基于TMS570 的衛(wèi)星配電熱控單元設(shè)計(jì)

山 峰，鄒吉煒，劉樹峰，張 偉，賈 旭

（長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

近年來(lái)，全球商業(yè)航天的發(fā)展步入了快車道，逐漸成為太空經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)點(diǎn)，各國(guó)都在搶占商業(yè)航天的市場(chǎng)份額，分享太空經(jīng)濟(jì)的“蛋糕”[1-2]。從最近10 年的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，全球航天產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，商業(yè)航天已經(jīng)成為全球航天產(chǎn)業(yè)的主要構(gòu)成和主導(dǎo)力量，商業(yè)航天整體向低成本、多樣化、規(guī)模化方向發(fā)展[3-4]。

衛(wèi)星供配電系統(tǒng)是星上變換、調(diào)節(jié)和分配電能的重要分系統(tǒng)，是衛(wèi)星在軌運(yùn)行的安全底線[5-7]。作為衛(wèi)星平臺(tái)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，供配電系統(tǒng)的性能、重量和價(jià)格對(duì)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)有重大的影響[8-9]。國(guó)外小衛(wèi)星配電系統(tǒng)基本上采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，將衛(wèi)星供配電和熱控功能進(jìn)行了集成，Thales Alenia Space 公司研制的低功率電源控制與配電管理單元主要包括分流調(diào)節(jié)模塊、放電調(diào)節(jié)模塊、配電模塊、熱控模塊等，所有模塊內(nèi)部通過(guò)背板實(shí)現(xiàn)電氣連接[10-11]。國(guó)內(nèi)在衛(wèi)星系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)領(lǐng)域起步較晚，一些單位已開展小衛(wèi)星配電熱控系統(tǒng)集成化的相關(guān)研究工作[12-15]，但各家單位設(shè)計(jì)的產(chǎn)品缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)支持，通用性差、擴(kuò)展性不強(qiáng)且研制周期長(zhǎng)，因此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的配電熱控單元的研制具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

在此環(huán)境下，本文采用模塊化思想，設(shè)計(jì)具有功能高度集成的配電熱控管理單元，對(duì)星上配電、熱控功能進(jìn)行整合，增加SADA（太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）驅(qū)動(dòng)、電源監(jiān)測(cè)、軟件在軌重構(gòu)等功能，以高度一體化的方式減少系統(tǒng)功耗、降低單機(jī)重量、去除系統(tǒng)間復(fù)雜的電纜連接，具有成本低廉化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、功能可擴(kuò)展、兼容性良好、易于在軌維護(hù)等特點(diǎn)。

1 整體設(shè)計(jì)

配電熱控單元是星上至關(guān)重要的核心系統(tǒng)部件，本文設(shè)計(jì)的配電熱控單元主要通過(guò)接收中心計(jì)算機(jī)的CAN 總線指令來(lái)完成星上單機(jī)配電、溫度采集、主動(dòng)熱控制、SADA 驅(qū)動(dòng)、電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)、軟件在軌重構(gòu)等功能。系統(tǒng)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要由CPU 模塊、配電驅(qū)動(dòng)模塊、CAN 總線通信模塊、整星熱控模塊、SADA 驅(qū)動(dòng)模塊5 個(gè)部分組成，不同功能模塊通過(guò)內(nèi)總線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，共用同一組數(shù)據(jù)總線，大大節(jié)省了CPU 資源。

圖1 配電熱控單元系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU 系統(tǒng)

CPU 系統(tǒng)是配電熱控單元的核心，主控制器TMS570LS3137 是一款32 位用于安全系統(tǒng)的高性能工業(yè)級(jí)微控制器，封裝為BGA，在“吉林一號(hào)”星座的多顆衛(wèi)星上均有應(yīng)用經(jīng)歷。CPU 系統(tǒng)由微處理器、晶振、看門狗、指令接口電路、通信接口電路等子功能模塊組成，如圖2 所示。CPU 自帶256 KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和3 MB 空間的Flash，因此無(wú)需再配備外擴(kuò)數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)器，程序直接運(yùn)行在Flash 中。

圖2 CPU 系統(tǒng)框圖

2.2 配電驅(qū)動(dòng)電路

星上配電驅(qū)動(dòng)電路主要涉及兩類，即12 V 一次母線配電和5.2 V 二次配電。一次母線配電選用雙通道智能高側(cè)開關(guān)TPS2HB16，接口電路如圖3 所示，芯片電流限制可調(diào)范圍為4.1 A～51.6 A，輸入電壓范圍6 V～18 V，集成熱保護(hù)、接地短路保護(hù)、可配故障處理等芯片保護(hù)功能。5.2 V 配電選用雙通道PMOS 管進(jìn)行配電開關(guān)控制，配電輸出使用電阻分壓作為配電狀態(tài)遙測(cè)進(jìn)行判讀。由于MOS 管是靜電和輻射敏感元器件，在其柵極進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)，包括：柵極接有限流電阻，柵源極之間跨接電阻，防止靜電對(duì)MOS 管的損害，同時(shí)針對(duì)MOS管的單粒子效應(yīng)，將柵極電平控制在單粒子安全工作區(qū)內(nèi)，提高其耐環(huán)境能力。在PCB 布局布線時(shí)，考慮到大功率器件的散熱問(wèn)題，采用大面積覆銅的方式來(lái)加快器件散熱，減少整板的熱耗。

