光電探測(cè)系統(tǒng)電源通用化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李寶珺，黨 力，李寶龍，陳 偉

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065；2.西安電子工程研究所，西安 710100）

光電探測(cè)系統(tǒng)電源通用化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李寶珺1，黨 力1，李寶龍2，陳 偉1

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065；2.西安電子工程研究所，西安 710100）

為應(yīng)對(duì)全天候、全天時(shí)實(shí)時(shí)使用要求，光電探測(cè)系統(tǒng)逐漸從功能單一的光電探測(cè)系統(tǒng)演變?yōu)槎喙δ?、多傳感器的綜合光電系統(tǒng)。因此，具體進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)電源組件的技術(shù)指標(biāo)要合理，滿足系統(tǒng)使用要求。同時(shí)，組件維修、故障診斷、部件互換也要容易。針對(duì)此問題，基于描述的光電探測(cè)系統(tǒng)電源通用化設(shè)計(jì)原則，提出了一種可工程化設(shè)計(jì)方案。該方案對(duì)電源硬件結(jié)構(gòu)設(shè)置、電源控制管理和電源功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)等進(jìn)行了討論，并給出具體設(shè)計(jì)方法。通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明，該方案能夠滿足系統(tǒng)對(duì)電源組件的要求。

光電探測(cè)系統(tǒng)，電源管理，通用化設(shè)計(jì)

0 引言

為應(yīng)對(duì)全天候、全天時(shí)實(shí)時(shí)使用要求，光電探測(cè)系統(tǒng)逐漸從功能單一的光電探測(cè)系統(tǒng)演變?yōu)槎喙δ堋⒍鄠鞲衅鞯木C合光電系統(tǒng)。研發(fā)人員開發(fā)了諸如熱像周視瞄準(zhǔn)鏡、激光探測(cè)系統(tǒng)、夜視觀瞄儀、晝夜綜合觀瞄系統(tǒng)等綜合光電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)其電源組件的性能要求越來越高，稍有不當(dāng)就可能影響系統(tǒng)中光電傳感器組件的正常工作。早期光電探測(cè)系統(tǒng)功能單一且由于技術(shù)條件所限，系統(tǒng)電源組件研發(fā)較為簡(jiǎn)單，僅考慮當(dāng)前系統(tǒng)需要進(jìn)行專門研制。而單個(gè)組件重新研制會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出廠周期長(zhǎng)，且同一類產(chǎn)品中，相同名稱、功能變形的產(chǎn)品列裝后，由于系統(tǒng)電源組件的差異，使得組件維修、故障診斷，部件互換的難度、時(shí)間、成本大大增加，這些問題表明光電探測(cè)系統(tǒng)電源組件迫切需要通用化設(shè)計(jì)，以保證性能提升，降低研制成本，縮減維護(hù)成本。

1 光電探測(cè)系統(tǒng)電源組件通用化設(shè)計(jì)原則

在一個(gè)全新系統(tǒng)的電源組件方案設(shè)計(jì)中，可最大限度地使用已工程化、通用化的電源模塊，再根據(jù)功能要求配以少量的專用模塊，構(gòu)成專用的系統(tǒng)電源組件［1］。這樣不僅能降低研制、維護(hù)時(shí)間及費(fèi)用，也可提高系統(tǒng)重構(gòu)能力及后勤保障能力。因此，提出如下設(shè)計(jì)原則和要求：

①利用已工程化、通用化的電源模塊，將其組合使用；

②無需太多改動(dòng)就能完成專門的任務(wù)。有預(yù)留的功能接口，僅對(duì)接口完成改型（如：電源輸出種類，有無供電信息傳遞接口等）；

③能通過其安置的武器平臺(tái)數(shù)據(jù)總線與綜合信息管理設(shè)備完成命令及數(shù)據(jù)信息傳遞；

④由于綜合光電系統(tǒng)集成性，為保證系統(tǒng)正常工作，要有系統(tǒng)工作電壓、電流檢測(cè)及上電時(shí)序控制等基本的電源管理功能。

2 通用化系統(tǒng)電源組件設(shè)計(jì)方案

對(duì)于各綜合光電探測(cè)系統(tǒng)的電源組件而言，它一般需要提供較低紋波的大功率電源、激磁電源、伺服電源、系統(tǒng)板卡級(jí)低壓電源。不同的只是安裝方式的改變，信息傳遞方法及電壓輸入輸出通道等方面的差異。為實(shí)現(xiàn)上述通用化設(shè)計(jì)原則，光電系統(tǒng)電源組件應(yīng)包括：

