基于1553B總線的溫度控制裝置設(shè)計

王偉偉 金文 葛立 閆新峰 王楊

摘要：針對航天飛行器在高空掛飛過程中，外界溫度低于-40℃，很多元器件的無法正常工作，從而導致產(chǎn)品無法啟動或工作出現(xiàn)故障。本文采用基于DSP的1553B總線技術(shù)以及采用高可靠性硬件比較電路實現(xiàn)對飛行器艙內(nèi)溫度的控制，使其保持在10℃～30℃之間，從而保證艙內(nèi)設(shè)備能夠正常工作，提高系統(tǒng)安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：1553B總線技術(shù);硬件比較電路;溫度控制

中圖分類號：TM571 ? 文獻標識碼：A ?文章編號：1007-9416（2020）06-0000-00

0引言

在航空航天應用領(lǐng)域，溫度環(huán)境對產(chǎn)品的性能影響巨大。在上萬米的高空中，外界空氣溫度很低，常常會到達-40℃甚至更低。而一般的進口元器件工業(yè)級的穩(wěn)定工作溫度為-40℃。低于該溫度，不能保證芯片的正常工作，往往會出現(xiàn)各種不確定的異常現(xiàn)象，導致整個產(chǎn)品工作異常，從而導致整個系統(tǒng)失效。同時目前國產(chǎn)化在如火如荼地進行著，但國產(chǎn)器件的溫度特性和穩(wěn)定性還需要試驗進一步驗證，因此在低溫環(huán)境中無法保證芯片正常工作的情況下，能夠想到的就是為芯片提供一個“保溫環(huán)境”，即讓其工作在適宜的工作環(huán)境中[4，5]，從而保證功能的正確性。

本文針對掛飛試驗中對溫度的要求，設(shè)計了一種溫度控制裝置，該裝置能夠?qū)⑴搩?nèi)溫度控制在10℃～30℃，保證艙內(nèi)設(shè)備能夠正常工作，并通過1553B總線[1-3]將控溫結(jié)果報送給地面測試系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

1總體設(shè)計方案

溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度控制裝置和加熱元件組成。溫度傳感器采集環(huán)境溫度，溫度控制裝置根據(jù)環(huán)境溫度啟動或關(guān)閉加熱元件，從而將溫度控制在一定的溫度范圍內(nèi)。為了提高加熱效率，整個系統(tǒng)的供電電壓為100V，加熱元件的功率將近2000W，通過加熱元件的通斷實現(xiàn)對艙內(nèi)溫度的控制，并通過1553B總線將溫度值及控制情況上報給地面測試系統(tǒng)。

為了保證溫度控制的準確性和安全性，設(shè)計時使用了軟硬件分開設(shè)計的方法。即硬件電路控制加熱元件的工作狀態(tài)，軟件只管采集溫度和工作狀態(tài)，然后通過1553B總線上報結(jié)果，不參與控制。溫度控制裝置采用板卡插背板的設(shè)計方式，主要由5個板卡組成，分別為電源模塊、接口模塊和3個溫控模塊，3個溫控模塊分別對應了三個加熱元件，分成3個區(qū)域，每個區(qū)域有3個溫度傳感器，互相備份，使用三判二方式對溫度進行判斷，提高系統(tǒng)的可靠性。溫度控制裝置的組成框圖如圖1所示。

由圖所示，100V供電電壓輸入，經(jīng)過電源模塊后，轉(zhuǎn)換成5V電壓供后面的接口模塊和溫控模塊使用，接口模塊使用1553B總線和外面系統(tǒng)進行通信，將9路溫度采集值和三路加熱元件開關(guān)狀態(tài)反饋給其他系統(tǒng)。3個溫控模塊根據(jù)外面3個溫度傳感器的電壓值進行三判二處理，根據(jù)不同的閾值控制繼電器對加熱元件進行加熱或停止加熱。下面對每個模塊的設(shè)計原理進行描述。

1.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊的主要由EMI濾波器、DC/DC轉(zhuǎn)換模塊組成，為了降低文波，提高5V電源質(zhì)量，增加了共模濾波和差模濾波器，輸出工作電流可達3A。電源模塊組成框圖如圖2所示。

電源濾波模塊輸入前端為了防止輸入端電壓正負接反并且保護輸入端電源，設(shè)計中在EMI濾波器輸入正端串聯(lián)了1對并聯(lián)的整流二極管，同時為了抑制外界引入的高脈沖對元器件的損害，加入了一個單向的瞬態(tài)抑制二極管進行保護。

