基于1553B总线的温度控制装置设计

0 引言
在航空航天应用领域,温度环境对产品的性能影响巨大。

在上万米的高空中,外界空气温度很低,常常会到达-40℃甚至更低。

而一般的进口元器件工业级的稳定工作温度为-40℃。

低于该温度,不能保证芯片的正常工作,往往会出现各种不确定的异常现象,导致整个产品工作异常,从而导致整个系统失效。

同时目前国产化在如火如荼地进行着,但国产器件的温度特性和稳定性还需要试验进一步验证,因此在低温环境中无法保证芯片正常工作的情况下,能够想到的就是为芯片提供一个“保温环境”,即让其工作在适宜的工作环境中
[4-5]
,从而保证功能的正确性。

本文针对挂飞试验中对温度的要求,设计了一种温度控制装置,该装置能够将舱内温度控制在10℃～30℃,保证舱内设备能够正常工作,并通过1553B总线[1-3]将控温结果报送给地面测试系统,提高了系统安全性和可靠性。

1 总体设计方案
温度控制系统主要由温度传感器、温度控制装置和加热元件组成。

温度传感器采集环境温度,温度控制装置根据环境温度启动或关闭加热元件,从而将温度控制在一定的温度范围内。

为了提高加热效率,整个系统的供电电压为100V,加热元件的功率将近2000W,通过加热元件的通断实现对舱内温度的控制,并通过1553B总线将温度值及控制情况上报给地面测试系统。

为了保证温度控制的准确性和安全性,设计时使用了软硬件分开设计的方法。

即硬件电路控制加热元件的工作状态,软件只管采集温度和工作状态,然后通过1553B总线上报结果,不参与控制。

温度控制装置采用板卡插背板的设计方式,主要由5个板卡组成,分别为电源模块、接口模块和3个温控模块,3个温控模块分别对应了三个加热元件,分成3个区域,每个区域有3个温度传感器,互相备份,使用三判二方式对温度进行判断,提高系统的可靠性。

温度控制装置的组成框图如图1所示。

由图所示,100V供电电压输入,经过电源模块后,转换成5V电压供后面的接口模块和温控模块使用,接口模块使用1553B总线和外面系统进行通信,将9路温度采集值和三路加热元件开关状态反馈给其他系统。

3个温控模块根据外面3个温度传感器的电压值进行三判二处理,根据不同
的阈值控制继电器对加热元件进行加热或停止加热。

下面
收稿日期:2020-05-14
作者简介:王伟伟(1986—),男,河北衡水人,硕士研究生,工程师,研究方向:数字信号处理。

基于1553B 总线的温度控制装置设计
王伟伟 金文 葛立 闫新峰 王杨
(北京航天长征飞行器研究所,北京 100076)
摘要:针对航天飞行器在高空挂飞过程中,外界温度低于-40℃,很多元器件的无法正常工作,从而导致产品无法启动或工作出现故障。

本文采用基于DSP的1553B总线技术以及采用高可靠性硬件比较电路实现对飞行器舱内温度的控制,使其保持在10
℃～30℃之间,从而保证舱内设备能够正常工作,提高系统安全性和可靠性。

关键词:1553B总线技术；硬件比较电路；温度控制中图分类号:TM571文献标识码:A
文章编号:1007-9416(2020)06-0127-04
DOI:10.19695/12-1369.2020.06.55
设计开发
图1 温度控制装置组成框图
第 38 卷 数字技术与应用
对每个模块的设计原理进行描述。

1.1 电源模块设计
电源模块的主要由EMI滤波器、DC/DC转换模块组成,为了降低文波,提高5V电源质量,增加了共模滤波和差模滤波器,输出工作电流可达3A。

电源模块组成框图如图2所示。

电源滤波模块输入前端为了防止输入端电压正负接反并且保护输入端电源,设计中在EMI滤波器输入正端串联了1对并联的整流二极管,同时为了抑制外界引入的高脉冲对元器件的损害,加入了一个单向的瞬态抑制二极管进行保护。

1.2 接口模块设计
接口模块使用B61580芯片来实现1553B总线通信技术。

B61580总线控制器是针对1553B总线通信系统研制的专用接口控制电路,为1553B总线通讯系统中的核心控制芯片,完成系统中的BC/RT/MT功能,用于通讯系统中核心数据的传输。