①用以提供不同功能所需工作電壓的電源模塊；

②控制及自檢系統(tǒng)，進(jìn)行上電時(shí)序控制，完成各工作電源使用信息采集及交互；

③用于與外界通聯(lián)的接口（電壓輸出+信息交互接口）；

④可靠的散熱系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)電源組件的內(nèi)部系統(tǒng)、器件等工作環(huán)境溫度。

2.1 系統(tǒng)電源組件硬件模塊化設(shè)計(jì)

通用化系統(tǒng)電源組件硬件包括“基本硬件單元”和“擴(kuò)展硬件單元”兩部分，如圖1所示。

圖1 通用化系統(tǒng)電源硬件組成

其中，考慮電磁兼容要求，基本硬件單元是一個(gè)封閉金屬倉，內(nèi)含的擴(kuò)展接口用來與線纜接口面板或擴(kuò)展硬件單元對(duì)接。當(dāng)光電系統(tǒng)僅有光學(xué)組件和穩(wěn)瞄系統(tǒng)時(shí)，就無需擴(kuò)展硬件單元，僅根據(jù)電氣接口，設(shè)計(jì)線纜接口面板與之對(duì)接即可。當(dāng)系統(tǒng)是加裝其他傳感器組件的光電探測(cè)系統(tǒng)，則用擴(kuò)展接口連接擴(kuò)展硬件單元，其也為封閉金屬倉，為傳感器組件提供工作電壓。再根據(jù)電氣接口，另設(shè)計(jì)線纜接口面板與擴(kuò)展倉內(nèi)的擴(kuò)展接口對(duì)接即可。

2.1.1 基本硬件單元

現(xiàn)今，一般光電探測(cè)系統(tǒng)是包括火控計(jì)算機(jī)、高精度伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、顯控臺(tái)等部件的光機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，系統(tǒng)電源組件的基本硬件單元應(yīng)包括：電源穩(wěn)壓模塊（板）、穩(wěn)像穩(wěn)瞄電源模塊（板）、激磁電源模塊（板）、火控計(jì)算機(jī)電源模塊（板）、系統(tǒng)電源控制模塊（板）?；居布到y(tǒng)的主要功能如下：

電源穩(wěn)壓模塊（板），其串聯(lián)于系統(tǒng)輸入電源與后級(jí)DC-DC之間。因系統(tǒng)輸入電源電壓會(huì)有起伏、相鄰電子系統(tǒng)通過電源線相互干擾、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等感性負(fù)載的頻繁啟動(dòng)造成供電線上出現(xiàn)很大的浪涌電壓。為保證傳感器組件正常工作，電源穩(wěn)壓模塊加入防反接保護(hù)、穩(wěn)壓、濾波模塊和防浪涌模塊，經(jīng)過一級(jí)穩(wěn)壓和濾波后，可保護(hù)后級(jí)DC-DC，滿足單一故障條件的浪涌電壓和無故障條件的尖峰脈沖電壓，有效降低外部干擾，有利于提高傳感器組件可靠性［3］，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)壓板功能圖

激磁電源模塊（板）、穩(wěn)像穩(wěn)瞄電源模塊（板）及光電火控計(jì)算機(jī)電源模塊（板），均為后級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，按其功能為光電探測(cè)系統(tǒng)提供相應(yīng)功能的工作電壓，如圖3所示。

圖3 后級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換板功能圖

系統(tǒng)電源控制模塊（板），完成光電探測(cè)系統(tǒng)時(shí)序上電控制、各輸出電壓上電自檢和管理。即對(duì)輸出工作電源進(jìn)行電平檢測(cè)信息采集，通過添加的某種總線接口卡，與外部火控信息數(shù)據(jù)總線連接，完成信息交互功能。

2.1.2 擴(kuò)展硬件單元

擴(kuò)展硬件單元主要用于通用化系統(tǒng)電源的專用化改型，從而實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)系統(tǒng)的多功能性。內(nèi)含多種擴(kuò)展模塊，可以構(gòu)成不同功能的光電系統(tǒng)電源組件，以完成與非常規(guī)配置（如加裝激光測(cè)距機(jī)、紅外熱像儀、CCD相機(jī)、夜視儀、多超光譜成像儀等）的綜合光電系統(tǒng)聯(lián)合工作。

