基于CAN總線的航天電源控制系統(tǒng)設計

洪小駿 胡明華 施雯 戴志晃 查曉晨

摘要：近年來，我國航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，使越來越多的現(xiàn)代化技術(shù)被應用于航天航空領(lǐng)域，CAN總線作為諸多現(xiàn)代化技術(shù)中的一種，在航天電源控制系統(tǒng)設計中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，有效保障了航天設備控制與通信功能的順利實現(xiàn)。為此，本文對基于CAN總線的航天電源控制系統(tǒng)設計進行相應的分析。

關(guān)鍵詞：CAN總線；航天電源；控制系統(tǒng)

引言

在航天航空領(lǐng)域中，大部分系統(tǒng)都采用總線型拓撲網(wǎng)絡，對于CAN總線來說，其不僅在通信網(wǎng)絡上具有開放性，而且其自身也相當于全分布式的控制系統(tǒng)。相比于普通的串行通信總線來說，CAN總線要具備更高的數(shù)據(jù)可靠性以及更強的實時強，這也使其能夠靈活運用于航天航空領(lǐng)域的系統(tǒng)設計工作中。在ATE電源控制系統(tǒng)中，通過CAN總線可使485、232等串行通信中出現(xiàn)的問題得到有效解決，進而使網(wǎng)絡具有更高的可靠性與實時性，從而使系統(tǒng)運行要求得到有效滿足。

一、航天電源控制系統(tǒng)的開發(fā)

通過對航天電源控制系統(tǒng)的開發(fā)需求來進行分析，結(jié)合ATE系統(tǒng)的開發(fā)要求，其電源控制系統(tǒng)的功能應包括以下幾點：其一，系統(tǒng)能夠?qū)崟r選擇合適的電源模塊；其二，系統(tǒng)能夠控制電源模塊的實際輸出；其三，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電源模塊的運行狀態(tài)；其四，系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時能夠自動采取應急處理措施?；贑AN總線的航天電源控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上，其電源系統(tǒng)需要利用PC機來進行控制，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，其電源控制系統(tǒng)主要包括電源控制節(jié)點、CAN適配卡以及PC機等組成部分，工作人員可利用PC機來發(fā)揮電源控制系統(tǒng)的相關(guān)功能，其功能實現(xiàn)是在電源控制節(jié)點和CAN通信適配卡的輔助下完成的?；贑AN總線的航天電源控制系統(tǒng)在工作原理上，其控制核心便是CAN通信適配卡，并借助于PC擴展槽，通過PC機來達到控制目的，PC機會將數(shù)據(jù)或控制命令利用CAN總線來進行傳輸，然后以此檢測與控制對應節(jié)點。這些電源控制節(jié)點是執(zhí)行命令的主要單位，控制功能都需要利用控制節(jié)點來發(fā)揮。這些接點會對適配卡發(fā)送的控制指令進行接收，然后根據(jù)控制指令來完成對應的操作，并將具體的控制狀態(tài)量以及測量參數(shù)反饋給PC機，由工作人員對PC機的顯示結(jié)果進行觀察和判斷，然后通過相應的控制功能，進而形成了具有高度完整性的控制網(wǎng)絡。

二、航天電源控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)

在基于CAN總線的航天電源控制系統(tǒng)中，其主控芯片為C8051F040，該主控芯片的工作電壓為3.3V，其被嵌入到系統(tǒng)中，并配置有MCS-51內(nèi)核，微型控制器能夠?qū)χ噶罴M行全面兼容，在主控芯片中還集成了大量經(jīng)常可以用到的功能部件，此外，主控芯片中還集成了CAN控制器，其能夠支持CAN協(xié)議來進行串行通信，最大通信速度為1Mbit/s。利用特殊寄存器，能夠通過CIP-51來配置CAN控制器，并對獲取的數(shù)據(jù)進行訪問，從而使數(shù)據(jù)能夠及時傳輸至控制器。CAN控制器可對全部的CAN協(xié)議進行控制，不會和單機片中的內(nèi)核建立關(guān)聯(lián)。在基于CAN總線的航天電源控制系統(tǒng)的CAN通信適配卡中，其主要由中斷申請電路、雙口RAM控制電路、復位電路以及F040CAN控制電路這四個部分組成，CAN通信適配卡在開發(fā)中所涉及到的各種技術(shù)可從PCI技術(shù)說明中查找。

