航天相機(jī)地檢設(shè)備電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 琦，劉曉龍，周 璐，陳佳豫

（1.東北師范大學(xué)留學(xué)生教育學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130024；2.東北師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，吉林長(zhǎng)春 130024；3.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012；4.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033）

航天相機(jī)地檢設(shè)備電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 琦1，劉曉龍2，周 璐3，陳佳豫4

（1.東北師范大學(xué)留學(xué)生教育學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130024；2.東北師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，吉林長(zhǎng)春 130024；3.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012；4.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033）

為預(yù)防調(diào)試時(shí)交流220 V經(jīng)地檢設(shè)備串入航天相機(jī)而引起損壞，采用鉛酸蓄電池對(duì)地檢設(shè)備供電，設(shè)計(jì)了航天相機(jī)地檢設(shè)備的電源管理系統(tǒng).介紹了鉛酸蓄電池和DC－DC轉(zhuǎn)換電路的特點(diǎn)并對(duì)電源管理系統(tǒng)的硬軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì).采用4個(gè)階段快速充電法以滿足提高蓄電池壽命和快速充電要求；采用DC－DC降壓電路產(chǎn)生輸出電壓以提高蓄電池能量的利用率；通過對(duì)蓄電池充放電過程中電壓、電流、充放安時(shí)累計(jì)及溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，可嚴(yán)格控制充放電過程并實(shí)時(shí)處理.結(jié)果表明：該航天相機(jī)地檢設(shè)備的電源管理系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了與交流220V的隔離，節(jié)約了充電時(shí)間，延長(zhǎng)了使用壽命，降低了能耗.具有可靠性高、智能性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和保護(hù)報(bào)警功能.

航天相機(jī)；地檢設(shè)備；鉛酸蓄電池；DC－DC轉(zhuǎn)換電路；電源管理系統(tǒng)

航天相機(jī)由于應(yīng)用的特殊性，器件價(jià)格昂貴購(gòu)買困難且對(duì)穩(wěn)定性和可靠性要求很高，對(duì)和其相連的地檢設(shè)備的安全性也提出了苛刻的要求.而大多地檢設(shè)備直接采用交流220 V供電，當(dāng)出現(xiàn)漏電與接地不良等情況時(shí)，可能出現(xiàn)交流220 V經(jīng)地檢設(shè)備串入航天相機(jī)中而引起器件的損壞，造成重大損失.

隨著電源技術(shù)的發(fā)展，鉛酸蓄電池由于其成本低、容量大、安全可靠等特點(diǎn)，在通信、電動(dòng)汽車、軍事、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用.蓄電池充電狀況的好壞，將直接影響到蓄電池的充放電特性及使用壽命.在傳統(tǒng)充電技術(shù)中，常用的恒壓充電、恒壓限流充電、恒流充電等模式，都是由人工控制充電過程，大多存在著嚴(yán)重的過充電現(xiàn)象.充電質(zhì)量的好壞，直接影響鉛酸蓄電池的使用壽命.目前對(duì)蓄電池充電的方法很多，選擇科學(xué)合理的充電方法將對(duì)延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命、節(jié)約經(jīng)費(fèi)開支，無疑是一項(xiàng)非常有意義的工作［1－4］.

DC－DC轉(zhuǎn)換電路相對(duì)線性穩(wěn)壓電路以其能量轉(zhuǎn)換效率高，芯片發(fā)熱少，可升壓、降壓、反向轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)正廣泛地應(yīng)用于各種電路之中.TI公司的TPS54xx系列芯片是非隔離型的降壓DC－DC轉(zhuǎn)換芯片，該系列的芯片具有轉(zhuǎn)換效率高、輸入電壓范圍寬、輸出電流大、工作頻率高、能夠減小外圍器件的尺寸和成本等優(yōu)點(diǎn)，正廣泛地應(yīng)用于各種電子電路中［5］.

1 航天相機(jī)地檢設(shè)備電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航天相機(jī)地檢設(shè)備需要5和3.3 V電源，要求完全和交流220 V隔離，且要求在保證輸出功率的情況下供電時(shí)間盡量長(zhǎng).當(dāng)使用的鉛酸蓄電池進(jìn)行供電時(shí)，隨著電量的消耗，蓄電池輸出的電壓會(huì)逐漸降低.

本文的設(shè)計(jì)是根據(jù)美國(guó)科學(xué)家馬斯提出的最佳充電曲線完成的，使整個(gè)充電過程的實(shí)際充電電流始終等于或接近于曲線上蓄電池可接受的充電電流，充電速度可大大提高，出氣率也可控制在很低的范圍內(nèi)，整個(gè)充電過程分為4個(gè)階段.