擴(kuò)展1：添加“傳感器組件電源模塊（板）”，因?yàn)楦鶕?jù)光電探測(cè)系統(tǒng)功能，會(huì)添加相應(yīng)的各類傳感器，如激光傳感器、紅外熱像儀、CCD相機(jī)、夜視儀、多超光譜成像儀等，增加此擴(kuò)展電源模塊后，成為單一功能或多功能綜合光電系統(tǒng)電源；

擴(kuò)展2：添加“智能電壓電流檢測(cè)模塊（板）”，該模塊利用AD芯片監(jiān)測(cè)被測(cè)工作電壓并將信息送給CPU進(jìn)行處理和傳輸；利用電磁感應(yīng)和雙霍爾效應(yīng)原理的霍爾電流傳感器采集被測(cè)值，通過一定處理，得出電流監(jiān)測(cè)信息。以上電壓、電流信息可通過“1553B”、“RS-422”、“CAN”和“TCP/IP”等接口傳至外部火控信息數(shù)據(jù)總線，這些監(jiān)測(cè)信息使光電系統(tǒng)使用人員可以清楚地掌握目前整機(jī)供電情況和各零部件的功耗，通過這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析，既可完成各個(gè)用電單元的功耗和使用頻率的統(tǒng)計(jì)，還能對(duì)各設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)估，提前發(fā)現(xiàn)問題，有利于故障排除。智能電壓電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 智能電流檢測(cè)模塊方案框圖

其中，“智能電壓電流檢測(cè)模塊（板）”是標(biāo)準(zhǔn)模板，而“傳感器組件電源模塊（板）”是非標(biāo)準(zhǔn)模板，需要根據(jù)技術(shù)協(xié)議專門研制，劃分為一塊或多塊電源模塊（板）。在結(jié)構(gòu)上，非標(biāo)準(zhǔn)模板與標(biāo)準(zhǔn)模板一樣，裝配在擴(kuò)展硬件單元倉內(nèi)的槽位中，通過倉內(nèi)擴(kuò)展接口與基本硬件系統(tǒng)連接。

2.2 系統(tǒng)電源組件接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

為達(dá)到部件互換，可制定系統(tǒng)電源通用接口標(biāo)準(zhǔn)。本工程設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)電源組件采用J29M一體化連接器，其各組合模塊的接觸件可通過3 A～15 A電流。工程應(yīng)用時(shí)，可通過多種不同類型的接觸件模塊（四芯的差分接觸件、功率接觸件、高速傳輸接觸件或“1553B”數(shù)據(jù)總線接觸件等模塊）混裝使用，即根據(jù)系統(tǒng)電源擴(kuò)展接口需求，用不同的接觸件模塊混插在一起達(dá)到功能要求。設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)規(guī)定直流電壓輸入、激磁電源輸出、穩(wěn)像穩(wěn)瞄電源輸出、火控計(jì)算機(jī)電源輸出、檢測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)等及擴(kuò)展電源輸出（備用）管腳定義，以后直接使用即可［2］。由于連接器選型固定，系統(tǒng)電源外殼接插件安裝尺寸也可確定。當(dāng)結(jié)構(gòu)殼體加工時(shí)，避免因更改系統(tǒng)電源殼體圖紙參數(shù)而產(chǎn)生的加工失敗風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 系統(tǒng)電源組件控制軟件設(shè)計(jì)

隨著系統(tǒng)內(nèi)電源數(shù)量的增多，為確保其安全、持續(xù)和正常的工作，系統(tǒng)電源管理不可缺少，即通過控制軟件對(duì)系統(tǒng)電源組件完成工況監(jiān)控和上、下電時(shí)序控制。這樣可在綜合光電探測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，保證系統(tǒng)按照正確的時(shí)序上電或斷電，并隨時(shí)觀察系統(tǒng)電源組件內(nèi)各部件是處于工作范圍內(nèi)還是出現(xiàn)異常。

2.3.1 工作電源時(shí)序控制軟件設(shè)計(jì)