圖3 一次母線配電原理圖

2.3 衛(wèi)星熱控電路

衛(wèi)星的熱控電路主要包括16 路星上溫度采集電路和15 路加熱帶控制電路，溫度采集電路選用多路選通開關(guān)和CPU 片內(nèi)ADC 配合的采集方式，A/D 轉(zhuǎn)換的精度為12 位。由熱敏電阻和10 kΩ 標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)組成分壓電路，以分壓值來(lái)反映被控對(duì)象的溫度變化，溫度采集的原理框圖如圖4 所示。

圖4 溫度采集電路原理框圖

利用三極管搭建加熱帶驅(qū)動(dòng)電路，控制方式為負(fù)端驅(qū)動(dòng)，控制指令由CPU 指令電路輸出，并使用電阻分壓作為熱控狀態(tài)遙測(cè)進(jìn)行判讀，加熱帶驅(qū)動(dòng)接口電路如圖5 所示，為了保護(hù)一次電源，在供電母線正端串接熔斷器完成電源保護(hù)，若加熱帶支路有短路故障發(fā)生，通過(guò)熔斷器的熔斷，能做到故障的隔離。

圖5 加熱器驅(qū)動(dòng)原理圖

2.4 通信電路

整星各系統(tǒng)之間的通信方式主要為CAN 總線通信。主控制器TMS570 內(nèi)部資源豐富，內(nèi)置3 路CAN 總線協(xié)議控制內(nèi)核，因此僅需要外圍掛接相應(yīng)的接口芯片即可實(shí)現(xiàn)CAN 總線功能。配電熱控單元設(shè)計(jì)了一路雙冗余CAN 總線，接口電路如圖6 所示。在芯片電源輸入端串接有限流電阻，并在電源引腳處放置去耦電容，防止發(fā)生空間單粒子閂鎖效應(yīng)。

圖6 CAN 總線接口原理圖

2.5 SADA 驅(qū)動(dòng)電路

配電熱控單元共設(shè)計(jì)兩路相同的SADA 驅(qū)動(dòng)電路，SADA 控制器選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8885。該芯片封裝小，內(nèi)部有欠壓、電荷泵故障、過(guò)流、短路以及過(guò)熱保護(hù)，驅(qū)動(dòng)電路如圖7 所示。

圖7 SADA 控制器驅(qū)動(dòng)原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

配電熱控單元軟件屬于星上單機(jī)嵌入式軟件，軟件架構(gòu)采用中斷前后臺(tái)式結(jié)構(gòu)，主要包括引導(dǎo)層、主程序?qū)?、中斷服?wù)層三個(gè)部分，軟件架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 配電熱控管理單元軟件架構(gòu)圖

引導(dǎo)層主要是在單機(jī)上電或重啟時(shí)完成運(yùn)行軟件的版本選擇、校驗(yàn)和啟動(dòng)。主程序?qū)邮桥潆姛峥剀浖δ軐?shí)現(xiàn)的主體，主要包括初始化配置、數(shù)據(jù)安全防護(hù)、CAN 總線指令處理、遙測(cè)采集、主動(dòng)熱控制、SADA 驅(qū)動(dòng)、電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)、程序在軌重構(gòu)等功能。中斷服務(wù)層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片內(nèi)外部中斷的響應(yīng)及處理。主要包括片外接口中斷，如CAN 總線通信；片內(nèi)中斷，如周期定時(shí)、異常信號(hào)等中斷。

3.2 地址空間

主控芯片F(xiàn)lash 地址空間定義如圖9 所示。已使用的Flash 空間由16 個(gè)扇區(qū)組成，共計(jì)1.25 MB，劃分為8個(gè)區(qū)域，程序區(qū)用于存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)版本的程序數(shù)據(jù)，從起始地址連續(xù)存儲(chǔ)；參數(shù)區(qū)用于保存對(duì)應(yīng)程序區(qū)的程序信息（如程序CRC 值、程序大?。┖蛦?dòng)版本號(hào)。

圖9 配電熱控管理單元Flash 地址空間定義

3.3 軟件功能

配電熱控軟件功能主要包括程序引導(dǎo)、數(shù)據(jù)安全防護(hù)、CAN 總線指令處理、遙測(cè)采集、主動(dòng)熱控制、程序在軌重構(gòu)等功能，主程序流程圖如圖10 所示。系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行引導(dǎo)程序，從三模冗余備份的配電熱控主程序中選擇一個(gè)版本啟動(dòng)，若程序校驗(yàn)正確，跳轉(zhuǎn)至該版本運(yùn)行，并初始化軟件環(huán)境，完成寄存器和全局變量初始化。