1.2 接口模塊設(shè)計

接口模塊使用B61580芯片來實現(xiàn)1553B總線通信技術(shù)。B61580總線控制器是針對1553B總線通信系統(tǒng)研制的專用接口控制電路，為1553B總線通訊系統(tǒng)中的核心控制芯片，完成系統(tǒng)中的BC/RT/MT功能，用于通訊系統(tǒng)中核心數(shù)據(jù)的傳輸。使用范圍涉及航天和軍用領(lǐng)域，其同譜產(chǎn)品目前已被廣泛應用于太空飛船、火箭、衛(wèi)星、核工業(yè)、船舶及武器裝備等關(guān)系國防安全的關(guān)鍵設(shè)備上。

接口模塊的核心控制芯片采用TI的DSP TMS320F2812來控制1553B協(xié)議芯片B61580實現(xiàn)RT功能和控制系統(tǒng)進行通信，具體設(shè)計框圖如圖3所示。

其中CPLD完成B61580和DSP之間的電平轉(zhuǎn)換、邏輯控制功能，通過中斷的方式通知DSP對1553B消息進行處理。對13路數(shù)據(jù)的采集使用DSP自帶的12位ADC，分AB兩個通道，共16路，信號從背板引入。從溫度控制模塊過來的12路信號，經(jīng)過射隨器阻抗變換后進入DSP的ADC模塊進行采集。

1.3 溫控模塊設(shè)計

溫控模塊主要包括電壓比較電路、邏輯控制電路以及加熱控制電路。電路比較電路完成對3路溫度值轉(zhuǎn)換成的電壓值進行比較，邏輯控制電路完成三判二功能，加熱控制電路完成對加熱元件的控制。

1.3.1 電壓比較電路

電壓比較電路由測溫電路和電壓比較器組成。測溫電路是由電阻組成電路。溫度傳感器的輸出作為控溫閾值，測溫電路的輸出接到電壓比較器的輸入端，電壓比較器的輸入端與設(shè)定的控溫閾值進行比較，輸出高低電平。

當環(huán)境溫度較低時，比較器輸入低于設(shè)定的控溫閾值下限，比較器輸出高電平，當環(huán)境溫度較高時，比較器輸入高于設(shè)定的控溫閾值上限，使比較器輸出低電平。電壓比較電路輸出的高低電平首先進入邏輯控制電路，當3路比較器的輸出電平2路為高時，控制其后的驅(qū)動電路導通，加熱回路閉合，加熱器開始加熱，環(huán)境溫度上升;當3路比較器的輸出電平中2路為低時，控制其后的驅(qū)動電路截止，加熱回路斷開，加熱器停止加熱，環(huán)境溫度下降。這樣，比較回路反復如此，達到控溫效果。單路電壓比較電路見圖4。

1.3.2 邏輯控制電路

邏輯控制電路主要實現(xiàn)三判二控制功能，電路實現(xiàn)原理圖如圖5所示。

三路比較器輸出中，任意兩路達到加熱要求，輸出高電平電壓，控制繼電器打通，加熱器加熱;相反，任意兩路達到停止加熱要求，輸出低電平，控制繼電器關(guān)斷，加熱器停止加熱。

1.3.3 加熱控制電路

本設(shè)計中，加熱器的開關(guān)控制由固體繼電器實現(xiàn)。固體繼電器是具有隔離功能的電子開關(guān)，是由半導體器件和無源元件組成，利用光電子和微電子技術(shù)實現(xiàn)控制電路（輸入端）與負載電路（輸出端）之間的電耦合和電隔離，無任何可動部件。固體繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有與邏輯電路兼容、開關(guān)速度快、輸出接通電阻穩(wěn)定、抗干擾能力強、對外界干擾小、壽命長、工作可靠性高等突出的特點。

2 關(guān)鍵技術(shù)應用驗證

2.1 基于DSP的1553B總線控制技術(shù)

設(shè)計中使用到1553B控制芯片為B61580，使用DSP作為控制B61580的控制處理芯片，來完成對B61580的控制，實現(xiàn)RT功能。DSP對B61580的控制分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。B61580有一些控制硬件需要給特定的控制電平，如RT配置引腳，非零等待模式配置、讀寫極性設(shè)置、16bit或8bit設(shè)置等，需要根據(jù)實際設(shè)計給出確定的電平。硬件設(shè)計時一個重要的信號是Ready，是DSP控制B61580進行讀寫控制的握手信號。該信號需要經(jīng)過反向后引入到DSP的XINTF引腳的Ready引腳上，這樣就能實現(xiàn)對B61580的正確讀寫。