（1）涓流充電：提供一個(gè)很小的充電電流，持續(xù)到蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定的門檻電壓為止.

（2）快速充電：提供一個(gè)恒定快速充電電流，持續(xù)到蓄電池的電壓上升到過壓充電電壓的95%為止.

（3）過壓充電：提供一個(gè)略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓以使蓄電池能量最后達(dá)到飽和.

（4）浮充充電：提供浮充電電流給蓄電池，以維持蓄電池處于飽和狀態(tài)［6］.

當(dāng)使用6 V蓄電池供電并使用線性電源芯片產(chǎn)生5和3.3 V時(shí)，電源的效率分別為83.3%和55%，電能利用率較低；當(dāng)使用較高電壓的蓄電池供電并使用DC－DC電源芯片TPS5430進(jìn)行電壓變換時(shí)，當(dāng)輸出電流為1 A時(shí)效率為92%，當(dāng)輸出電流為3 A時(shí)效率也在88%以上，可提高電源利用率，延長(zhǎng)蓄電池的供電時(shí)間.

航天相機(jī)地檢設(shè)備電源管理系統(tǒng)的工作原理（見圖1）：采用完全獨(dú)立的充放電結(jié)構(gòu)，采用兩組電池輪流供電，一組供電，一組充電［7］；交流輸入的220 V電源經(jīng)AC－DC開關(guān)電源輸出三組直流電壓，分別送給充電控制器、數(shù)控直流源和充電切換電路；充電控制器通過電池監(jiān)測(cè)器A，根據(jù)蓄電池A的狀態(tài)選擇恒流還是恒壓充電，在恒流充電階段決定充電電流的大小，控制數(shù)控直流源電路輸出滿足要求的電流，并控制充電切換電路輸出電流還是電壓，并把當(dāng)前充電蓄電池的狀態(tài)通過RS232總線傳送到PC機(jī)上；在放電部分，放電控制器通過電池監(jiān)測(cè)器B檢測(cè)蓄電池B的狀態(tài)，通過LCD電路進(jìn)行顯示，在溫度、電壓和電流正常的情況下，向繼電器發(fā)出打開控制信號(hào)，啟動(dòng)蓄電池輸出，否則關(guān)閉蓄電池的后級(jí)輸出電路，并啟動(dòng)蜂鳴器；蓄電池輸出的電壓經(jīng)DC－DC轉(zhuǎn)換電路后輸出5和3.3 V到地檢設(shè)備；當(dāng)蓄電池B的電量耗盡時(shí)，開始對(duì)蓄電池B充電，采用蓄電池A放電.

圖1 航天相機(jī)地檢設(shè)備電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 航天相機(jī)地檢設(shè)備電源管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電源管理系統(tǒng)包括電池監(jiān)測(cè)器、AC－DC開關(guān)電源、充放電控制器、數(shù)控直流源電路、DC－DC轉(zhuǎn)換電路、LCD和蜂鳴器電路等.

2.1 電池監(jiān)測(cè)器

DS2438是Dallas公司的一款智能電池監(jiān)測(cè)芯片，僅需單個(gè)管腳就可完成單線接口通信，并提供64 B的串行數(shù)據(jù)，其片上的溫度傳感器可省掉外部的熱敏電阻.芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如圖2所示）：集成了可分別用于電壓和電流測(cè)量的雙通道10 B的A／D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、電流積分器、連接斷開傳感器等電路，可測(cè)量電池電壓、電流、溫度和剩余電量，并保存在內(nèi)部的寄存器中；同時(shí)具有40個(gè)字節(jié)非易失性用戶存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)電池的相關(guān)參數(shù)；當(dāng)檢測(cè)到和電池的連接斷開時(shí)，返回到低功耗的休眠狀態(tài).DS2438工作溫度范圍為－40℃～＋85℃，采用8腳SOIC表面貼裝封裝形式，電源端工作電壓2.4～10 V為電壓轉(zhuǎn)換的輸入端，當(dāng)電壓為5 V時(shí)，測(cè)量范圍為0～10 V，分辨率為10 m V.當(dāng)DS2438接收到電壓轉(zhuǎn)換命令時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存于2字節(jié)的電壓寄存器中.電流轉(zhuǎn)換通過轉(zhuǎn)換VSENS＋和VSENS－間的電壓實(shí)現(xiàn)，測(cè)量范圍為－122～＋122 m V，分辨率為0.244 14 m V.DS2438內(nèi)部帶有溫度傳感器，它提供13bit的溫度轉(zhuǎn)換，可在超過－55℃～125℃的溫度范圍工作，分辨率為0.031 25℃.另外，DS2438根據(jù)每次電流轉(zhuǎn)換的結(jié)果，進(jìn)行剩余電量加或減的操作，存于電流累加器中，統(tǒng)計(jì)出最終剩余電量［8］.

