CN109756103A - 一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统及控制方法，针对未来在轨批量化飞行试验的供配电可靠性需求，提出了一种支持多目标集中供配电管理的高可靠实时控制系统设计和控制方案。本发明先提出了一种用于飞行验证的供配电控制系统设计，包括了外部载荷接口、试验单元接口和供配电单元三部分；基于上述系统设计了基于分级响应的供电保护策略，用于对试验单元电流异常现象进行响应；对于供配电单元在轨远程控制的高可靠需求，本发明提出了基于“指令序列+XOR一致性校验”的远程控制方法，以提高空间环境下供配电控制的可靠性，并增加了系统设计的灵活性和可扩展性。本发明可为未来空间站在轨批量化飞行试验提供关键技术支撑。

Description

一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于空间飞行验证的供配电控制系统及控制方法，具体面向未来宇航在轨飞行验证平台设计，用于实现高可靠、灵活性的飞行验证平台供配电控制。

背景技术

随着未来中国空间站的即将建成，一大批在轨飞行试验项目即将开展，而供配电单元作为在轨试验单元的重要支撑平台，既需要满足所有试验单元的各种供电需求，同时还应确保故障试验单元的出现不会影响其他试验单元的正常工作。供配电单元设计一直是航天产品设计中的重要环节，也是容易导致型号失败的关键部件。

国外航天器供配电单元设计先后经历了传统测控管理阶段、初级供配电管理阶段和智能自主管理三个阶段。第一个阶段传统测控管理主要通过人工地面监测和发送遥控指令的方式进行供配电管理。具体产品设计主要采用熔断器和简单的过流保护电路进行供配电故障的隔离和保护，是最简单的一种“硬处理”方式；第二个阶段是初级供配电管理阶段，主要通过在航天器上采用“软件”与“硬件”相结合的方式，解决供配电分系统故障隔离和蓄电池充放电、再调整等自主管理，如NASA航天飞机供电故障管理技术和“哈勃”空间望远镜在轨供电调整管理技术等；第三个阶段是当前宇航型号中重点发展的智能自主管理阶段，主要面向长寿命、高可靠、高实时等复杂飞行任务需求。在该阶段不仅要进行航天器供配电管理、监测，还应在保证安全性和可靠性的同时，进行自主故障诊断和预测，同时对供配电单元提出了智能化和小型化要求。在轨航天器供配电管理应充分利用在轨实时处理的优势，根据供配电实时监测参数和飞行阶段任务执行情况，在无需地面干预的情况下完成自主供电故障诊断、隔离和恢复。如NASA重返月球和火星计划任务提出的基于设备级和部件级的智能化供配电管理方案。

国内传统航天供配电设计多采用“冷备份/热备份+自主切机”控制方式进行设计，处于上述第二阶段到第三阶段的过渡段。冷备份为针对不同的供配电目标提供输入输出接口、内部设计完全相同的两个物理模块(电路板单元)，在实际工作时只有一份在上电工作,另一份单元则断电处于关机状态，一旦正工作的单元发生故障，则平台通过遥控指令或自主关闭故障单元，启动备份单元。热备份设计则是针对同一供配电目标设计两份完全相同的供电电路，两份电路的输出和输入采用同源设计，在实际工作时同时加电工作，互为备份，当某分供配电异常时可通过另一份对输出电流进行补偿，实现一个冗余容错设计。

未来宇航型号中的供配电单元发展将朝着小型化、高可靠、自主性和长寿命方向发展，传统依赖地面测控完成在轨飞行器供配电维护的方式已无法满足任务需求，亟需航天器自主进行供配电输出控制和实时监测，实现自主工作能力。中国在建的空间站平台将为宇航国产元器件和组件提供批次化、长周期和常态化的飞行验证平台，满足元器件在轨飞行试验验证需求。因此设计一个支持多目标飞行验证的高可靠、低成本和可扩展的供配电方案，为今后在轨飞行验证平台设计提供关键技术支撑，是未来宇航在轨飞行验证任务的需要，也是提高自主飞行验证水平的需要。

发明内容

本发明的技术解决问题为：克服现有技术的不足，针对未来宇航在轨飞行验证的可靠性和扩展性问题，提出了一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统及控制方法。

