真空熱試驗(yàn)程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

真空熱試驗(yàn)程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳東亮，馮堯，廖韜，梁碩

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)

為了滿足我國(guó)大型真空熱試驗(yàn)任務(wù)中單個(gè)加熱回路對(duì)大電流或大電壓的綜合測(cè)試要求，解決當(dāng)前程控電源串并聯(lián)操作復(fù)雜、串并聯(lián)電源負(fù)載失衡、串并聯(lián)實(shí)施后安全隱患突出的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種真空熱試驗(yàn)程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)；在現(xiàn)有真空熱試驗(yàn)控制系統(tǒng)架構(gòu)與程控電源型號(hào)基礎(chǔ)上，將輸入輸出電連接器按2：1的比例設(shè)計(jì)，基于雙IP雙電源自由組合控制輸出的方式，采用單片機(jī)與繼電器控制單元進(jìn)行程控電源輸入輸出狀態(tài)檢測(cè)，通過繼電器矩陣實(shí)現(xiàn)電源輸出自由配置，從而實(shí)現(xiàn)程控電源的串并聯(lián)快速配置；實(shí)踐表明，該程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)可以在3分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)15路的程控電源串并聯(lián)快速輸出，不僅簡(jiǎn)化了目前復(fù)雜的電源串并聯(lián)操作，大大提高了程控電源串并聯(lián)操作實(shí)施效率，而且加強(qiáng)了程控電源串并聯(lián)后工作的安全性。

真空熱試驗(yàn)；程控電源；串并聯(lián)；快速配置

0 引言

真空熱試驗(yàn)是航天器研制過程中一項(xiàng)耗資巨大而又必不可缺的試驗(yàn)項(xiàng)目，在冷黑背景下通過紅外模擬器(如加熱片、紅外籠、紅外燈等)對(duì)航天器在軌的外熱流進(jìn)行模擬來驗(yàn)證航天器熱設(shè)計(jì)的正確性[1-2]。目前，航天器在真空熱試驗(yàn)中吸收外熱流的大小主要是通過控制計(jì)算機(jī)利用上位軟件驅(qū)動(dòng)程控電源控制紅外模擬器來實(shí)現(xiàn)的，程控電源輸出電流(或電壓)的范圍直接決定了紅外模擬器輻射熱流的大小。隨著我國(guó)航天技術(shù)的飛速發(fā)展，東四平臺(tái)、深空探測(cè)等系列衛(wèi)星在真空熱試驗(yàn)中對(duì)紅外模擬器的輻射熱流有了更高的要求，試驗(yàn)中單個(gè)加熱回路對(duì)大電流或大電壓的需求日益增加，而當(dāng)前測(cè)控系統(tǒng)程控電源的配置尚有許多不足：首先，當(dāng)前單臺(tái)程控電源無(wú)法滿足部分試驗(yàn)對(duì)加熱回路的電流或電壓要求；其次，程控電源內(nèi)部器件有一定的耐壓值，人工在輸出接線端對(duì)電源進(jìn)行串并聯(lián)(尤其是串聯(lián))容易造成兩臺(tái)電源分擔(dān)電壓失衡，從而造成串聯(lián)電源超過器件耐壓值導(dǎo)致程控電源工作失效，對(duì)試驗(yàn)造成影響；另外，送試方經(jīng)常會(huì)臨時(shí)提出電源串并聯(lián)要求，電源輸出接線端串并聯(lián)操作復(fù)雜不易實(shí)施，且實(shí)施后現(xiàn)場(chǎng)電纜電線交錯(cuò)，存在安全隱患。

本文從現(xiàn)有真空熱試驗(yàn)控制系統(tǒng)架構(gòu)與程控電源型號(hào)(主要為N5750)出發(fā)，制定了快速安全的程控電源串并聯(lián)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了現(xiàn)有操作，提高了了程控電源串并聯(lián)實(shí)施的工作效率，確保串并聯(lián)后程控電源工作的安全性[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

