衛(wèi)星電源控制器軟件標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺設(shè)計

宛傳友，劉宴華，侯 飛，陳志緣，鄧 濤

（上海空間電源研究所，上海 200245）

電源控制器（PCU）是衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是調(diào)節(jié)太陽電池陣、蓄電池組和衛(wèi)星負(fù)載之間的功率平衡等[1]，下位機模塊又是PCU的控制中心，由軟件與硬件組成，主要完成總線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議規(guī)定的應(yīng)答操作、通過總線通信網(wǎng)絡(luò)完成遙測傳送和指令接收等功能[2]。如今衛(wèi)星型號任務(wù)研制周期短，對軟件產(chǎn)品快速開發(fā)的需求尤為突出。但目前衛(wèi)星電源分系統(tǒng)研制過程中，PCU下位機模塊軟件的開發(fā)調(diào)試均依賴于下位機模塊硬件。主要表現(xiàn)為：在研制初期，下位機軟件開發(fā)人員面臨無硬件條件下編程的窘境，待后期硬件到位時方能驗證下位機軟件的正確性，而屆時若軟件出現(xiàn)問題將會耗費大量人力成本去排故，導(dǎo)致型號進(jìn)度壓力倍增。

針對這種情況，本文設(shè)計了一種衛(wèi)星電源控制器軟件標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺。該硬件平臺主要包括現(xiàn)場可編輯門陣列（FPGA）控制單元、型號常用的驅(qū)動電路單元和總線通信單元等。下位機模塊軟件開發(fā)人員根據(jù)任務(wù)需求，可以提前在該平臺上實現(xiàn)軟件代碼的調(diào)測試，為后續(xù)下位機模塊的調(diào)測試奠定基礎(chǔ)。

1 開發(fā)平臺整體方案設(shè)計

隨著越來越多的PCU下位機模塊首選FPGA作為核心控制器，因此本標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺是基于A3P1000 FPGA進(jìn)行設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，按照功能可以分為電源模塊、控制單元、驅(qū)動電路單元和總線通信單元等。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺整體結(jié)構(gòu)框圖

2 單元設(shè)計和功能分析

2.1 電源模塊

標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺用到的電壓等級分別為5、3.3和1.5 V，需要給驅(qū)動電路單元、FPGA控制單元和總線通信單元供電。整個平臺供電采用外部12 V輸入，需要經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。由于平臺所需的電流比較大，因此選用TI公司的LM2678系列芯片，該系列是一款開關(guān)型的電源管理芯片，體積小、速率高且功能強，可承受最大5 A的電流，在4 A左右的電流下可長時間工作，具有較高的變換效率，并且具有過熱保護(hù)和限流短路保護(hù)功能，是一款比較理想的降壓芯片[3]，選用LM2678-5 V和LM2678-3.3 V分別產(chǎn)生5 V和3.3 V的電壓提供給驅(qū)動電路單元和總線通信單元等。由于FPGA作為核心控制器，為了保證其穩(wěn)定可靠，需要單獨設(shè)計電源，選用AMS公司生產(chǎn)的AMS1117系列低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），該系列芯片可將4.2～12 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓，最高輸出1 A電流[4]，選用AMS1117-3.3 V和AMS1117-1.5 V分別產(chǎn)生3.3 V和1.5 V提供給FPGA芯片，電源模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.2 FPGA控制單元

FPGA控制單元主要由A3P1000芯片、供電電路、晶振電路、SRAM存儲電路、復(fù)位電路和JTAG下載口等組成。標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)平臺的核心控制器選擇ACTEL公司ProASIC3系列FLASH型FPGA，該系列主要包含以下部分模塊：輸入輸出模塊（IOB）、可編程邏輯單元（Tiles）、內(nèi)嵌RAM模塊（BRAM）和時鐘調(diào)整電路模塊（CCC）[5]，功能強大，內(nèi)部資源豐富，可比較方便地在片外添加相應(yīng)外設(shè)，完全能夠滿足軟件開發(fā)需求。FPGA的供電電源主要是內(nèi)核的1.5 V電壓和外設(shè)的3.3 V電壓。選用24 MHz的有源晶振提供穩(wěn)定的時鐘輸入。選用ISSI公司生產(chǎn)的IS62LV256AL芯片作為外部存儲芯片，該型存儲器容量為32 KB，具有訪問時間短，低功耗等特點[6]。復(fù)位電路采用電阻和電容上電復(fù)位電路提供復(fù)位信號。FPGA的程序下載是標(biāo)準(zhǔn)的JTAG下載口，采用外部燒錄器進(jìn)行程序燒錄。FPGA最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 FPGA最小系統(tǒng)電路

