CN105929337B - 航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天技术领域，涉及一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，具有采集、存储、处理和传输航天器多功能结构锂电池系统工作参数的功能。所述数据处理单元包括用于获取供电电源的电源接口模块、负责数据采集控制和处理的数据处理模块、采集外部信号的数据采集模块以及光纤控制器模块。本发明通过结合故障诊断功能和内置于外部反熔丝PROM中的程序代码，可实现外部最小安全系统，提高单机设备在空间强辐照环境中的生存能力；通过分时复用1553B总线的遥测通道，可作为数传接口下传Flash数据的冗余传输通道，提高数据安全性；通过采用新型电磁屏蔽材料、优化接地设计和滤波器设计，可实现单机良好的电磁兼容性能。

Description

航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元。

背景技术

随着航天技术的发展，高轨道、高价值、长寿命的大型航天器对产品轻量化提出了明确而迫切的需求。多功能结构技术将数据处理、热控、辐射防护、推进、发电和蓄电等功能、分系统或独立单元与航天器结构平台有机融合在一起，可以实现结构、功能与材料一体化成型，消除传统航天器大量冗余重量和体积，实现结构的轻量化。

在航天器众多的分系统中，电源分系统(其中蓄电池部分是电源分系统的主要组成部分)和结构分系统是航天器质量和空间占比最大的分系统之一。航天器多功能结构锂电池系统采用国防科学技术大学新研究的多功能结构锂电池技术，结合先进的结构减振技术、复合材料/固态锂离子电池制备技术，将蓄电池组与结构分系统进行一体化融合设计，实现了结构与电源的高度融合，可以有效减轻航天器平台重量和体积，大大提高航天器的有效载荷比，延长航天器寿命，增加大型航天器的有效空间。

为了获取航天器多功能结构锂电池系统的振动特性、结构支撑性能和蓄电池性能，需要研制新的数据采集设备，对航天器多功能结构锂电池系统在发射阶段及在轨运行期间的结构性能和电池性能数据进行采集、存储、处理和传输。而且该数据采集设备必须满足火箭平台与卫星平台在电磁兼容及可靠性方面的苛刻要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，包括4个功能模块，即电源接口模块、数据处理模块、数据采集模块和光纤控制器模块；所述航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元用于采集、存储、处理和传输航天器多功能结构锂电池系统的试验数据。

所述电源接口模块的一路输入端连接外部卫星一次电源，获取整个数据处理单元的供电电源，另一路输入端接收卫星加断电遥控指令，其输出端为所述数据处理模块、数据采集模块和光纤控制器模块等3个功能模块提供二次电源，并向卫星平台反馈加断电状态遥测参数；

所述数据采集模块输入数据处理模块的控制参数，采集外部的加速度信号、温度信号、电压/电流信号，并输出至数据处理模块进行处理；所述数据处理模块的第一路输入端从数据采集模块获取试验数据，第二路输入端从1553B总线接收卫星数据指令，第三路输入端从RS485总线接收应变数据；

所述光纤控制器模块输入端分别与电源接口模块和数据处理模块连接，完成光纤控制器模块的加断电控制；同时将输入的应变检测光纤的激光信号检测和解析为应变数据，并通过RS485接口输出到数据处理模块。

进一步地，所述电源接口模块包括一次电源接口电路、加断电控制电路、加断电遥测电路、二次电源变换电路。

所述一次电源接口电路的输入端连接外部卫星一次电源，输出端连接加断电控制电路的输入端；所述加断电控制电路输入端连接卫星遥控指令接口，输出端连接到二次电源变换电路和加断电遥测电路；所述加断电遥测电路输入端连接到加断电控制电路，输出端连接到外部卫星遥测接口；所述二次电源变换电路的输入端连接加断电控制电路，输出端连接到其他3个功能模块。

