基于TMS570 的卫星配电热控单元设计

2023-12-25邹吉炜刘树峰

电子技术应用 2023年12期

山峰，邹吉炜，刘树峰，张伟，贾旭

（长光卫星技术股份有限公司，吉林长春 130000）

0 引言

近年来，全球商业航天的发展步入了快车道，逐渐成为太空经济的新增长点，各国都在抢占商业航天的市场份额，分享太空经济的“蛋糕”[1-2]。从最近10 年的发展趋势来看，全球航天产业长期保持稳定增长，商业航天已经成为全球航天产业的主要构成和主导力量，商业航天整体向低成本、多样化、规模化方向发展[3-4]。

卫星供配电系统是星上变换、调节和分配电能的重要分系统，是卫星在轨运行的安全底线[5-7]。作为卫星平台的一项关键技术，供配电系统的性能、重量和价格对卫星总体设计有重大的影响[8-9]。国外小卫星配电系统基本上采用标准化、模块化的设计思想，将卫星供配电和热控功能进行了集成，Thales Alenia Space 公司研制的低功率电源控制与配电管理单元主要包括分流调节模块、放电调节模块、配电模块、热控模块等，所有模块内部通过背板实现电气连接[10-11]。国内在卫星系统集成化设计领域起步较晚，一些单位已开展小卫星配电热控系统集成化的相关研究工作[12-15]，但各家单位设计的产品缺少统一的标准支持，通用性差、扩展性不强且研制周期长，因此进行标准化、集成化的配电热控单元的研制具有很大的现实意义和实用价值。

在此环境下，本文采用模块化思想，设计具有功能高度集成的配电热控管理单元，对星上配电、热控功能进行整合，增加SADA（太阳电池阵驱动机构）驱动、电源监测、软件在轨重构等功能，以高度一体化的方式减少系统功耗、降低单机重量、去除系统间复杂的电缆连接，具有成本低廉化、接口标准化、功能可扩展、兼容性良好、易于在轨维护等特点。

1 整体设计

配电热控单元是星上至关重要的核心系统部件，本文设计的配电热控单元主要通过接收中心计算机的CAN 总线指令来完成星上单机配电、温度采集、主动热控制、SADA 驱动、电源状态监测、软件在轨重构等功能。系统框图如图1 所示，系统主要由CPU 模块、配电驱动模块、CAN 总线通信模块、整星热控模块、SADA 驱动模块5 个部分组成，不同功能模块通过内总线进行驱动，共用同一组数据总线，大大节省了CPU 资源。

图1 配电热控单元系统框图

2 系统硬件设计

2.1 CPU 系统

CPU 系统是配电热控单元的核心，主控制器TMS570LS3137 是一款32 位用于安全系统的高性能工业级微控制器，封装为BGA，在“吉林一号”星座的多颗卫星上均有应用经历。CPU 系统由微处理器、晶振、看门狗、指令接口电路、通信接口电路等子功能模块组成，如图2 所示。CPU 自带256 KB 数据存储器和3 MB 空间的Flash，因此无需再配备外扩数据及程序存储器，程序直接运行在Flash 中。

图2 CPU 系统框图

2.2 配电驱动电路

星上配电驱动电路主要涉及两类，即12 V 一次母线配电和5.2 V 二次配电。一次母线配电选用双通道智能高侧开关TPS2HB16，接口电路如图3 所示，芯片电流限制可调范围为4.1 A～51.6 A，输入电压范围6 V～18 V，集成热保护、接地短路保护、可配故障处理等芯片保护功能。5.2 V 配电选用双通道PMOS 管进行配电开关控制，配电输出使用电阻分压作为配电状态遥测进行判读。由于MOS 管是静电和辐射敏感元器件，在其栅极进行静电防护设计，包括：栅极接有限流电阻，栅源极之间跨接电阻，防止静电对MOS 管的损害，同时针对MOS管的单粒子效应，将栅极电平控制在单粒子安全工作区内，提高其耐环境能力。在PCB 布局布线时，考虑到大功率器件的散热问题，采用大面积覆铜的方式来加快器件散热，减少整板的热耗。

图3 一次母线配电原理图

2.3 卫星热控电路

卫星的热控电路主要包括16 路星上温度采集电路和15 路加热带控制电路，温度采集电路选用多路选通开关和CPU 片内ADC 配合的采集方式，A/D 转换的精度为12 位。由热敏电阻和10 kΩ 标准电阻串联组成分压电路，以分压值来反映被控对象的温度变化，温度采集的原理框图如图4 所示。

图4 温度采集电路原理框图

利用三极管搭建加热带驱动电路，控制方式为负端驱动，控制指令由CPU 指令电路输出，并使用电阻分压作为热控状态遥测进行判读，加热带驱动接口电路如图5 所示，为了保护一次电源，在供电母线正端串接熔断器完成电源保护，若加热带支路有短路故障发生，通过熔断器的熔断，能做到故障的隔离。

