基于1553B總線接口的星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

陳偉，蔣范明

（上海航天局第八O五研究所，上?！?01109）

基于1553B總線接口的星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

陳偉，蔣范明

（上海航天局第八O五研究所，上海201109）

機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器在整星天線機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。隨著高精度指向衛(wèi)星對(duì)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)時(shí)性和可靠性的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的、基于RS 422接口的驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。因此，提出了一種基于1553B總線接口的星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器的可靠性進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

驅(qū)動(dòng)器；總線接口；設(shè)計(jì)方案；可靠性

0　引言

星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器作為衛(wèi)星天線機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件，是整星的重要組成部分［1］。隨著高精度指向衛(wèi)星的發(fā)展，對(duì)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)時(shí)性和可靠性有了更高的要求。傳統(tǒng)的、基于RS 422接口的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足越來(lái)越高的實(shí)時(shí)性要求，把成熟的1553B總線接口技術(shù)引入機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，可以極大地提高機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的性能，因此，本文提出一種基于1553B總線接口的星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該驅(qū)動(dòng)器的功能、性能和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　基于1553B接口的星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

1.1 1553B總線通信

1553B總線是MIL-STD-1553B的簡(jiǎn)稱(chēng)，其全稱(chēng)是 “飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制命令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線”，它是為了適應(yīng)飛機(jī)的發(fā)展而提出的電子系統(tǒng)信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)，由于其具有高可靠性、傳輸速率高等特點(diǎn)，因而逐漸地被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。目前1553B總線已經(jīng)成為了航空航天領(lǐng)域最主要的總線標(biāo)準(zhǔn)［2］。

1553B總線基本結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。從圖1可以看出，1553B總線采用了集中控制式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線采用A總線、B總線雙冗余電纜，由1個(gè)總線控制器 （BC）、一個(gè)可選的總線監(jiān)控器 （MT）和最多可達(dá)31個(gè)遠(yuǎn)程終端設(shè)備 （RT）組成。

圖1 1553B總線結(jié)構(gòu)圖

MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線的主要特性:1）具有雙向傳輸性，傳輸方式為半雙工方式，采用異步通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率是1 MHz；2）具有命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字3種字格式，每個(gè)字長(zhǎng)20位，其中，數(shù)據(jù)位為16位；3）在一條消息中最多可傳送32個(gè)數(shù)據(jù)字；4）信號(hào)以串行數(shù)字脈沖的調(diào)制方式在數(shù)字總線上傳輸，編碼方式采用曼切斯特II型雙相電平；5）采用指令/應(yīng)答協(xié)議機(jī)制；6）支持單一或多個(gè)總線控制器BC；7）采用典型的雙冗余，熱備份容錯(cuò)方式；8）總線消息方式為控制器至終端、終端至控制器、終端至終端、廣播和系統(tǒng)控制5種；9）終端類(lèi)型有總線控制器BC、遠(yuǎn)程終端RT和總線監(jiān)視器MT，一條數(shù)據(jù)總線的RT最多為31個(gè)；10）總線耦合方式有變壓器耦合和直接耦合兩種；11）傳輸介質(zhì)采用雙絞屏蔽線［4］。

1553B總線的主要優(yōu)勢(shì)包括可靠性和傳輸速率高等［5-6］:1）1553B總線采用了雙冗余熱備份的數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)；2）總線控制器具有備份控制器；3）總線協(xié)議為指令/應(yīng)答式握手協(xié)議，BC除進(jìn)行自檢外，還定期地向各個(gè)RT發(fā)送命令，要求各個(gè)RT進(jìn)行相應(yīng)的自檢并回傳檢查狀態(tài)，以判定各個(gè)RT是否工作正常；4）1553B在傳輸電纜、耦合變壓器噪聲抑制和電氣隔離等方面都具有嚴(yán)格的規(guī)定，使電單機(jī)在抗干擾、抗輻射和電磁兼容等方面大大地加強(qiáng)，數(shù)傳傳輸?shù)臏?zhǔn)確率大大地提高；5）1553B總線數(shù)據(jù)傳輸誤碼率≤10-7，并且有很強(qiáng)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能，收發(fā)端采用嚴(yán)格的握手協(xié)議，從而使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性得到了大大的提高。

1.2機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)

星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的硬件主要由驅(qū)動(dòng)控制模塊及相應(yīng)的電源、遙測(cè)和遙控等功能模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　基于1553B總線接口的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)框圖

其中，電源模塊提供給驅(qū)動(dòng)線路28 V一次母線供電，并將一次母線供電轉(zhuǎn)換為5 V和±12 V二次電源，提供給控制電路和角度信號(hào)處理電路；驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)與角度傳感器同軸的電機(jī)按照指令轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)角度信號(hào)處理電路采集機(jī)構(gòu)位置；控制模塊采集電流及角度信號(hào)遙測(cè)信息，通過(guò)1553B總線接收總線控制器的內(nèi)部指令，并根據(jù)指令要求控制細(xì)分電路及轉(zhuǎn)速電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，對(duì)系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。