进一步地，所述一次电源接口电路中的过流非平衡保护电路由两个并联保险管MGA-S-125V-1.4A和电阻RX21-1W-0.8Ω组成。

所述二次电源变换电路中的浪涌电流抑制电路利用卫星一次电源给电阻电容回路充电，控制MOS管IRHNJ67230的G极(栅极)的电压逐渐上升，进而控制MOS管DS(源漏极)之间的阻值由无穷大逐渐变小，直至导通电阻降为0.13欧姆，达到控制加电电流斜率的目的。

进一步地，所述二次电源变换电路采用IR公司生产的DC-DC专用滤波器AME280461X提高单机的电磁兼容性能。

进一步地，所述数据处理模块包括处理器电路、固态存储电路、1553B总线接口电路、数据采集控制接口电路、LVDS接口电路和RS485接口电路。所述处理器电路输入端分别连接到数据采集控制电路、固态存储电路、1553B总线接口电路和RS485接口电路，以获取数据(或指令)；同时处理器电路的输出端连接到数据采集控制接口电路、固态存储电路、1553B总线接口电路、LVDS接口电路和光纤控制器电源接口电路，以输出控制信号或者处理后的试验数据。数据采集控制接口电路接收处理器电路的控制信号和数据，并向数据采集模块的模数转换电路及多选一模拟开关电路输出控制信号和控制数据；1553B总线接口电路连接处理器电路和卫星平台的综合电子分系统，实现数据指令和遥测数据的双向通信；LVDS接口电路单向接收处理器电路发送的试验数据，并输出到卫星数传分系统；RS485接口电路接收光纤控制器输出的应变数据，并单向提交给处理器电路进行后期处理。

所述数据处理模块利用内置于ARM的故障诊断代码，结合外部反熔丝PROM中的最小系统代码，在ARM程序异常时跳转执行外部最小安全系统，以提高单机设备在空间强辐照环境中的生存能力。

进一步地，所述数据采集模块由传感器接口电路、传感器滤波电路、多路选一模拟开关电路、信号跟随器电路和模数转换电路组成。所述传感器接口电路驱动外部温度/加速度传感器工作，并获取传感器反馈的传感信号，通过传感器滤波电路后，与电压/电流信号一起，送至多路选一模拟开关电路和信号跟随器电路，最终由模数转换电路变换为数字信号，提交给数据处理模块。

进一步地，所述传感器接口电路中的加速度传感器接口电路采用高通滤波器隔直滤波，消除加速度传感器偏置电压影响。

进一步地，所述光纤控制器模块主要包括光纤控制器加断电控制电路和光纤控制器电路两部分；所述光纤控制器加断电控制电路输入端连接电源接口模块的二次电源变换电路和数据处理模块的处理器电路，输出端连接光纤控制器；光纤控制器一路输入端连接光纤控制器电源接口电路输出的电源，另一路输入端连接外部检测光纤获取应变信号；输出端通过RS485总线连接数据处理模块的RS485接口电路。

进一步地，所述光纤控制器模块以板卡形式集成到单机内部，并采用双RS485通信接口，提高系统可靠性。

进一步地，所述电源接口模块、数据处理模块、数据采集模块均进行备份设计，备份模块确保运转模块失效时，数据处理单元能够正常运行。

进一步地，所述电源接口模块、数据处理模块、数据采集模块和光纤控制器模块在关键电路的电容、电阻元器件在模块中均采用冗余备份设计。

进一步地，所述航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元包含电连接器法兰盘，所述电连接器法兰盘与铝制机壳的接触部分涂覆导电胶，屏蔽电磁辐射，提高单机的电磁兼容性能。

采用本发明获得的有益效果：本发明用于采集、存储、处理和传输航天器多功能结构锂电池系统的试验数据(工作参数)。所采集的信号种类多(温度、电压、电流、应变和加速度信号)、路数多(48路)和速率高(120KHz)；能提供内部数据固存功能和多种数据下传接口功能；同时在产品安全性和可靠性方面进行了重点设计。

附图说明

图1为本发明的组成原理示意框图；

图2为电源接口模块的原理框图；

图3为一次电源接口电路与加断电控制电路图；

图4为二次电源变换电路图；

图5为数据处理模块的处理器电路组成框图；

图6为光纤控制器电源接口电路图；

图7为光纤控制器原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明所述的航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元是航天器多功能结构锂电池系统的重要组成之一，其原理框图如图1所示，主要由电源接口模块、数据处理模块、数据采集模块和光纤控制器模块四部分构成。