本发明采用的技术方案：

一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，包括：外部载荷接口、试验单元接口和供配电单元；外部载荷接口用于供配电单元的指令通讯、供电以及供配电单元状态参数的实时监测下传，试验单元接口用于供配电单元和试验单元之间的供电和通讯；

供配电单元包括存储器、DC/DC模块、通讯接口电路、电流电压采集模块、 OC指令接口电路及FPGA模块；

通过外部载荷接口输入的一次电源送入DC/DC模块进行电源转换，生成的二次电源为供配电单元内其他模块供电以及通过试验单元接口为试验单元供电；

通过外部载荷接口输入的遥控指令和遥测请求送入通讯接口电路进行数据转换并传递给FPGA模块，FPGA模块对接收到的遥控指令进行解析，通过OC 指令接口电路对试验单元的供电进行控制；FPGA模块对接收到的遥测请求进行解析，将FPGA模块自身状态参数以及通过电压电流采集模块采集到的试验单元的供电状态参数送入通讯接口电路，通过通讯接口电路转换后发送给外部载荷接口；存储器用于存储FPGA模块的配置信息、供配电单元控制参数以及试验单元供配电状态信息，供FPGA模块进行读取访问。

外部载荷接口包括了航天器测控需要的遥控指令接口、遥测通讯接口以及供配电单元的一次电源输入；遥控指令接口用于实现供配电单元的指令通讯，遥测通讯接口用于对供配电单元的状态参数进行实时监测下传，实现地面远程数据传输。

试验单元接口包括二次电源输出接口和OC指令接口，二次电源输出接口用于给试验单元供电，OC指令接口用于实现对试验单元的开关机控制。

存储器中的供配电单元控制参数包括试验单元的过流阈值，该试验单元的过流阈值采用物理隔离的三模冗余存储。

OC指令接口电路接收FPGA模块发送来的试验单元开关信号，产生试验单元开机或关机指令电信号，发送给试验单元，实现试验单元的加电或断电动作。

DC/DC电压转换模块接收外部一次电源输入，通过电压转换产生供配电单元自身工作所需的二次电源和试验单元工作所需的二次电源，供配电单元和试验单元的二次电源分别通过两个相互独立的DC/DC模块产生，以降低两者之间的供配电耦合度。

所述电流电压采集模块包括AD芯片、电压采集电路和多个电流采集电路；每个电流采集电路对应一个试验单元；

电流采集电路包括电阻R1～R6、运放V1以及二极管D1；

供配电单元DC/DC转换后的二次电源经过电阻R5进行分压后，输出到试验单元的供配电输入端，电阻R1～R4为运放V1放大倍数调整电阻，通过电阻 R1～R4的分压将电阻R5两端的电压差△V通过运放进行放大后，从而将电流信号转换为电压信号，成倍放大后由AD采集芯片进行采集；根据AD采集值V_AD和放大倍数M计算得到△V，进而电流计算公式：I＝V_AD/(M*R5)得到试验单元的供电电流；电阻R6为保护电阻，二极管D1用于实现AD芯片输入信号的上拉；

电压采集模块包括了运放V2、电阻R7～R9以及电容C1；试验单元供配电输入电压经过电阻R7和R8的分压后，经过运放V2放大输出到AD采集芯片进行电压采集，根据AD采集得到的模拟量值V×(R7+R8)/R8计算得到试验单元供电电压值，电阻R9为保护电阻，电容C1连接在运放V2的输出端和地之间。

所述FPGA模块包括预警控制模块、电压电流监测模块、供电输出控制模块、过流过压保护控制模块、指令解析模块以及遥测通讯模块；

指令解析模块接收外部遥控指令序列，按照预先设置的序列规则对指令序列的有效性进行检查，丢弃无效的指令序列，并对遥控指令序列进行解析，得到要求执行的操作类型和试验单元ID；

遥测通讯模块接收外部遥测通讯数据，根据外部载荷遥测请求，将供配电单元自身状态参数和试验单元供电状态参数发送给通讯接口电路，以实现与外部载荷接口的遥测通讯；

电压电流监测模块实时采集电压电流采集模块提供的试验单元的供电电压和电流状态，存储到存储器中并提供给预警控制模块以及过流过压保护控制模块；

过流过压保护控制模块接收电压电流监测的输出数据，判读试验单元供电是否出现异常，如果出现电压过压或电流过流异常，则启动异常响应机制；同时该模块还接收指令解析模块的输出，根据解析出的所述要求执行的操作类型、试验单元ID对试验单元的过流阈值进行调整，或对试验单元的供配电开关状态进行控制；