真空熱試驗(yàn)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)控制軟件和程控電源陣列組成。其中，程控電源陣列又以機(jī)柜組的形式存在，每30臺(tái)電源為一個(gè)機(jī)柜組，每一個(gè)機(jī)柜組出兩個(gè)輸出電連接器從而實(shí)現(xiàn)30路的電流或電壓輸出。每個(gè)程控電源對(duì)應(yīng)唯一的IP地址，在上位機(jī)控制軟件中得到的是一個(gè)程控電源的IP地址陣列，控制系統(tǒng)通過IP地址陣列驅(qū)動(dòng)儀器實(shí)現(xiàn)電連接器端的電流電壓輸出，由于程控電源額定輸出功率(4A，150 V)的限制，當(dāng)星上電連接器端有大電流或大電壓的要求時(shí)，需要對(duì)程控電源陣列單個(gè)電源的輸出接線端子進(jìn)行串并聯(lián)操作來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)當(dāng)前真空熱試驗(yàn)控制系統(tǒng)架構(gòu)和程控電源陣列的配置情況，對(duì)程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)把一個(gè)程控電源組的機(jī)柜作為一個(gè)操作控制單元，輸入輸出電連接器采用2:1的方式設(shè)計(jì)，即機(jī)柜的兩個(gè)原始輸出電連接器作為系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)僅出一個(gè)電連接器作為整體輸出，具體操作過程為：參試人員在試驗(yàn)準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)將程控電源機(jī)柜的兩個(gè)電纜輸出插頭(Y2-36ZJ)和電源串并聯(lián)快速配置儀的轉(zhuǎn)接電纜插頭(Y2-36TK)相連接，然后在電源串并聯(lián)快速配置儀的人機(jī)交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，該配置柜的輸出電纜插頭(Y2-36ZJ)與紅外模擬器插頭連接。參試人員啟動(dòng)電源串并聯(lián)快速配置軟件對(duì)串并聯(lián)通道進(jìn)行固化，然后通過外熱流控制軟件對(duì)紅外模擬器進(jìn)行控制。

圖1 程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 軟硬件組成

程控電源串并聯(lián)快速配置柜的硬件組成示意圖如圖2所示，該儀器采用市電供電，內(nèi)置在線編程和繼電器控制模塊，通過中央控制單元對(duì)繼電器單元進(jìn)行控制，通過繼電器切換輸入加熱通道的接線方式完成不同通道的串并聯(lián)快速配置。人機(jī)界面采用觸摸液晶屏，參試人員可以靈活的設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)來配置不同通道間的串并聯(lián)關(guān)系，并且將加熱通道配置關(guān)系數(shù)據(jù)記錄到儀器內(nèi)的存儲(chǔ)器內(nèi)，在試驗(yàn)完畢之后可以將配置關(guān)系數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)進(jìn)行分析歸檔。

圖2 程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)硬件功能框圖

程控電源串并聯(lián)快速配置軟件安裝在配置儀工控主機(jī)上，通過軟件對(duì)配置柜30路輸入加熱通道串并聯(lián)關(guān)系的配置組合來實(shí)現(xiàn)15路加熱通道的輸出，加熱通道間串并聯(lián)配置操作簡(jiǎn)單，方便現(xiàn)場(chǎng)參試人員的操作；若試驗(yàn)過程中有臨時(shí)串并聯(lián)需求可隨時(shí)進(jìn)行配置，無(wú)需對(duì)硬件連接進(jìn)行更改；軟件可以對(duì)接入電源進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，具有對(duì)串并聯(lián)程控電源的電壓分擔(dān)調(diào)節(jié)功能；程控電源串并聯(lián)快速配置軟件功能框圖如圖3所示。

圖3 程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)硬件功能框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源串并聯(lián)配置原理

程控電源串并聯(lián)配置輸出原理[4]如圖4所示，兩個(gè)電源1、2為一組，實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)及單臺(tái)輸出：

當(dāng)1、2并聯(lián)輸出時(shí)：控制線A對(duì)應(yīng)的繼電器向下閉合，以打開電源1、2的輸入通道；控制線C、D對(duì)應(yīng)的繼電器向下閉合，以打開整合后的電壓、電流的輸出；控制線B對(duì)應(yīng)的繼電器向下閉合，以實(shí)現(xiàn)電源1的正極和電源2的正極相連，電源1的負(fù)極與電源2的負(fù)極相連。