所述电源接口模块组成如图2所示，包括一次电源接口电路，加断电控制电路，加断电遥测电路，二次电源变换电路(含二次电源变换(主)电路、二次电源变换(备)电路、测温基准产生电路和加速度传感器加断电控制电路)。电源接口模块在确保卫星平台一次电源安全的前提下，可实现本发明其他3个功能模块的可靠供电。

其中，一次电源接口电路如图3所示，电源接口模块中的过流保护功能由两个并联保险管MGA-S-125V-1.4A(图3中的FUSE1～FUSE2)和电阻RX21-1W-0.8Ω(图3中的R1)组成的非平衡保护电路实现，既能应对正常的浪涌电流，又可有效隔离短路失效故障。

如图3所示，为一次电源接口电路与加断电控制电路图。加断电控制电路主要利用来自卫星平台的4条矩阵指令(HLC)控制双刀双掷磁保持继电器2JB2-2-28B的闭合/断开，实现数据处理单元自身的加电/断电控制。继电器主触点用于电源的通断控制，辅触点用于产生2路继电器状态(DR)遥测量。加断电遥测电路主要由图中标号“DR遥测1+”、“DR遥测1-”两个测点及中间的继电器辅触点组成，卫星可检测这两个测点间的通断关系，判断对应继电器的主触点的闭合/断开状态。

二次电源变换电路如图4所示，卫星提供的一次电源依次通过浪涌电流抑制电路和滤波器后，送至二次电源变换电路中转换成所需的二次电源。浪涌电流抑制电路主要防止数据处理单元加电启动电流过大，对卫星一次电源造成冲击。当数据处理单元收到加电指令后，图中所示“+100V_O”的卫星一次电源开始给电阻R1～R7和电容C1组成的RC(电阻电容)回路充电，MOS管IRHNJ67230的G极(栅极)的电压逐渐上升，导致MOS管DS(源漏极)之间的阻值由无穷大逐渐变小，当G极电压升到12V后，DS之间导通，导通电阻为0.13欧姆。该电路可控制加电电流斜率，避免浪涌电流对卫星一次电源造成较大冲击。AME280461X是IR公司生产的DC-DC专用滤波器，可提高单机的电磁兼容性能。AFL12028S是IR公司生产的DC-DC电源变换模块，产生的+28V电源用于产生IEPE型传感器需要的恒流源和光纤控制器供电，并作为后级DC-DC电源接口模块的输入。MHF+28512T是Interpoint公司生产的DC-DC电源变换模块，用于产生+5V、±12V电源。电路中的C2～C28均为滤波电容，R8为安全限流电阻。

所述数据处理模块是本发明中的核心功能模块，主要完成指令控制、数据处理、存储和传输功能。包括处理器电路、固态存储电路、1553B总线接口电路、数据采集控制接口电路、LVDS接口电路和RS485接口电路。

处理器电路具体组成原理如图5所示。主要组成包括ARM控制器电路、11.0592MHz的时钟电路、32K×8bit PROM电路和1M×16bit SRAM电路、固态存储接口电路、复位及看门狗电路、译码控制电路等。数据处理模块嵌入软件后即构成数据处理单元的智能控制主体，可实现数据处理、热重启计数与管理功能。数据处理模块首先运行ARM内置Flash中的程序代码；在系统异常热重启达到指定阈值后，即转入并运行PROM中的最小安全系统，以提高系统在强辐照环境中的生存能力。

固态存储电路完成采集数据的存储和读取功能；1553B总线接口电路，完成总线指令接收和遥测数据发送功能；数据采集控制电路，产生加速度、温度、电压信号采集所需的控制信号；LVDS接口电路可将ARM控制器提交的数据单向发送给卫星数传分系统；RS485接口电路则单向接收光纤控制器发送的应变采集数据。