工作電源時(shí)序控制，即當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)上電時(shí)，能夠按照由一定順序逐個(gè)對(duì)系統(tǒng)各工作組件完成開啟行為；斷電時(shí)，則由相反的順序完成關(guān)閉行為。這種控制可統(tǒng)一、有效地控制系統(tǒng)集成的各工作組件，這不僅避免了人為的失誤操作對(duì)各工作組件造成的可能損害，而且又減小了開/關(guān)系統(tǒng)各工作組件時(shí)，對(duì)輸電線路的沖擊電流。以熱像周視瞄準(zhǔn)鏡工作為例，其內(nèi)部控制模塊上電控制為：首先，穩(wěn)像陀螺電壓、穩(wěn)像控制電壓開啟，穩(wěn)像陀螺開始工作。一定時(shí)延后，開啟系統(tǒng)穩(wěn)像功率管工作電壓。接著，1 ms后，激磁模塊開啟，以驅(qū)動(dòng)角度傳感器、軸角解算模塊工作。然后其他擴(kuò)展硬件，如激光測(cè)距機(jī)、紅外熱像儀等，則通過數(shù)據(jù)傳輸總線接口接收開啟、關(guān)閉命令。若以RS-422串口總線接口傳接信息，上電時(shí)，工作電源時(shí)序控制軟件流程圖，如圖5所示。斷電時(shí)，工作電源由相反的順序關(guān)閉系統(tǒng)各工作組件。

圖5 上電時(shí)序控制軟件流程圖

2.3.2 工作電壓及工作電流監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

“智能電壓電流檢測(cè)模塊”可實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中各用電設(shè)備的工作電壓及電流數(shù)據(jù)。通過A/D采集的被測(cè)工作電壓值及通過霍爾電流傳感器采集的被檢測(cè)電流值送至CPU，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析，并通過數(shù)據(jù)傳輸總線接口將結(jié)果傳給操控計(jì)算機(jī)。給各工作電壓電流檢測(cè)點(diǎn)都分配一個(gè)地址，通信的數(shù)據(jù)以打包的形式發(fā)送。通信由主控系統(tǒng)發(fā)起，檢測(cè)模塊的接收采用中斷方式，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)接收。主控系統(tǒng)根據(jù)操作命令發(fā)出檢測(cè)點(diǎn)地址，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)接收到后進(jìn)行判斷，不是該檢測(cè)點(diǎn)地址的中斷返回；反之則把該檢測(cè)點(diǎn)地址及檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息作為應(yīng)答信號(hào)發(fā)送給主機(jī)，完成工作電壓及工作電流檢測(cè)。智能電壓電流檢測(cè)模塊軟件流程圖，如圖6和下頁圖7所示。

3 應(yīng)用方式

此方案設(shè)計(jì)的通用化光電探測(cè)系統(tǒng)電源組件可應(yīng)用于車長(zhǎng)周視瞄準(zhǔn)鏡、激光探測(cè)系統(tǒng)、夜視觀瞄儀、晝夜綜合觀瞄系統(tǒng)等綜合光電探測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。

以車長(zhǎng)周視瞄準(zhǔn)鏡為例，據(jù)其功能劃分，有微光型、熱像型、激光型、雙倍率型等系列產(chǎn)品。主要用于實(shí)施全天候的觀察、瞄準(zhǔn)、跟蹤、預(yù)警等任務(wù)的。為滿足使用、維護(hù)要求，鏡體光學(xué)部件在設(shè)計(jì)之初就采用了全光譜共光路設(shè)計(jì)，通過雙向穩(wěn)定光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡，完成一定立體視角范圍內(nèi)的視場(chǎng)巡查。根據(jù)系統(tǒng)基本功能設(shè)置，其中系統(tǒng)穩(wěn)壓電源板、穩(wěn)像穩(wěn)瞄電源板、激磁電源板、火控計(jì)算機(jī)電源板、系統(tǒng)電源管理板是各型整機(jī)系統(tǒng)電源的基本硬件單元，并安裝固定于封閉金屬倉內(nèi)，各電源板提供基本供電需求，電源管理板提供時(shí)序上電控制、各輸出電壓上電自檢和管理。管理板上搭載數(shù)據(jù)總線接口卡，從數(shù)據(jù)總線接收傳感器開啟關(guān)閉控制命令。另設(shè)計(jì)線纜接口面板與電氣線纜或擴(kuò)展倉的擴(kuò)展接口對(duì)接。