使用范围涉及航天和军用领域,其同谱产品目前已被广泛应用于太空飞船、火箭、卫星、核工业、船舶及武器装备等关系国防安全的关键设备上。

接口模块的核心控制芯片采用TI的DSP TMS320F 2812来控制1553B协议芯片B61580实现RT功能和控制系统进行通信,具体设计框图如图3所示。

其中CPLD完成B61580和DSP之间的电平转换、逻辑控制功能,通过中断的方式通知DSP对1553B消息进行处理。

对13路数据的采集使用DSP自带的12位ADC,分AB两个通道,共16路,信号从背板引入。

从温度控制模块过来的12路信号,经过射随器阻抗变换后进入DSP的ADC模块进行采集。

1.3 温控模块设计
温控模块主要包括电压比较电路、逻辑控制电路以及加热控制电路。

电路比较电路完成对3路温度值转换成的电压值进行比较,逻辑控制电路完成三判二功能,加热控制电路完成对加热元件的控制。

1.3.1 电压比较电路
电压比较电路由测温电路和电压比较器组成。

测温电路是由电阻组成电路。

温度传感器的输出作为控温阈值,测温电路的输出接到电压比较器的输入端,电压比较器的输入端与设定的控温阈值进行比较,输出高低电平。

当环境温度较低时,比较器输入低于设定的控温阈值下限,比较器输出高电平,当环境温度较高时,比较器输入
图2 电源模块组成框图
图3 1553B接口模块原理框图图4 单路电压比较电路图
2020年第 6 期
高于设定的控温阈值上限,使比较器输出低电平。

电压比
较电路输出的高低电平首先进入逻辑控制电路,当3路比
较器的输出电平2路为高时,控制其后的驱动电路导通,加热回路闭合,加热器开始加热,环境温度上升;当3路比较器的输出电平中2路为低时,控制其后的驱动电路截止,加
热回路断开,加热器停止加热,环境温度下降。

这样,比较
回路反复如此,达到控温效果。

单路电压比较电路见图4。

1.3.2 逻辑控制电路逻辑控制电路主要实现三判二控制功能,电路实现原理图如图5所示。

电路设计时使用四二输入或门,四二输入与门,以及
三极管(取反,起非门作用)。

由图可知:
BC AC AB )C B ()C A ()B A (Y ⊕⊕=∙⊕∙⊕∙= (1)三路比较器输出中,任意两路达到加热要求,输出高电平电压,控制继电器打通,加热器加热;相反,任意两路
达到停止加热要求,输出低电平,控制继电器关断,加热器
停止加热。

1.3.3 加热控制电路
本设计中,加热器的开关控制由固体继电器实现。

固
体继电器是具有隔离功能的电子开关,是由半导体器件和
无源元件组成,利用光电子和微电子技术实现控制电路(输入端)与负载电路(输出端)之间的电耦合和电隔离,无任何可动部件。

固体继电器除具有与电磁继电器一样的功
能外,还具有与逻辑电路兼容、开关速度快、输出接通电阻
稳定、抗干扰能力强、对外界干扰小、寿命长、工作可靠性
高等突出的特点。

2 关键技术应用验证
2.1 基于DSP的1553B总线控制技术
设计中使用到1553B控制芯片为B61580,使用DSP作
图5 逻辑控制电路原理图
地址
特征值 描述 M0000～M00FC
0x0000 初始化状态字 M0100 0x0000 初始化堆栈指针 M0108 0x0000 编程模式字命令 M0109 0x0002 M010A 0x010A M010B 0x0000 M010C 0x0000 M010D 0x0000 M010E 0x010A M010F 0x0000 M0111 0x0000 保留字
M0120 0x1234
M0141 0x0260 接收子地址1 M0161 0x0280 发送子地址1
M016A 0x0400 发送子地址10 M016E 0x0420 发送子地址14 M016F 0x0440 发送子地址15
M01A1 0x4200
M01AA 0x4000 M01AE 0x4000
M01AF 0x4000 M0240～M0248 0x0000 M0300～M03FF
0x0000 非法化列表设置
M0102 0x0400
M0103 0x0800
M0266
0xFFFF
M0280～M02FF 0xFFFF M0400～M07FF 0x0000 M0800～M0FFF
0x0000
表2 初始化RAM 表
表1 B61580寄存器设计
王伟伟 金文 葛立等:基于1553B 总线的温度控制装置设计
第 38 卷 数字技术与应用
为控制B61580的控制处理芯片,来完成对B61580的控制,实现RT功能。