数据处理模块以ARM控制器LPC2294为核心进行构建，并使用反熔丝型FPGA产品AX500-1CQ208M，协助ARM控制器实现高速的Flash(固态存储器)数据读/写操作和ADC采集控制操作。FPGA和ARM控制器之间的数据交换与速度匹配通过先进先出(FIFO)芯片实现。

通常模式下，固态存储中的试验数据由高速的LVDS数传接口提交给卫星下传，但存在卫星数传分系统失效的风险。为提高数据传输可靠性，本发明提出分时复用1553B总线的遥测通道，下传固态存储中的试验数据：即在卫星数传分系统失效模式下，可通过将固态存储中的试验数据打包成1553B总线遥测帧，通过卫星遥测通道进行下传，提高Flash固存中的数据安全性。

所述数据采集模块主要由传感器接口及滤波电路、多路选一模拟开关、信号跟随器电路和模数转换电路组成(如图1所示)，主要完成高速的加速度信号和低速的温度/电压信号的协同采集功能。温度传感器接口主要为热敏电阻的两个端子，接口电路主要实现R-V(电阻-电压)变换功能，将输入的电阻量转为电压量供模数转换电路采集。模拟量输入信号为模拟电压信号，电压范围0～5V。加速度信号为加速度传感器输出的带电压偏置的0～28V电压，经过高通滤波器隔直滤波后，进入模拟开关。多选一开关利用模拟开关HI-546组成二级多选一选通网络，实现多选一逻辑。放大/跟随电路选用高阻、宽带低漂零的放大器(型号:OP-27)，以保证对输入信号高阻抗隔离要求，并为模数转换(ADC)芯片提供低输出阻抗，大驱动能力的输入信号。模数转换选用转换时间为2μs的12位ADC芯片AD7892。

所述光纤控制器模块主要包括光纤控制器电源接口电路和光纤控制器电路两部分。光纤控制器电源接口电路如图6所示，可接收ARM控制器发出的加断电控制信号，实现光纤控制器+28V供电电源的通断控制。该接口电路利用三极管(2N2222A)和场效应管(2N6849)组成的2级开关控制电路，实现光纤控制器所需+28V供电电源的通断控制。为提高产品可靠性，关键的开关控制元件均采用冗余备份设计，可有效防止单个器件失效导致电源系统的实效。电路中的C1～C5均为电容，R1～R7为电阻。

光纤控制器以独立的功能模块形式存在于数据处理单元内部，主要实现二次电源变换、光纤传感器的驱动、光信号的解析和数据通信接口等功能。通过光纤控制器电源接口电路，接收电源模块提供的+28V供电；通过2路冗余备份的RS485通信接口，向数据处理模块发送光纤检测到的应变数据。光纤控制器原理如图7所示。其电源模块将外部+28V电源转换成所需的+5V和±12V电源；通过ASE光源产生检测所需的激光信号；通过光环行器和光耦合器将激光分为4个通道，分别送到检测光纤中；主控芯片控制光谱分析模块检测各个应变传感器反射回来激光波长，并解析为所需的应变信号；最终通过RS485接口提交给外部的数据处理模块。光纤控制器采用多通道光性能传感技术，是用FBG(分布式光纤布拉格光栅)传感器对应变物理参量进行测量及监测的信号调制和解调的设备，具备优异的抗电磁干扰性能；为提高通信可靠性，光纤控制器采用双路冗余的RS485通信接口设计；为简化电路和提高可靠性，将传统分离的控制电路、数据处理电路整合到1个FPGA中。结合模块化、轻量化和结构优化设计，光纤控制器模块最终可以单板形式集成到整个数据处理单元中，且测量精度和可靠性得到了有效保证。