當(dāng)1、2串聯(lián)輸出時(shí)：控制線A對(duì)應(yīng)的繼電器向下閉合，以打開電源1、2的輸入通道；控制線C、D對(duì)應(yīng)的繼電器向下閉合，以打開整合后的電壓、電流的輸出；控制線B對(duì)應(yīng)的繼電器向上閉合，以實(shí)現(xiàn)電源1的正極和電源2的負(fù)極相連，電源1的負(fù)極與電源2的正極相連。

當(dāng)需要1、2單獨(dú)輸出時(shí)：控制線A對(duì)應(yīng)的繼電器向下閉合，以打開電源1、2的輸入通道；如果需要電源1單獨(dú)輸出，控制線D對(duì)應(yīng)的繼電器向下閉合，以打開電源1的輸出通道；控制線C對(duì)應(yīng)的繼電器向上閉合，以斷開電源2的輸出通道，控制線2對(duì)應(yīng)的繼電器與輸出無(wú)關(guān)。

狀態(tài)檢測(cè)：狀態(tài)線1、2、3、4、5可以將所在繼電器的狀態(tài)(向上、下閉合的狀態(tài))反饋給單片機(jī)，可以使主機(jī)知道電源的輸入、輸出情況。當(dāng)繼電器向上閉合時(shí)，狀態(tài)線上為低電平。否則該繼電器可能有故障。當(dāng)繼電器向下閉合時(shí)，狀態(tài)線上為高電平，否則該繼電器可能有故障。

輸出切換：當(dāng)有需要切換輸出通道時(shí)，在這里使用多向開關(guān)控制其輸出通道號(hào)的切換，如圖，即把控制線A、C、D對(duì)應(yīng)的繼電器向上閉合。

圖4 程控電源串并聯(lián)配置輸出原理圖

2.2 中央控制單元

整個(gè)系統(tǒng)的中央控制單元采用了嵌入式工控板EMB-3930作為控制的核心部分，EMB-3930是一款基于Intel Cedar Trail平臺(tái)的嵌入式主板，板載Intel Atom N2800/D2550處理器,具備1條SO-DIMM插槽,支持DDR3 800/1066MHz，系統(tǒng)內(nèi)存最大支持4 GB，Intel GMA 3650集成顯卡,支持VGA+LVDS顯示輸出，支持獨(dú)立雙顯示，提供2個(gè)SATAⅡ,6個(gè)USB2.0,4個(gè)COM和2個(gè)千兆網(wǎng)卡,1個(gè)Mini PCIe,1個(gè)PC-104 Plus。EMB-3930的兩個(gè)雙網(wǎng)卡，一個(gè)用來控制程控電源組機(jī)柜，通過LAN端口配置每一個(gè)電源的輸入輸出狀態(tài)參數(shù)，另一個(gè)網(wǎng)口用來連接上位控制計(jì)算機(jī)，接收上位機(jī)配置軟件指令和上位控制系統(tǒng)發(fā)出的負(fù)載均衡控制指令。

2.3 繼電器控制模塊設(shè)計(jì)

本課題使用單片機(jī)作為繼電器驅(qū)動(dòng)控制和觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)部分，單片機(jī)和嵌入式工控板之間通過RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)控制繼電器譯碼電路如圖5所示，其中圖中1組、2組···15組。每組有4根電源輸入線，兩根電源輸出線，5根狀態(tài)線，4根控制線。

單片機(jī)[5][6]通過74LS138芯片選址，經(jīng)選之后，某一引腳為低電平，其相連的左邊74LS373鎖存器被選中，控制總線發(fā)送相應(yīng)的控制命令，74LS373輸出控制命令，配置箱根據(jù)命令作出相應(yīng)的變化；右邊的74LS373也被選中，其輸出數(shù)據(jù)隨配置箱單元組的狀態(tài)變化而變化，單片機(jī)檢查其狀態(tài)。當(dāng)操作人員沒有其他操作時(shí)，單片機(jī)處于檢查狀態(tài)，但檢查某一組時(shí)，需要先將該組的控制信號(hào)寫到控制總線上，以免在選中該組時(shí)原來的信號(hào)和控制總線上的信號(hào)不同，造成損害。