2.3 驅(qū)動電路單元

衛(wèi)星PCU下位機模塊需要處理遙測、遙控等信號，驅(qū)動電路單元主要由OC指令輸出電路、TTL指令輸出電路和AD采樣電路等組成。OC指令輸出電路主要由SN74ALVC164245、CD4514、ULN2803和LED等組成，其中SN74ALVC164245具有三態(tài)輸出的16位2.5～3.3 V或者3.3～5 V電平轉(zhuǎn)換收發(fā)器。CD4514具有鎖存輸入的4到16譯碼器，在選定的輸出端輸出高電平，即邏輯“1”，其輸入鎖存器是RS型觸發(fā)器，用于保存選通從“1”到“0”的跳變之前顯示的最新輸入數(shù)據(jù)，對該輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并激活相應(yīng)的輸出[7]。ULN2803是八路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣系列，特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流或電壓要求之間的接口。設(shè)計LDE指示燈來直觀地顯示出OC指令的輸出情況，方便軟件調(diào)試人員進(jìn)行調(diào)測試。其中FPGA與OC指令接口電路如圖4所示。

圖4 FPGA與OC指令接口電路

TTL指令輸出電路采用的是TI公司的SN74ALVC164245芯片，該芯片除了作為電平轉(zhuǎn)換芯片，也可以作為TTL指令輸出芯片，其輸出電流驅(qū)動能力為8 mA以上，將其輸出端的信號輸入到LED指示燈，可以直觀地觀察TTL電平的執(zhí)行情況，其中FPGA與TTL指令接口電路如圖5所示。

圖5 FPGA與TTL指令接口電路

AD采樣電路主要由SN74ALVC164245、CD4067、OP07和AD574等芯片組成。其中CD4067芯片為16路模擬開關(guān)，其內(nèi)部包括一個16選1的譯碼器和被譯碼輸出所控制的16個雙向模擬開關(guān)。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性（雙電源供電）運算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調(diào)電壓的特點。AD574是ADI公司生產(chǎn)的12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路，由電壓比較器、控制邏輯電路、逐次逼近寄存器、高精度基準(zhǔn)電壓源和時鐘等單元組成[8]，其中FPGA與AD采樣接口電路如圖6所示。

圖6 FPGA與AD采樣接口電路

2.4 總線通信單元

1553B總線通信電路主要由BU-61580、SN74ALV C164245和PM-2725等芯片組成。其中BU-61580是一種CMOS構(gòu)成的1553B總線協(xié)議處理芯片，在FPGA和1553B外部線纜之間實現(xiàn)MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)通信，芯片通信速率為標(biāo)準(zhǔn)的1Mb/s，BU61580芯片可被選擇為BC、RT或MT工作方式[9]。隔離變壓器使用的是HOLT公司的PM-2725芯片。其中FPGA與1553B總線接口電路如圖7所示。

圖7 FPGA與1553B總線接口電路

CAN總線通信電路主要由SJA1000T、TJA1040和SN74ALVC164245等芯片組成。其中SJA1000T是NXP公司推出的一款獨立的CAN控制器，主要用于移動目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。TJA1040是控制器局域網(wǎng)CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口芯片，有優(yōu)秀的EMC性能而且在不上電狀態(tài)下有理想的無源性能。其中FPGA與CAN總線接口電路如圖8所示。

圖8 FPGA與CAN總線接口電路

RS422總線通信電路主要由AM26C31、AM26C32和SN74ALVC164245等芯片組成。其中AM26C31器件是具有互補輸出的差分線路驅(qū)動器，三態(tài)輸出具有驅(qū)動平衡線路的高電流能力。AM26C32是四路差動線路接收器的平衡或不平衡的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，使能功能是共用的所有4個接收器，并提供了高電平有效選擇或低電平有效的輸入。其中FPGA與RS422總線接口電路如圖9所示。

3 開發(fā)平臺硬件實物圖

軟件標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺的實物如圖10所示，其中10（a）是驅(qū)動電路單元，10（b）是FPGA控制和總線通信單元。衛(wèi)星PCU下位機軟件開發(fā)人員根據(jù)任務(wù)需求將2塊印制板進(jìn)行連接，進(jìn)行軟件代碼的提前調(diào)測試。

圖10 軟件標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺的實物

4 結(jié)束語

本文提出的衛(wèi)星電源控制器軟件標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)平臺，改變了傳統(tǒng)衛(wèi)星PCU下位機模塊軟件的開發(fā)方式，解決了下位機軟件開發(fā)人員需要等待下位機模塊硬件到位才能進(jìn)行調(diào)測試的窘境。經(jīng)過多個型號的驗證，結(jié)果表明該開發(fā)平臺的適配性強，穩(wěn)定性高，加快了型號單機的研制進(jìn)度，可以為后續(xù)衛(wèi)星型號的研制提供借鑒。