由于本发明采用的LVDS接口具有高频特性，易产生56MHz高次谐波辐射干扰；为了提高单机的电磁兼容性能，所述航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元包含电连接器法兰盘，所述电连接器法兰盘与航天器中的铝制机壳的接触部分涂覆导电胶，屏蔽电磁辐射；在电路布线设计方面，将高频信号线布线在内层信号层；将滤波电容布线加宽到30mil，以降低感抗；将电源层相对于地层内缩1mm，同时将边框覆铜的内电层挖空处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：包括4个功能模块，即电源接口模块、数据处理模块、数据采集模块和光纤控制器模块，具有采集、存储、处理和传输航天器多功能结构锂电池系统工作参数的功能；所述电源接口模块的一路输入端连接外部卫星一次电源，获取整个数据处理单元的供电电源，另一路输入端接收卫星加断电遥控指令，其输出端为所述数据处理模块、数据采集模块和光纤控制器模块等3个功能模块提供二次电源，并向卫星平台反馈加断电状态遥测参数；

所述数据采集模块输入数据处理模块的控制参数，采集外部的加速度信号、温度信号、电压/电流信号，并输出至数据处理模块进行处理；所述数据处理模块的第一路输入端从数据采集模块获取试验数据，第二路输入端从1553B总线接收卫星数据指令，第三路输入端从RS485总线接收应变数据；

所述光纤控制器模块输入端分别与电源接口模块和数据处理模块连接，完成光纤控制器模块的加断电控制；同时将输入的应变检测光纤的激光信号检测和解析为应变数据，并通过RS485接口输出到数据处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：所述电源接口模块包括一次电源接口电路、加断电控制电路、加断电遥测电路、二次电源变换电路。

3.根据权利要求2所述的一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：所述一次电源接口电路的输入端连接外部卫星一次电源，输出端连接加断电控制电路的输入端；所述加断电控制电路输入端连接卫星遥控指令接口，输出端连接到二次电源变换电路和加断电遥测电路；所述加断电遥测电路输入端连接到加断电控制电路，输出端连接到外部卫星遥测接口；所述二次电源变换电路的输入端连接加断电控制电路，输出端连接到其他3个功能模块。

4.如权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：所述数据处理模块主要包括处理器电路、固态存储电路、1553B总线接口电路、数据采集控制接口电路、LVDS接口电路和RS485接口电路；所述处理器电路输入端分别连接到数据采集控制电路、固态存储电路、1553B总线接口电路和RS485接口电路，以获取数据；同时处理器电路的输出端连接到数据采集控制接口电路、固态存储电路、1553B总线接口电路、LVDS接口电路和光纤控制器电源接口电路，以输出控制信号或者处理后的试验数据；数据采集控制接口电路接收处理器电路的控制信号和数据，并向数据采集模块的模数转换电路及多选一模拟开关电路输出控制信号和控制数据；1553B总线接口电路连接处理器电路和卫星平台的综合电子分系统，实现数据指令和遥测数据的双向通信；LVDS接口电路单向接收处理器电路发送的试验数据，并输出到卫星数传分系统；RS485接口电路接收光纤控制器输出的应变数据，并单向提交给处理器电路进行后期处理。

5.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：所述数据采集模块由传感器接口电路、传感器滤波电路、多路选一模拟开关电路、信号跟随器电路和模数转换电路组成。

6.根据权利要求5所述的一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：所述传感器接口电路驱动外部温度/加速度传感器工作，并获取传感器反馈的传感信号，通过传感器滤波电路后，与电压/电流信号一起，送至多路选一模拟开关电路和信号跟随器电路，最终由模数转换电路变换为数字信号，提交给数据处理模块。

7.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：所述光纤控制器模块主要包括光纤控制器加断电控制电路和光纤控制器电路两部分；所述光纤控制器加断电控制电路输入端连接电源接口模块的二次电源变换电路和数据处理模块的处理器电路，输出端连接光纤控制器；光纤控制器一路输入端连接光纤控制器电源接口电路输出的电源，另一路输入端连接外部检测光纤获取应变信号；输出端通过RS485总线连接数据处理模块的RS485接口电路。

8.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：所述电源接口模块、数据处理模块、数据采集模块和光纤控制器模块在关键电路的电容、电阻元器件在模块中均采用冗余备份设计。

9.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池系统数据处理单元，其特征在于：所述数据处理单元中的电连接器法兰盘与铝制机壳的接触部分涂覆导电胶。