硬件設(shè)置完成后，需要根據(jù)B61580的手冊對其進行軟件配置，主要包括寄存器設(shè)置和RAM區(qū)設(shè)置，寄存器設(shè)置如表1，RAM區(qū)設(shè)置如表2。

按照上面表1和表2中的設(shè)計參數(shù)，初始化完成后，B61580開始工作。上面的初始化中設(shè)置了幾個子地址分別為：接收子地址1、發(fā)送子地址1、發(fā)送子地址10、發(fā)送子地址14和發(fā)送子地址15。需要注意的是，在寄存器0x01設(shè)置需要在RAM區(qū)設(shè)置完成后再設(shè)置，否則會因為B61580未初始化完成就開始工作，導致數(shù)據(jù)錯誤地存放到其他區(qū)域，從而使得通信出現(xiàn)異常。經(jīng)過對B61580的軟硬件正確設(shè)置后，就可以根據(jù)1553B軟件協(xié)議，進行數(shù)據(jù)處理，從而實現(xiàn)1553B總線通信。

2.2 溫控模塊參數(shù)選擇

本設(shè)計中溫控模塊的控溫功能是中重點。其中溫控模塊中的單路電壓比較電路來實現(xiàn)溫度控制的轉(zhuǎn)折點。由于溫度為緩變參數(shù)，系統(tǒng)要求控溫范圍為10℃～30℃，通過仿真計算，設(shè)計控溫轉(zhuǎn)折點分別為17℃和23℃，即外界溫度小于17℃時溫控模塊接通繼電器開始對加熱元件加熱;外界溫度大于23℃時關(guān)斷繼電器停止加熱元件加熱。通過理論計算，選取圖4中R1為精密電阻1.8K，R2、R4為精密電阻10K，R3為精密電阻8K，反饋電阻R5為精密電阻82K。選取上述電阻參數(shù)進行了電路驗證，該電路在供電5V的情況下能正常工作，運放輸出3.7V左右，控溫范圍為17℃～23℃，滿足總體要求。

2.3 AD采集校準

本設(shè)計使用到了DSP芯片自帶的AD芯片，設(shè)計時并沒有再外置專用的ADC芯片。DSP內(nèi)部有16路12位AD轉(zhuǎn)換器，理論上來講，ADC模塊的采樣精度還是可以的。但在實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，每個DSP的ADC采集值差別很大，誤差最大都超過了15%，這給實際應用帶來很多問題。設(shè)計時為DSP的ADC輸入端增加了兩路標準電壓5V和3.3V采集電路，由于模擬量輸入和數(shù)字量輸出之間存在Y= a ×X + b的關(guān)系，則根據(jù)兩路的標準電壓計算出線性系數(shù)a和b，然后作為其他通道的系數(shù)進行補償。經(jīng)過該補償后各設(shè)備各通道之間的誤差控制在2%范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)需求。

3 總結(jié)

本文針對飛行器掛飛過程中存在的超低溫環(huán)境，設(shè)計了一種溫度控制裝置，該裝置采用基于DSP的1553B總線技術(shù)、可靠的硬件控制電路以及AD采集補償技術(shù)，實現(xiàn)了根據(jù)外界溫度環(huán)境的變化實時對加熱元件進行控制，將溫度控制在10℃～30℃，保證了設(shè)備的穩(wěn)定工作，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

參考文獻

[1] 趙月琴.基于BU-61580的嵌入式終端設(shè)計[J].航空兵器，2004（4）：28-31.

[2] 張浩，葉衛(wèi)東.用BU-61580實現(xiàn)微處理器1553B總線的連接[J].測控技術(shù)，2000，19（5）：58-59.

[3] 林強，熊華鋼，張其善.DSP在1553總線接口技術(shù)中的應用[J].微計算機應用，2004，25（3）：339-342.

[4] 張立眾.PID現(xiàn)場實驗整定法在溫度控制系統(tǒng)中的運用研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)， 2009（1）：362-364.

[5] 樊軍慶，張寶珍.溫度控制理論的發(fā)展概況[J].工業(yè)爐，2008，30（6）：12-14.

收稿日期：2020-05-14

作者簡介：王偉偉（1986—），男，河北衡水人，碩士研究生，工程師，研究方向：數(shù)字信號處理。