圖7 電壓電流檢測(cè)子系統(tǒng)串口中斷軟件流程圖

當(dāng)加裝紅外熱像儀組成車長(zhǎng)熱像周視瞄準(zhǔn)鏡并安裝在某車載平臺(tái)時(shí)，則用基本硬件單元倉的擴(kuò)展接口連接擴(kuò)展硬件單元倉，其內(nèi)裝有“紅外熱像儀組件電源模塊（板）”，為紅外熱像儀組件提供工作電壓。由于全光譜共光路設(shè)計(jì)，鏡體頭部結(jié)構(gòu)是同一尺寸。因此，車載平臺(tái)可更換車長(zhǎng)周視瞄準(zhǔn)鏡使用類型，如微光型。因其系統(tǒng)基本功能設(shè)置不變，鏡體更換后，僅將系統(tǒng)電源的擴(kuò)展倉內(nèi)的“紅外熱像儀組件電源模塊（板）”更換為“微光組件電源模塊（板）”即可。整套系統(tǒng)電源具有工作自檢能力、外部信息交換能力和高質(zhì)量的電源管理能力。可見，即使光電探測(cè)系統(tǒng)功能更換了，但系統(tǒng)電源組件并不要很大的結(jié)構(gòu)變化，甚至安裝位置都保持不變，就完成使用需求轉(zhuǎn)變。滿足系統(tǒng)使用要求的同時(shí)，組件維修、故障診斷、部件互換也要容易。此種使用已在ZTZ99TZ99AMBT200坦克上進(jìn)行使用驗(yàn)證。

若將此系統(tǒng)電源組件應(yīng)用于其他武器平臺(tái)，僅可根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)接口尺寸，在相應(yīng)位置打孔安裝即可。若光電探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)、功能有改變，僅小范圍設(shè)計(jì)改造基本倉內(nèi)各電路模塊（板）及擴(kuò)展倉的硬件，就可完成系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。縮短新產(chǎn)品研制周期，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)物資保障和維修保障快速響應(yīng)提供有力支撐。

4 結(jié)論

系統(tǒng)電源組件是光電探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，為系統(tǒng)中其他工作單元提供正常工作“基礎(chǔ)”。在進(jìn)行系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮各輸出工作電壓的戰(zhàn)技指標(biāo)，還需結(jié)合電源特性、各傳感器組件用電特點(diǎn)等考慮，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源組件的控制管理功能。這樣的系統(tǒng)電源組件設(shè)計(jì)，在保證實(shí)現(xiàn)各工作電壓的技術(shù)指標(biāo)要求的同時(shí)，也可增加不同系統(tǒng)電源組件間零部件通用化程度，提高系統(tǒng)重構(gòu)能力及后勤保障能力［4］。系統(tǒng)電源組件零部件在模塊化分解的條件下，可達(dá)到縮短研制周期、降低維修成本、提高系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性，有利于系統(tǒng)故障排除，達(dá)到維修簡(jiǎn)化的目的。

［1］楊拴科，楊建國，姜向東.模塊式電源及其應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品世界，2000，8（2）：22-23.

［2］趙殳.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

［3］NICOLETTI R.新一代電源模塊有效簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15（9）：82-82.

［4］沈翠娟，葉靜英.淺談通用件的科學(xué)管理［J］.航天標(biāo)準(zhǔn)化，2009，27（4）：27-30.

Design and Implementation of Power Supply Generalization for Photoelectric Detector System

LI Bao-jun1，DANG Li1，LI Bao-long2，CHEN Wei1
（1.Xi’an Institution of Applied Optics，Xi’an 710065，China；2.Xi’an Institution of Electronic Engineering，Xi’an 710100，China）

In order to meet requirements of real-time using in all-weather，all-day，photoelectric detector systems are changed gradually from single function to multi-function and multi-sensors. Therefore，when the engineering design begins，the technical indicators of power supply needs be reasonable for fulfilling the systems and the maintenance，fault diagnosis and units exchange are easy to do.To resolve this problem，a scheme of power supply is proposed for photoelectric detection system based on the universal design principles which are described.The scheme introduces some methods，which include power supply hardware structure design，power control and power function extension design，as well as discusses engineering design implementation.Through real application，the results indicate that this plan can fulfill the missions of power supply for photoelectric detector systems.

photoelectric detecting systems，power supply management，generalization design

TN802

A

1002-0640（2017）05-0155-05

2016-03-19

2016-05-17

李寶珺（1981- ），女，陜西西安人，高級(jí)工程師。研究方向：光電儀器總體、偵察感知和信息處理技術(shù)研究。