在基于CAN總線的航天電源控制系統(tǒng)中，電源控制命令的實施是由各個電源控制節(jié)點所完成的，以下便對這些電源控制節(jié)點進行相應的分析，以此探討航天電源控制系統(tǒng)中相關(guān)功能的具體實現(xiàn)。在航天電源控制系統(tǒng)中，其電流為220V/50Hz的電路往往多達幾十路，而且需要能夠?qū)Σ煌O備的供電電源進行實時控制，如果是以單路220V/50Hz來供電，則往往是無法實現(xiàn)的。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，機箱應進行統(tǒng)一，使各個控制節(jié)點能夠在系統(tǒng)中采取冗余控制的方式來進行分別控制，其又被叫做電源控制器。在這些電源控制器中，其輸出控制方式主要包括兩種，一種是Local控制，即本地手動控制方式，另一種為Remote控制，即程序控制方式，當這兩種輸出控制方式中的任意一種出現(xiàn)故障時，則可采用另一種輸出控制方式來發(fā)揮其控制功能，進而使系統(tǒng)的電源控制可靠性得到有效保證。通常來說，單控制方式可以從上述兩種中任意選擇一種，并通過鍵盤來自動切換控制方式。

在電源控制器開發(fā)中，其主要包括CPU、顯示器電路、輸出控制電路、輸出檢測電路、CAN通信電路以及鍵盤電路這六個組成部分，其中CAN通信電路能夠?qū)崿F(xiàn)下位機和上位機之間的通信，使上位機下達的控制指令得到有效接收，并在上位機中反饋各個電源控制器在運行過程中的狀態(tài)參量。CAN收發(fā)器與CAN控制器是其主要組成部分，其中F040在控制器中集成，并利用SN65HVD230收發(fā)器作為CAN收發(fā)器，使其能夠和系統(tǒng)的運行電壓進行有效匹配。

對于鍵盤與顯示電路來說，其控制方式的實現(xiàn)以及手動控制在進行單路或多路輸出控制時，可通過8279來檢測按鍵，利用中斷控制來達到控制目的。在輸出控制電路中，各個電源控制器輸出均具有10路220V/50Hz，這些電源控制器在F040主控芯片中采用3.3V供電系統(tǒng)來進行供電。要想使高電壓大電流控制得以實現(xiàn)，設計時需要利用光電隔離來控制信號輸出，然后采用繼電器來達到交流電輸出控制。在輸出電路中，交流電輸出控制在系統(tǒng)可靠性上存在一定欠缺，因此為了強化系統(tǒng)可靠性，需要增設輸出檢測電路，由輸出檢測電路來檢測各路輸出，然后對比輸出控制，從而使系統(tǒng)具備更高的要靠性。對于系統(tǒng)的抗干擾能力來說，考慮到電源控制器相當于混合電平系統(tǒng)，其內(nèi)部既包含CAN網(wǎng)絡接口電平，又包含10路220V/50Hz輸出電平以及3.3V直流電平，因此需要通過光電隔離技術(shù)的有效應用，借助于繼電器來實現(xiàn)利用小信號來控制大信號，從而使系統(tǒng)具備更高的可靠性。

結(jié)語

總而言之，在基于CAN總線的航天電源控制系統(tǒng)設計中，CAN總線憑借其較強的經(jīng)濟性與可靠性，可使系統(tǒng)的電源實時控制能力得到大幅提高，并可實現(xiàn)對航天電源控制系統(tǒng)的標準化與模塊化設計，從而使航天電源控制系統(tǒng)得到進一步的完善。

參考文獻

[1]梁妍，原立格，郝洋洲. 基于STM32的CAN總線接口控制系統(tǒng)設計[J]. 河南科技，2016（11）：95-98.

[2]武曉玥. 機載控制系統(tǒng)的CAN總線設計與應用[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2017，17（06）：43-46.

[3]吳冬. 基于DSP和CAN的航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 電子設計工程，2018，26（18）：59-63.

第一作者簡介：洪小駿（1979.9）男，漢族，江蘇如東人，南京航空航天大學本科，上海航天計算機技術(shù)研究所，工程師，研究方向：軟件。

（作者單位：上海航天計算機技術(shù)研究所）