图5 加热器驱动原理图

2.4 通信电路

整星各系统之间的通信方式主要为CAN 总线通信。主控制器TMS570 内部资源丰富，内置3 路CAN 总线协议控制内核，因此仅需要外围挂接相应的接口芯片即可实现CAN 总线功能。配电热控单元设计了一路双冗余CAN 总线，接口电路如图6 所示。在芯片电源输入端串接有限流电阻，并在电源引脚处放置去耦电容，防止发生空间单粒子闩锁效应。

图6 CAN 总线接口原理图

2.5 SADA 驱动电路

配电热控单元共设计两路相同的SADA 驱动电路，SADA 控制器选用步进电机驱动芯片DRV8885。该芯片封装小，内部有欠压、电荷泵故障、过流、短路以及过热保护，驱动电路如图7 所示。

图7 SADA 控制器驱动原理图

3 系统软件设计

3.1 软件架构

配电热控单元软件属于星上单机嵌入式软件，软件架构采用中断前后台式结构，主要包括引导层、主程序层、中断服务层三个部分，软件架构如图8 所示。

图8 配电热控管理单元软件架构图

引导层主要是在单机上电或重启时完成运行软件的版本选择、校验和启动。主程序层是配电热控软件功能实现的主体，主要包括初始化配置、数据安全防护、CAN 总线指令处理、遥测采集、主动热控制、SADA 驱动、电源状态监测、程序在轨重构等功能。中断服务层负责实现对主控芯片内外部中断的响应及处理。主要包括片外接口中断，如CAN 总线通信；片内中断，如周期定时、异常信号等中断。

3.2 地址空间

主控芯片Flash 地址空间定义如图9 所示。已使用的Flash 空间由16 个扇区组成，共计1.25 MB，划分为8个区域，程序区用于存储对应版本的程序数据，从起始地址连续存储；参数区用于保存对应程序区的程序信息（如程序CRC 值、程序大小）和启动版本号。

图9 配电热控管理单元Flash 地址空间定义

3.3 软件功能

配电热控软件功能主要包括程序引导、数据安全防护、CAN 总线指令处理、遥测采集、主动热控制、程序在轨重构等功能，主程序流程图如图10 所示。系统上电后，首先执行引导程序，从三模冗余备份的配电热控主程序中选择一个版本启动，若程序校验正确，跳转至该版本运行，并初始化软件环境，完成寄存器和全局变量初始化。

图10 配电热控单元软件主程序流程图

数据安全防护主要是通过数据刷新、校验来保证片内RAM、Flash 数据安全性、完整性，包括周期读取全部RAM 数据，触发ECC 数据保护机制，防止RAM 数据受单粒子等干扰而破坏；周期初始化全部寄存器配置，防止寄存器数据受干扰而破坏等。

CAN 总线指令处理是接收并处理来自中心计算机的CAN 总线广播帧及指令帧，实现星上单机配电通断控制、SADA 驱动、主动热控参数设置、遥测参数周期采集等，采集参数包括16 路温度量、15 路加热带通断状态、23 路配电通断状态、6 路电源遥测参数等；主控热控制是根据采集的温度及热控参数，完成整星的加热带控制；控制算法有开环控制、门限控制、趋势控制三种，对不同单机部件采用不同的控温策略。

电源状态监测主要通过采集太阳电池阵电压、电流、母线电压、电流、蓄电池电压等参数，实现整星电源系统的健康状态监测、能源异常处理、蓄电池电量计算、过放保护等功能。SADA 监测与控制包括启停控制、转速控制、限位检测、故障处理。

为方便在轨维护，软件具备将应用程序在轨重构的能力，根据地面上注指令，完成程序擦除、写入、信息读取等在轨重构功能。

4 功能测试

4.1 地面测试

本文设计的配电热控单元包络尺寸为94 mm×96 mm×39 mm（不含甩线），重量为542 g，安装在卫星综合电箱内部，实物图和安装位置如图11 所示。

图11 配电热控单元实物与星上安装位置图

地面搭建单机功能测试环境，编写测试软件，对配电热控单元进行功能测试，并根据试验要求完成力学试验、热循环、热真空等环境试验，试验后对单机功能进行复测，各项指标均正常，测试结果如表1 所示。

表1 配电热控单元功能测试结果

4.2 在轨测试

以长光卫星2023 年最新发射的“吉林一号”平台01星为例，卫星于2023 年1 月15 日入轨，通过遥测软件“卫星遥测数据监测平台”获取配电热控单元在轨期间的各项遥测参数，统计卫星在轨期间两侧SADA 在跟踪模式下的输出轴期望位置与实际位置的角度偏差，如图12 和图13 所示，可以看出，角度偏差值在±2°以内，优于姿轨控系统控制指标不超5°的要求。