開機(jī)初始化單片機(jī)及其他模塊，初始化后所有的電源控制線A、C、D對(duì)應(yīng)繼電器均向上閉合，此時(shí)單片機(jī)可檢測(cè)繼電器狀態(tài)，如有錯(cuò)，發(fā)出錯(cuò)誤警告，且提示出是哪一組的故障，但不允許進(jìn)行電源的串并聯(lián)配置，直到故障排除。進(jìn)行電源配置的時(shí)候，操作人員在觸控屏上進(jìn)行操作，需要選好要進(jìn)行配置的電源和要輸出的通道，當(dāng)操作人員所選的參數(shù)不符合條件時(shí)，比如沒有輸出通道的選擇，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行提醒，直到所選參數(shù)符合要求，選好后，須確認(rèn)后才可完成配置。進(jìn)行參數(shù)選擇的時(shí)候，如果某一電源或輸出通道已經(jīng)被占用，則單片機(jī)不會(huì)允許選擇本電源或輸出通道。選好參數(shù)以后，單片機(jī)先保存參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)，確定好所選電源及輸出通道對(duì)應(yīng)的地址，然后選中該組地址，將控制信號(hào)輸出到該組的控制線上，同時(shí)該組的鎖存器74LS373將控制信號(hào)鎖存，之后單片機(jī)可以進(jìn)行其他操作，等待下一個(gè)命令。

在進(jìn)行正常工作時(shí)，單片機(jī)會(huì)重復(fù)檢查每一組的狀態(tài)線上的信號(hào)，如果檢測(cè)的信號(hào)跟操作人員所配置的參數(shù)不符合，則會(huì)停止電源配置箱的工作，并通知操作人員進(jìn)行排除故障工作。

圖5 單片機(jī)譯碼控制電路

3 上位采集軟件

程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)的上位機(jī)軟件基于Visual Basic實(shí)現(xiàn)，采用圖形化界面設(shè)計(jì)，可以通過讀取txt格式的文件與Excel格式的配置表做接口，也可以直接進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)設(shè)置。主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、人機(jī)交互、實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)等功能。在軟件結(jié)構(gòu)中，首先進(jìn)行軟件初始化，根據(jù)通道配置信息進(jìn)行儀器初始化，然后對(duì)繼電器進(jìn)行狀態(tài)檢查，在使用過程中會(huì)根據(jù)初始配置信息對(duì)程控電源串并聯(lián)及工作狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，并對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、保存。上位機(jī)配置軟件的主要功能有讀取串并聯(lián)配置信息、儀器初始化、串并聯(lián)狀態(tài)保持與檢查等。軟件配置模塊采用雙IP雙電源自由控制方式，可以實(shí)現(xiàn)程控電源單臺(tái)、串聯(lián)、并聯(lián)等輸出方式。另外，真空熱試驗(yàn)控制系統(tǒng)軟件與該配置軟件結(jié)合使用還可以達(dá)到分擔(dān)電壓均衡的功能。在控制系統(tǒng)軟件中進(jìn)行串并聯(lián)電源電壓或電流高低限設(shè)置，生成txt格式文件，程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)軟件讀取配置信息，從而對(duì)串并聯(lián)后的電源輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。軟件的整體流程如圖6所示。

圖6 上位軟件流程

4 測(cè)試結(jié)果與分析

在航天器熱試驗(yàn)電源間與總控間進(jìn)行了程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)的組裝與測(cè)試，測(cè)試使用電源間32號(hào)機(jī)柜電源，電源IP為169.254.32.1～169.254.32.30，分兩個(gè)插頭，其中IP為169.254.32.1～169.254.32.15的電源為A輸入端，169.254.32.16～169.254.32.30的電源為B輸入端，經(jīng)過配置儀設(shè)置輸出后組合輸出15個(gè)加熱回路。