圖10 配電熱控單元軟件主程序流程圖

數(shù)據(jù)安全防護(hù)主要是通過(guò)數(shù)據(jù)刷新、校驗(yàn)來(lái)保證片內(nèi)RAM、Flash 數(shù)據(jù)安全性、完整性，包括周期讀取全部RAM 數(shù)據(jù)，觸發(fā)ECC 數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制，防止RAM 數(shù)據(jù)受單粒子等干擾而破壞；周期初始化全部寄存器配置，防止寄存器數(shù)據(jù)受干擾而破壞等。

CAN 總線指令處理是接收并處理來(lái)自中心計(jì)算機(jī)的CAN 總線廣播幀及指令幀，實(shí)現(xiàn)星上單機(jī)配電通斷控制、SADA 驅(qū)動(dòng)、主動(dòng)熱控參數(shù)設(shè)置、遙測(cè)參數(shù)周期采集等，采集參數(shù)包括16 路溫度量、15 路加熱帶通斷狀態(tài)、23 路配電通斷狀態(tài)、6 路電源遙測(cè)參數(shù)等；主控?zé)峥刂剖歉鶕?jù)采集的溫度及熱控參數(shù)，完成整星的加熱帶控制；控制算法有開環(huán)控制、門限控制、趨勢(shì)控制三種，對(duì)不同單機(jī)部件采用不同的控溫策略。

電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)采集太陽(yáng)電池陣電壓、電流、母線電壓、電流、蓄電池電壓等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整星電源系統(tǒng)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、能源異常處理、蓄電池電量計(jì)算、過(guò)放保護(hù)等功能。SADA 監(jiān)測(cè)與控制包括啟?？刂?、轉(zhuǎn)速控制、限位檢測(cè)、故障處理。

為方便在軌維護(hù)，軟件具備將應(yīng)用程序在軌重構(gòu)的能力，根據(jù)地面上注指令，完成程序擦除、寫入、信息讀取等在軌重構(gòu)功能。

4 功能測(cè)試

4.1 地面測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的配電熱控單元包絡(luò)尺寸為94 mm×96 mm×39 mm（不含甩線），重量為542 g，安裝在衛(wèi)星綜合電箱內(nèi)部，實(shí)物圖和安裝位置如圖11 所示。

圖11 配電熱控單元實(shí)物與星上安裝位置圖

地面搭建單機(jī)功能測(cè)試環(huán)境，編寫測(cè)試軟件，對(duì)配電熱控單元進(jìn)行功能測(cè)試，并根據(jù)試驗(yàn)要求完成力學(xué)試驗(yàn)、熱循環(huán)、熱真空等環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)單機(jī)功能進(jìn)行復(fù)測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均正常，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 配電熱控單元功能測(cè)試結(jié)果

4.2 在軌測(cè)試

以長(zhǎng)光衛(wèi)星2023 年最新發(fā)射的“吉林一號(hào)”平臺(tái)01星為例，衛(wèi)星于2023 年1 月15 日入軌，通過(guò)遙測(cè)軟件“衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)”獲取配電熱控單元在軌期間的各項(xiàng)遙測(cè)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星在軌期間兩側(cè)SADA 在跟蹤模式下的輸出軸期望位置與實(shí)際位置的角度偏差，如圖12 和圖13 所示，可以看出，角度偏差值在±2°以內(nèi)，優(yōu)于姿軌控系統(tǒng)控制指標(biāo)不超5°的要求。

圖12 +Y 側(cè)SADA 在軌角度差

圖13 -Y 側(cè)SADA 在軌角度差

選取15 路控溫回路中的2 路控溫?cái)?shù)據(jù)，圖14 為相機(jī)-Y側(cè)相機(jī)桁架桿溫度，控溫門限為22.8 ℃～23.2 ℃，圖15 為相機(jī)主鏡溫度，控溫門限為19.5 ℃～20.5 ℃，均為趨勢(shì)控溫，可以看出遙測(cè)溫度均在控溫范圍內(nèi)且控溫效果明顯優(yōu)于指標(biāo)要求。

圖14 相機(jī)-Y 側(cè)桁架桿溫度

圖15 相機(jī)主鏡溫度

衛(wèi)星在軌期間，星上各類單機(jī)累計(jì)上下電7 900 余次，均未出現(xiàn)配電異常情況。目前，該配電熱控單元已先后應(yīng)用在天津大學(xué)一號(hào)衛(wèi)星、云遙系列、“吉林一號(hào)”魔方系列、紅外遙感系列、高分06 系列、平臺(tái)系列等累計(jì)65 顆衛(wèi)星，已經(jīng)在軌應(yīng)用12 顆，最長(zhǎng)在軌工作20 個(gè)月，各項(xiàng)功能指標(biāo)正常，在軌性能良好。

5 結(jié)論

本文以TMS570 控制器為核心，設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星配電熱控管理單元，采用內(nèi)總線架構(gòu)，集成星上配電、主動(dòng)熱控制、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、電源狀態(tài)檢測(cè)等功能，具有平臺(tái)開銷小、帶載能力強(qiáng)、搭載成本低、總裝集成快、在軌易維護(hù)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在商業(yè)航天快速迭代的微小衛(wèi)星批量生產(chǎn)中。