切换指令，输出片选信号切换蓄电池组充电限压曲线至低一档的位置，实现对蓄电池单体的保护，同时更新健康字，记录当前电池单体保护充电自主控制状态。单体电压的上限保护值可通过参数注入进行修改，以适应电池不同模式的使用方式。

2.2 蓄电池均衡控制策略

目前星上越来越多地使用了锂离子电池组，其由多节单体锂离子电池所组成，为了提高锂离子蓄电池单体之间的均衡性，使单体电压偏差保持在预期范围内[4]，应提供对锂离子蓄电池单体均衡管理的功能，这里以7节单体组成的电池组为例。

FPGA从串口接收均衡器采集的当前蓄电池组所有单体电压、从外部采集 “太阳电池阵电流” “平台太阳电池阵电流1” “平台太阳电池阵电流2”卫星光照阴影状态信号，并存储在数据缓存芯片中；星务软件发指令将均衡控制使能状态切换至“均衡控制使能允许”。随后CPU对单体电压进行处理：CPU在7个当前蓄电池单体电压中剔除超出范围的值，然后将未剔除的电压值取平均值，每个电压与平均值比较，将与平均值误差≥0.2V的单体电压剔出；求取未剔除单体电压中最小单体电压Umin。

CPU需预先判断蓄电池各单体的均衡状态，若均为“0”，则退出此次均衡判断，若至少有一单体均衡状态为“1”，则进行以下操作：①FPGA通过串口发送给均衡器均衡关指令；②CPU置平台蓄电池组A单体1～7均衡状态遥测为“0”；③CPU将均衡时间、均衡计时位置零。

若均衡功能状态为“1”时，CPU判断卫星光照阴影状态。如果阴影状态，CPU继续判断均衡时间是否大于2h，如果大于2h，则进行以下操作：①FPGA通过串口发送给均衡器均衡关指令；②CPU置平台蓄电池组A单体1～7均衡状态遥测为“0”；③CPU将均衡时间、均衡计时位置零；退出本次均衡判断。

如果均衡时间≤2h，以2个均衡控制运行周期内是否满足以下2个条件中的任意一个为均衡接通判断条件：①在2个均衡控制运行周期内满足Ui-Umin≥U平台均衡（均衡阈值可以通过1553B总线注数修改，初始值为80mV，Ui为同一单体）；②在2个均衡控制运行周期内满足Ui≥U单体设定（Ui为同一单体）。

若该单体满足均衡接通条件，则进行以下操作：①FPGA通过串口发送该单体均衡开指令至均衡器；②CPU将该单体均衡遥测状态位置1，均衡计时位置1；③CPU进行均衡时间累加判断操作。

如果该单体不满足均衡接通条件，则对下一单体进行均衡接通判断，对所有在正常电压范围内的单体判断完成后，进行操作均衡时间累加判断。对均衡计时位判断，如果为“1”则均衡时间累加，退出本次均衡控制程序；如果均衡计时位为“0”，直接退出本次均衡控制程序。

3 仿真分析

根据本文设计的电源管理构架，在原先单CPU的基础上增加了FPGA作为CPU的扩展，可以方便地通过硬件描述语言（HDL）实现组合逻辑与时序逻辑，IO接口丰富，可大大提高产品的集成度。CPU通过对相应地址、数据的操作，控制FPGA进行功能实现。

在Modelsim中对FPGA功能进行仿真，如图4～图7所示。

图4 指令选通发送仿真波形

图7 均衡器遥测接收功能仿真

图4中，CPU向地址“0x2001” （OC指令发送地址）写入对应的通道号，FPGA判断解析后，将对应的指令驱动芯片输入管脚置高。图4中写入的通道号为“0x00”，则驱动芯片第一路的行、列选通置高，且持续80ms后再次置低。

图5中，CPU向地址“0x2002” （均衡器指令发送地址）写入对应的通道号，FPGA进行判断解析，jh_cmd_en为均衡器指令发送使能，启动后同时输出对应的4kbps时钟，门控和指令数据。仿真实例中CPU写入的指令码为“0x01”，其对应输出的A组均衡器指令数据为“0x8003”，实现了均衡指令发送功能。

图5 均衡器指令发送功能仿真波形

图6中，CPU向地址“0x2003” （电平选通指令地址）写入对应的通道号，FPGA进行判断解析，输出对应选通电平。仿真实例中CPU写入的指令码为“0x06”，其对应输出的A组充电电流3档指令数据为“011”，共3组输出，实现了电平选通功能。

图6 电平选通功能仿真波形

图7仿 真 实 例 中，CPU向 地 址 “0x2000”（均衡器遥测请求地址）写入对应的数据“0xaa”，随后FPGA会产生均衡器遥测请求标识（yc_req_jh），FPGA输出 门控 和4kbps的时钟 送往均衡器，并按位接收均衡器传来的遥测数据。FPGA对2台均衡器的遥测数据时序接收，以保证数据的完整性。

为满足星载电源系统内资源不断增多和控制流程日益复杂化、多样化的需求，降低研制周期，减少产品的器件种类，本文提出了一种星载电源系统管理的设计方案，该方案基于CPU+FPGA的系统架构，进一步提高了设计的通用性和可移植性，具有集成度高、研制周期短、通用性强、可扩展、易于维护等优点，实现了对星载电源系统的自主控制，降低了对外部系统的依赖，可满足电源系统内不同蓄电池的管理需求，确保了对星载蓄电池有效、灵活的管理与保护。