機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器采用了 “CPU+FPGA”的1553B總線接口，如圖3所示。協(xié)議芯片采用DDC公司的BU-65170S3，CPU負(fù)責(zé)協(xié)議芯片的初始化、總線數(shù)據(jù)注入的解析處理和總線內(nèi)部指令的解析處理，以及組織總線快、慢遙測(cè)；FPGA負(fù)責(zé)控制信號(hào)的邏輯譯碼。1553B總線接口的實(shí)物照如圖4所示。從圖4中可以看出，1553B總線接口采用了變壓器耦合方式，耦合變壓器采用了BTTC公司的B-3226-T。

圖3　基于CPU+FPGA的1553B總線接口圖

圖4　1553B接口實(shí)物照?qǐng)D

1.3機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于由總線控制器發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸流程，采用更新數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，總線控制器組織總線數(shù)據(jù)傳輸。

對(duì)于由遠(yuǎn)程終端要求的數(shù)據(jù)傳輸流程，采用服務(wù)請(qǐng)求機(jī)制。各遠(yuǎn)程終端通過(guò)總線狀態(tài)字中的服務(wù)請(qǐng)求位來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，通過(guò)矢量字 （16 bits，按位定義數(shù)據(jù)類(lèi)型）位來(lái)標(biāo)識(shí)請(qǐng)求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型。

總線控制器周期性（周期為0.5 s）地依次對(duì)各個(gè)遠(yuǎn)程終端進(jìn)行輪詢(xún)，即向各個(gè)遠(yuǎn)程終端發(fā)出“發(fā)送矢量字”方式指令。如返回狀態(tài)字中的“服務(wù)請(qǐng)求位”被設(shè)置成1，則說(shuō)明該遠(yuǎn)程終端有服務(wù)請(qǐng)求。總線控制器將進(jìn)一步地分析該遠(yuǎn)程終端返回的矢量字，確定該終端需求的某種或幾種特定的數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型，然后生成ACE通信幀，啟動(dòng)總線通信。

各個(gè)遠(yuǎn)程終端一旦在發(fā)送緩沖區(qū)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)或是請(qǐng)求獲取某類(lèi)數(shù)據(jù)時(shí)，就應(yīng)將矢量字中的相應(yīng)位設(shè)置成1，并將總線狀態(tài)字中的服務(wù)請(qǐng)求位設(shè)置成1；待總線控制器將數(shù)據(jù)取走或發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)后，再將矢量字中相應(yīng)的位設(shè)置為0。

各個(gè)總線周期、總線控制器和遠(yuǎn)程終端的動(dòng)作時(shí)序如圖5所示。

1.4機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的功能性能驗(yàn)證

考核天線機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器最重要的指標(biāo)為指向精度。因而采用機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器分別與A、B天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行聯(lián)試，得到的測(cè)試綜合指向精度分別如表1-2所示，指標(biāo)要求理論指向精度誤差≤0.3°。從測(cè)試結(jié)果表可知，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的性能完全滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

同時(shí)，測(cè)試機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B的動(dòng)態(tài)指向精度，測(cè)得的天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A的動(dòng)態(tài)指向精度測(cè)試曲線如圖6所示，動(dòng)態(tài)指向性能如表3所示；天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B的動(dòng)態(tài)指向精度測(cè)試曲線如圖7所示，動(dòng)態(tài)指向性能如表4所示。由于理論動(dòng)態(tài)指向精度誤差指標(biāo)要求為≤0.7℃，因此，由測(cè)試結(jié)果可知，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)指向精度指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

1.5機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的可靠性驗(yàn)證

1.5.1熱仿真

圖5　總線控制器BC與遠(yuǎn)程終端RT間的動(dòng)作時(shí)序圖

表1天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A的指向精度測(cè)試結(jié)果表

表2　天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B的指向精度測(cè)試結(jié)果表

圖6　天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A的動(dòng)態(tài)指向精度測(cè)試曲線

表3　天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A的動(dòng)態(tài)指向精度性能參數(shù)表

圖7　天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B的動(dòng)態(tài)指向精度測(cè)試曲線

表4　天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B的動(dòng)態(tài)指向精度性能參數(shù)表

使用FEMAP軟件作為前、后處理器，采用TMG軟件作為求解器，建立控制器熱分析模型。環(huán)境溫度為+55℃、總熱耗約26.8 W時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的溫度分布在+60.5～+94.1℃之間，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器整體及各元器件的溫度分布云圖如圖8所示；環(huán)境溫度為-20℃、總熱耗約26.8 W時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的溫度分布在-19.4～+26.4℃之間，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器的整體溫度分布云圖如圖9所示。實(shí)際驅(qū)動(dòng)器的工作溫度在-10～+45℃之間，驅(qū)動(dòng)器的溫度分布更優(yōu)，能夠滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)器的正常工作溫度為-55～+125℃的要求。