DSP对B61580的控制分为硬件设计和软件设计。

B61580有一些控制硬件需要给特定的控制电平,如RT配置引脚,非零等待模式配置、读写极性设置、16bit或8bit设置等,需要根据实际设计给出确定的电平。

硬件设计时一个重要的信号是Ready,是DSP控制B61580进行读写控制的握手信号。

该信号需要经过反向后引入到DSP的XINTF引脚的Ready引脚上,这样就能实现对B61580的正确读写。

硬件设置完成后,需要根据B61580的手册对其进行软件配置,主要包括寄存器设置和RAM区设置,寄存器设置如表1,RAM区设置如表2。

按照上面表1和表2中的设计参数,初始化完成后,B61580开始工作。

上面的初始化中设置了几个子地址分别为:接收子地址1、发送子地址1、发送子地址10、发送子地址14和发送子地址15。

需要注意的是,在寄存器0x01设置需要在RAM区设置完成后再设置,否则会因为B61580未初始化完成就开始工作,导致数据错误地存放到其他区域,从而使得通信出现异常。

经过对B61580的软硬件正确设置后,就可以根据1553B软件协议,进行数据处理,从而实现1553B总线通信。

2.2 温控模块参数选择
本设计中温控模块的控温功能是中重点。

其中温控模块中的单路电压比较电路来实现温度控制的转折点。

由于温度为缓变参数,系统要求控温范围为10℃～30℃,通过仿真计算,设计控温转折点分别为17℃和23℃,即外界温度小于17℃时温控模块接通继电器开始对加热元件加热;外界温度大于23℃时关断继电器停止加热元件加热。

通过理论计算,选取图4中R1为精密电阻1.8K,R2、R4为精密电阻10K,R3为精密电阻8K,反馈电阻R5为精密电阻82K。

选取上述电阻参数进行了电路验证,该电路在供电5V的情况下能正常工作,运放输出3.7V左右,控温范围为
Design of Temperature Control Device Based on 1553B
WANG Wei-wei,JIN Wen,GE Li,YAN Xin-feng,WANG Yang
(Beijing Institute of Space Research, Beijing 100076)
Abstract:In the process of hanging the spacecraft in the air, the external temperature is lower than -40℃, many components can not work normally, resulting in the product can not start or work failure.In this paper, using DSP based 1553B technology and high reliability hardware comparison circuit are adopted to control the temperature in the cabin of the aircraft to keep it between 10℃ and 30℃, so as to ensure the normal operation of the equipment in the cabin and improve the security and reliability of the system.
Key words:1553B bus;hardware comparison circuit;temperature control
17℃～23℃,满足总体要求。

2.3 AD采集校准
本设计使用到了DSP芯片自带的AD芯片,设计时并没有再外置专用的ADC芯片。

DSP内部有16路12位AD转换器,理论上来讲,ADC模块的采样精度还是可以的。

但在实际应用过程中发现,每个DSP的ADC采集值差别很大,误差最大都超过了15%,这给实际应用带来很多问题。

设计时为DSP的ADC输入端增加了两路标准电压5V和3.3V采集电路,由于模拟量输入和数字量输出之间存在Y=a×X+b 的关系,则根据两路的标准电压计算出线性系数a和b,然后作为其他通道的系数进行补偿。

经过该补偿后各设备各通道之间的误差控制在2%范围内,满足系统需求。

3 结语
本文针对飞行器挂飞过程中存在的超低温环境,设计了一种温度控制装置,该装置采用基于DSP的1553B总线技术、可靠的硬件控制电路以及AD采集补偿技术,实现了根据外界温度环境的变化实时对加热元件进行控制,将温度控制在10℃～30℃,保证了设备的稳定工作,提高了系统的安全性和可靠性。

参考文献
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