圖2 DS2438內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 AC－DC開關(guān)電源

電源主要是把輸入的交流220 V電源轉(zhuǎn)換為多路直流輸出電源，分別為充電控制器、數(shù)控直流源和充電切換電路提供電源.首先將輸入的交流電壓信號(hào)經(jīng)整流濾波電路后變?yōu)橹绷餍盘?hào)，然后經(jīng)逆變電路輸出交流，最后在變換為直流信號(hào)，其中包括了逆變電路和反饋控制電路.單端反激開關(guān)電源具有輸出紋波小、輸出穩(wěn)定、輸入輸出電氣隔離、效率高以及具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能等優(yōu)點(diǎn).電路中的控制芯片采用Unitorde公司推出的電流型脈寬調(diào)制器UC3842，該調(diào)制器單端輸出，可以直接驅(qū)動(dòng)雙極型功率管或場(chǎng)效應(yīng)管，并且電流控制型具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)和高度的穩(wěn)定性.當(dāng)電源輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，反饋的電感電流變換率能直接跟隨輸入電壓和輸出電壓變換，只要開關(guān)管電流脈沖一達(dá)到設(shè)定的幅值，脈寬比較器就工作，開關(guān)管關(guān)斷，保證了輸出電壓的穩(wěn)定.

2.3 充放電控制器

控制器主要是完成蓄電池的充放電管理，采用單片機(jī)AT89C55的最小系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)此功能.AT89C55是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的8位CMOS單片機(jī)，時(shí)鐘頻率范圍為0～33 MHz，與MCS－51的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容，適合于許多復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合.片內(nèi)資源豐富，含20 k B的在線可編程flash存儲(chǔ)器，可重復(fù)擦寫1 000次；還包含256×8bit的內(nèi)部RAM，32個(gè)可編程的I／O口線，3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器.AT89C55單片機(jī)的中斷系統(tǒng)是8位單片機(jī)種功能較強(qiáng)的一種，可以提供8個(gè)中斷請(qǐng)求源，還具有低功耗空閑和掉電模式.

圖3 數(shù)控直流源電路原理圖

2.4 數(shù)控直流源電路

數(shù)控直流源電路原理圖如圖3所示，當(dāng)MOSFET的漏極電壓VDD和電阻R保持不變時(shí)，當(dāng)改變柵極電壓VIN時(shí)，漏極電流會(huì)隨著改變，通過控制MOSFET的柵極電壓可實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流的控制.設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池充電電流的控制，采用改變MOSFET的柵極電壓來改變充電電流的大小，并通過智能電池監(jiān)視芯片DS2438測(cè)量蓄電池的充電電流，實(shí)現(xiàn)充電電流的閉環(huán)控制.

2.5 DC－DC轉(zhuǎn)換電路

本文設(shè)計(jì)采用了TI公司的DC－DC電源轉(zhuǎn)換芯片TPS5430，其輸入電壓范圍是5.5～36 V，最低輸出電壓為1.2 V，正常輸出電流為3 A（峰值為4 A），開關(guān)頻率為500 k Hz，最高效率可達(dá)95%［9－10］，設(shè)計(jì)中的具體電路如圖4所示.

圖4 DC－DC電源轉(zhuǎn)換原理圖

2.6 LCD和蜂鳴器電路

設(shè)計(jì)中LCD用于顯示蓄電池的工作狀態(tài)，蜂鳴器在檢測(cè)到蓄電池參數(shù)異常時(shí)報(bào)警.12232F是一種內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字庫(kù)和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符，集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，可以顯示7.5× 2個(gè)漢字，它與外部CPU接口可采用并行或串行方式.液晶要顯示圖形或字符，必須有微控制器通過相應(yīng)的I／O引腳，向其發(fā)出指令或數(shù)據(jù)，液晶才能按照要求顯示.12232F液晶能識(shí)別18條指令，分別實(shí)現(xiàn)清屏、光標(biāo)閃爍、顯示點(diǎn)定位等功能.另外它還能接受ASCII字符編碼和漢字碼，顯示相應(yīng)的字符.所有的指令數(shù)據(jù)都是10位的，分別用RW，RS，D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1和D0表示，由于液晶屬于慢顯示器件，微控制器還可以在D7位上查詢指令是否已經(jīng)執(zhí)行完畢，以便發(fā)出下一條指令或數(shù)據(jù).蜂鳴器最重要的特點(diǎn)是只要按照極性要求加上合適的直流電壓就可以發(fā)出固有頻率的聲音，使用起來比揚(yáng)聲器簡(jiǎn)單，由于蜂鳴器是感性負(fù)載，不采用單片機(jī)的I／O口直接對(duì)其進(jìn)行操作，可加一只驅(qū)動(dòng)三極管，并在蜂鳴器的兩端并一只續(xù)流二極管.