設(shè)置1加熱回路為A輸入電源單臺(tái)輸出，3加熱回路為B輸入電源單臺(tái)輸出，5、9加熱回路為將A、B輸入電源串聯(lián)輸出，7、11加熱回路為將A、B輸入電源并聯(lián)輸出，其他回路處于關(guān)閉狀態(tài)，測(cè)試記錄如表1所示。

表1 測(cè)試A、B串并聯(lián)混合輸出設(shè)置時(shí)測(cè)試記錄

在測(cè)試過程中，從開始設(shè)置到得到實(shí)際輸出結(jié)果時(shí)間在3分鐘以內(nèi)，且可以同時(shí)得到最多15路程控電源串并聯(lián)輸出的加熱通道。

從測(cè)試記錄可以看出，回路號(hào)1和3均為單臺(tái)電源輸出設(shè)置，其輸出電壓及電流均為正常值；回路號(hào)5和9分別為兩臺(tái)程控電源串聯(lián)輸出，可以看出回路號(hào)5對(duì)應(yīng)的兩臺(tái)程控電源輸出電流一致，輸出電壓之和與單臺(tái)電源輸出電壓基本一致，9號(hào)回路測(cè)試結(jié)果與5號(hào)回路一致；回路號(hào)7和11分別為兩臺(tái)程控電源并聯(lián)輸出，可以看出7號(hào)回路對(duì)應(yīng)的兩臺(tái)程控電源輸出電壓一致，輸出電流之和為單臺(tái)程控電源輸出的2倍，11號(hào)回路測(cè)試結(jié)果與7號(hào)回路一致。

5 結(jié)論

本文從目前真空熱試驗(yàn)控制系統(tǒng)架構(gòu)與程控電源陣列配置現(xiàn)狀出發(fā)，基于EMB-3930工控板、單片機(jī)與繼電器組合控制模式，采用雙IP雙電源自由控制方式，設(shè)計(jì)了程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在3分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)15路程控電源串并聯(lián)組合輸出。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)不僅解決了大型航天器對(duì)大電流或大電壓的臨時(shí)測(cè)試需求，提高了熱試驗(yàn)中程控電源串并聯(lián)操作的實(shí)施效率，而且提高了程控電源串并聯(lián)使用的可靠性，對(duì)于保證熱試驗(yàn)的順利進(jìn)行有著積極的意義。

[1] 張景川，等.航天器真空熱試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].航天器環(huán)境工程,2012,29(3):263-267.

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[6]畢 濤.基于單片機(jī)的程控電源硬件設(shè)計(jì)研究[J].數(shù)字通信世界，2015(7).

DesignandImplementationofSerialandParallelRapidConfigurationSystemforProgramControlPowerSupplyinVacuumThermalTest

Wu Dongliang, FengYao, LiaoTao, Liang Shuo

(Beijing Institute of Spacecraft Environment and Engineering, Beijing 100094, China)

In order to meet the requirements of comprehensive test of large current or large voltage for single heating circuit in China's large vacuum thermal test task, a rapid configuration system of programmable power supply for vacuum heat test is designed and constructed, which can solve the problems of the current complicated program-controlled power supply series parallel operation, the imbalance series-parallel power supply load serial and the outsanding security risks after series parallel implementation. Based on the existing vacuum thermal test control system architecture and program-controlled power supply model, the input and output electrical connector are designed according to the ratio of 2:1. Using dual-IP dual power supply free combination of control output, the program-controlled power input and output status are detected through the microcontroller and relay control unit, the free power output configuration is achieved with the use of relay matrix, thus the serial and parallel quick configuration is realized for programmable power supply. The results show that, through the serial and parallel rapid configuration system of program-controlled power supply, the serial and parallel fast output of 15-way programmable power supply can be achieved within 3 minutes, which indicates that the current complex power supply string parallel operation is simplified, the program-controlled power supply string parallel operation efficiency is greatly improved, and the work of security is strengthened after the program-controlled power supply string in parallel.

vacuum thermal test; program control power supply; serial and parallel flexible; rapid configuration;

2017-02-21；

2017-02-21。

吳東亮(1985-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事航天器熱試驗(yàn)溫度測(cè)量與控制方向的研究。

1671-4598(2017)09-0051-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.014

TP273

A