圖8　+55℃環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)器熱仿真

圖9　-20℃環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)器熱仿真

1.5.2力仿真

對(duì)單機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，固定模型的6個(gè)支腳。結(jié)構(gòu)的前六階振型如圖10-14所示，其中，一階、六階為內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)局部橫向（Z向）模態(tài)；三階、四階為內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)局部橫向 （Y向）模態(tài)；二階、五階為內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)局部縱向（X向）模態(tài)。圖12、13給出了結(jié)構(gòu)整體一階橫向（Z、Y向）振型。結(jié)構(gòu)主要模態(tài)頻率如表5所示，整機(jī)模態(tài)分析滿(mǎn)足要求。

對(duì)單機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)仿真，沖擊試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)在X、Y、Z 3個(gè)方向組合沖擊的作用下，元器件加速度響應(yīng)如圖15所示，內(nèi)部印制板、主要框架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖分別如圖16-17所示。由計(jì)算結(jié)果可知，組合沖擊時(shí)，元器件最大加速度為88.5 g；印制板等效應(yīng)力為51.3 MPa，主要集中在螺栓孔位置；主要框架的等效應(yīng)力最大為48.4 MPa；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的剩余系數(shù)為2.53，均符合設(shè)計(jì)要求。

表5　支腳底部固支結(jié)構(gòu)的主要模態(tài)頻率

圖10　印制板X(qián)向一階彎曲

圖11　印制板X(qián)向二階彎曲

圖12　Z向整體彎曲

圖13　Y向整體彎曲

圖14　X向整體扭轉(zhuǎn)

圖15　關(guān)鍵位置的加速度響應(yīng) 單位：g

圖16　內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力 單位：MPa

圖17　主要框架的等效應(yīng)力 單位：MPa

1.5.3可靠性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于1553B接口的星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的可靠性，單機(jī)進(jìn)行了力、熱、磁、EMC和老練試驗(yàn)等各項(xiàng)鑒定級(jí)試驗(yàn)考核，具體的項(xiàng)目如表6所示。熱循環(huán)試驗(yàn)的照片如圖18所示，高溫老練試驗(yàn)的照片如圖19所示。經(jīng)過(guò)鑒定試驗(yàn)考核，發(fā)現(xiàn)單機(jī)功能性能正常，能夠適應(yīng)衛(wèi)星飛行主動(dòng)段及在軌的環(huán)境試驗(yàn)要求。

圖18　熱循環(huán)試驗(yàn)的照片

表6　機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目表

圖19　高溫老練試驗(yàn)的照片

2　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于1553B總線接口的星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，該方案利用1553B總線接口的可靠性和傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，大大地提高了單機(jī)的可靠性和實(shí)時(shí)性。該方案已經(jīng)應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品中，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)鑒定級(jí)試驗(yàn)的考核后，功能性能均正常。該方案為后續(xù)星上機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了一種更加可靠的設(shè)計(jì)方案，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］陳偉.星載天線驅(qū)動(dòng)器磁保持繼電繼觸點(diǎn)保護(hù)技術(shù) ［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2016，34（1）:26-31.

［2］中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.光纖化的飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線:ST 20539-1995［S］.

［3］數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線:GJB 289A-97［S］.

［4］Digital time division command/response multiplex data bus: AIR FORCE MIL-STD-1553B CHG NOTICE［S］.

［5］廉保旺，李勇，張怡，等.CAN總線與1553B總線性能分析比較 ［J］.數(shù)字化，2000，19（6）:47-49.

［6］熊華鋼.1553B總線通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 ［J］.通信與電視，2003，23（3）:301-304.

The Design of Mechanism Driver for Satellite Based on 1553B Bus Interface

CHEN Wei，JIANG Fan-ming
（No.805 Research Institute of SAST，Shanghai 201109，China）

The mechanism driver is widely used in the antenna driver of satellite.As the requirements of high-precision pointing satellite to mechanism driver become increasingly higher，the traditional RS 422 interface-based driver has been unable to meet the requirements of the system.Therefore，a design scheme of mechanism driver for satellite based on 1533B bus interface is proposed，and the reliability of the driver is simulated and tested.

driver；bus interface；design scheme；reliability

V 443；TP 336

A

1672-5468（2016）05-0034-08

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.05.008

2016-04-07

陳偉 （1982-），男，福建漳平人，上海航天局第八○五研究所電氣控制室工程師，碩士，從事星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的研制開(kāi)發(fā)工作。