3 航天相機(jī)地檢設(shè)備電源管理系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 充電程序設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)首先檢測(cè)電池的電壓，若電池電壓低于設(shè)定的門檻電壓VTH，則進(jìn)入涓流充電階段，充電切換電路輸出數(shù)控直流源產(chǎn)生的電流，充電系統(tǒng)提供一個(gè)很小的充電電流；當(dāng)電池電壓達(dá)到VTH之后，則進(jìn)入快速充電階段，充電切換電路輸出數(shù)控直流源產(chǎn)生的電流，充電系統(tǒng)提供一個(gè)恒定快速充電電流；當(dāng)檢測(cè)到的蓄電池電壓達(dá)到過壓充電電壓VOC的95%，則進(jìn)入過壓充電階段，充電切換電路輸出AC－DC開關(guān)電源產(chǎn)生的電壓，提供一個(gè)略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓VOC以使蓄電池能量最后達(dá)到飽和；在過壓充電中，當(dāng)充電電流下降到預(yù)設(shè)值ISET后，表明蓄電池充滿電后，則進(jìn)入浮充充電階段，充電切換電路輸出AC－DC開關(guān)電源產(chǎn)生的電壓VF，提供浮充電電流給蓄電池，以維持蓄電池處于飽和狀態(tài).在充電過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并在程序處理的間隙定期通過RS232總線并把電池的電壓、溫度和充電電流等狀態(tài)信息傳輸?shù)絇C機(jī)上顯示，并在各階段中檢測(cè)到蓄電池溫度過高時(shí)斷開充電電路，充電主程序流程圖如圖5所示.

3.2 放電程序設(shè)計(jì)

放電系統(tǒng)在上電時(shí)首先打開繼電器，把蓄電池和后級(jí)電路連通，然后檢測(cè)電池的電壓、電流和溫度值同時(shí)進(jìn)行顯示，并和規(guī)定的門限值比較，若超過規(guī)定值，則斷開繼電器同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)檢測(cè)到的參數(shù)沒有超過規(guī)定值時(shí)，通過當(dāng)前的電壓和電流值，預(yù)估蓄電池能繼續(xù)工作的時(shí)間，并通過LCD顯示出來，放電主程序流程圖如圖6所示.

圖5 充電主程序流程圖

圖6 放電主程序流程圖

4 結(jié)論

航天相機(jī)地檢設(shè)備的電源管理系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池對(duì)地檢設(shè)備供電，采用4個(gè)階段快速充電法以滿足提高蓄電池壽命和快速充電要求.采用DC－DC降壓電路產(chǎn)生輸出電壓以提高蓄電池能量的利用率，將DS2438作為充放電系統(tǒng)的檢測(cè)核心，在核心控制部件微處理機(jī)的控制下，通過對(duì)蓄電池充放電過程中電壓、電流充放安時(shí)累計(jì)及溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，可嚴(yán)格控制充放電過程并實(shí)時(shí)處理整個(gè)充電過程，所有判別工作都由微處理器自動(dòng)完成.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該航天相機(jī)地檢設(shè)備的電源管理系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了和交流220 V的隔離，具有上電之后自動(dòng)檢測(cè)蓄電池是否反接、短接、電池電壓、容量和環(huán)境溫度的功能，并根據(jù)蓄電池的初始狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)階段充電，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充放電過程中各種參數(shù)數(shù)字化采樣、數(shù)字化處理、全數(shù)字顯示功能，優(yōu)化了充電過程，提高了蓄電池的使用壽命和充電效率，具備節(jié)能約60%，節(jié)約了充電時(shí)間，延長(zhǎng)了使用壽命，降低了能耗，具有可靠性高、智能性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和保護(hù)報(bào)警功能.

TP 399

590·6000

A

1000－1832（2011）04－0059－06

2011－08－21

教育部IPv6技術(shù)升級(jí)項(xiàng)目（20083254070）.

彭琦（1977—），女，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息處理研究；通訊作者：陳佳豫（1977—），女，博士，副研究員，主要從事軟件工程計(jì)算機(jī)控制研究.