衛星電源控制器軟件標準化開發平臺設計

宛傳友，劉宴華，侯 飛，陳志緣，鄧 濤

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

電源控制器（PCU）是衛星電源分系統的關鍵設備，其主要功能是調節太陽電池陣、蓄電池組和衛星負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，主要完成總線網絡通信協議規定的應答操作、通過總線通信網絡完成遙測傳送和指令接收等功能[2]。如今衛星型號任務研制周期短，對軟件產品快速開發的需求尤為突出。但目前衛星電源分系統研制過程中，PCU下位機模塊軟件的開發調試均依賴于下位機模塊硬件。主要表現為：在研制初期，下位機軟件開發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，而屆時若軟件出現問題將會耗費大量人力成本去排故，導致型號進度壓力倍增。

針對這種情況，本文設計了一種衛星電源控制器軟件標準化開發平臺。該硬件平臺主要包括現場可編輯門陣列（FPGA）控制單元、型號常用的驅動電路單元和總線通信單元等。下位機模塊軟件開發人員根據任務需求，可以提前在該平臺上實現軟件代碼的調測試，為后續下位機模塊的調測試奠定基礎。

1 開發平臺整體方案設計

隨著越來越多的PCU下位機模塊首選FPGA作為核心控制器，因此本標準化開發平臺是基于A3P1000 FPGA進行設計。標準化開發平臺整體結構如圖1所示，按照功能可以分為電源模塊、控制單元、驅動電路單元和總線通信單元等。

圖1 標準化開發平臺整體結構框圖

2 單元設計和功能分析

2.1 電源模塊

標準化開發平臺用到的電壓等級分別為5、3.3和1.5 V，需要給驅動電路單元、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，需要經過電壓轉換芯片轉換成相應的標準電壓。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，并且具有過熱保護和限流短路保護功能，是一款比較理想的降壓芯片[3]，選用LM2678-5 V和LM2678-3.3 V分別產生5 V和3.3 V的電壓提供給驅動電路單元和總線通信單元等。由于FPGA作為核心控制器，為了保證其穩定可靠，需要單獨設計電源，選用AMS公司生產的AMS1117系列低壓差線性穩壓器（LDO），該系列芯片可將4.2～12 V的輸入電壓轉換為穩定輸出的標準電壓，最高輸出1 A電流[4]，選用AMS1117-3.3 V和AMS1117-1.5 V分別產生3.3 V和1.5 V提供給FPGA芯片，電源模塊結構框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊結構框圖

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、復位電路和JTAG下載口等組成。標準開發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）、內嵌RAM模塊（BRAM）和時鐘調整電路模塊（CCC）[5]，功能強大，內部資源豐富，可比較方便地在片外添加相應外設，完全能夠滿足軟件開發需求。FPGA的供電電源主要是內核的1.5 V電壓和外設的3.3 V電壓。選用24 MHz的有源晶振提供穩定的時鐘輸入。選用ISSI公司生產的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]。復位電路采用電阻和電容上電復位電路提供復位信號。FPGA的程序下載是標準的JTAG下載口，采用外部燒錄器進行程序燒錄。FPGA最小系統電路如圖3所示。

圖3 FPGA最小系統電路

2.3 驅動電路單元

衛星PCU下位機模塊需要處理遙測、遙控等信號，驅動電路單元主要由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具有三態輸出的16位2.5～3.3 V或者3.3～5 V電平轉換收發器。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型觸發器，用于保存選通從“1”到“0”的跳變之前顯示的最新輸入數據，對該輸入數據進行解碼，并激活相應的輸出[7]。ULN2803是八路NPN達林頓連接晶體管陣系列，特別適用于低邏輯電平數字電路和較高的電流或電壓要求之間的接口。設計LDE指示燈來直觀地顯示出OC指令的輸出情況，方便軟件調試人員進行調測試。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換芯片，也可以作為TTL指令輸出芯片，其輸出電流驅動能力為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，其內部包括一個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。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性（雙電源供電）運算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調電壓的特點。AD574是ADI公司生產的12位逐次逼近型模擬數字轉換器電路，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構成的1553B總線協議處理芯片，在FPGA和1553B外部線纜之間實現MIL-STD-1553B數據通信，芯片通信速率為標準的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，主要用于移動目標和一般工業環境中的區域網絡控制。TJA1040是控制器局域網CAN協議控制器和物理總線之間的接口芯片，有優秀的EMC性能而且在不上電狀態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動器，三態輸出具有驅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字數據傳輸，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 開發平臺硬件實物圖

軟件標準化開發平臺的實物如圖10所示，其中10（a）是驅動電路單元，10（b）是FPGA控制和總線通信單元。衛星PCU下位機軟件開發人員根據任務需求將2塊印制板進行連接，進行軟件代碼的提前調測試。

圖10 軟件標準化開發平臺的實物

4 結束語

本文提出的衛星電源控制器軟件標準化開發平臺，改變了傳統衛星PCU下位機模塊軟件的開發方式，解決了下位機軟件開發人員需要等待下位機模塊硬件到位才能進行調測試的窘境。經過多個型號的驗證，結果表明該開發平臺的適配性強，穩定性高，加快了型號單機的研制進度，可以為后續衛星型號的研制提供借鑒。