预警控制模块接收电压电流监测模块的输出，用于进行电压和电流异常预警，该模块仅在试验单元供电电压或电流出现异常偏离，但偏离度未超出所述试验单元过流阈值范围时进行工作，主要执行操作为上报电压或电流异常状况，并实时记录供配电关键状态参数；

供配电输出控制模块接收过流过压保护控制模块和预警控制模块的输入控制信号，对试验单元的供配电进行输出控制。

所述异常响应机制为三级保护响应，一级保护响应为对试验单元直接断电；二级保护响应为保存试验单元关键状态数据，存入存储器，并通过遥测通讯模块和通讯接口电路发送出去；三级保护响应为当试验单元电流出现较大变化时，在遥测状态参数中进行标记；

具体实现如下：

三级保护响应：试验单元正常工作情况下电流在I_C～I_A之间变化，当某段时间内试验单元工作电流由I_C不断提高，达到I_A±5％范围内时，或者电流突然减小低于最小工作电流I_B时，供电控制单元进入三级响应状态；试验单元的额定工作电流为I_C，日常功能测试最大工作电流为I_A，最小工作电流为I_B；

二级保护响应：若试验单元的工作电流继续提高，达到1.2×I_A时，进入二级保护响应状态；

一级保护响应：若试验单元的工作电流继续升高，超出了设置的试验单元过流保护阈值1.5×I_A时，则直接对试验单元发送断电OC指令，关闭试验单元的供电输入，将试验单元进行断电处理。

一种根据所述的用于空间飞行验证平台的供配电控制系统实现的供配电控制方法，步骤如下：

(1)供配电单元上电后，工作在就绪状态，等待外部遥控指令或遥测请求， FPGA通过电压电流监测模块和电压电流采集模块对试验单元的供电状态进行监控；

(2)通讯接口电路接收外部载荷接口发送的遥控指令序列，进行数据转换后送入FPGA的进行指令解析；遥控指令包括复位指令、使能、禁止和设置指令四种类型；

复位、使能和禁止指令不需要设置参数信息，指令序列为指令头、指令识别序列、试验单元ID号以及累加和，校验信息作为指令的最后一字节有效数据；校验和的计算规则为将指令系列第一字节到最后一个字节累加，取低八位数据 (1个字节)作为累加和；

设置指令序列为指令头、指令识别序列、试验单元ID号、设置参数信息和累加和；

(3)FPGA按照遥控指令序列格式解析指令头信息和长度信息，并计算累加校验和，当指令头标识有效、长度信息与接收序列长度计算值一致且计算得到的校验和与指令自带校验和一致，则判定本遥控指令序列有效，进入步骤(4)，否则认为接收到无效指令，流程结束，回到步骤(1)；

(4)对接收到的有效指令，解析指令识别序列，查询指令序列与操作类型对应关系表，得到具体指令操作类型；若在表中查询到匹配该遥控指令的操作类型，则进入步骤(5)；否则认为本遥控指令是无效指令，在存储器中记录错误信息，返回步骤(1)；

指令序列与操作类型对应关系表

(5)解析遥控指令的ID标识，判断该ID对应的试验单元编号是否有效；若ID识别为无效，在存储器中记录错误信息，返回步骤(1)；若ID有效，则根据前面解析的操作类型，进入后续动作执行过程，具体如下：

如果指令识别为复位指令，则进入步骤(6)；

如果指令识别为使能指令，则转入步骤(7)；

如果指令识别为禁止指令，则进入步骤(8)；

如果指令识别为设置指令，则进入步骤(9)；

(6)供配电单元接收到有效复位指令，根据遥控指令的ID标识，对该ID 的试验单元发送遥控复位指令，实现对该试验单元的复位操作，返回步骤(1)；

(7)供配电单元接收到有效的使能指令，根据读取解析后的ID标识，对该ID的试验单元进行加电操作，按照默认值设置试验单元的过流阈值，实时监测试验单元电流状态，返回步骤(1)；

(8)供配电单元接收到有效的禁止指令，根据读取解析后的ID标识，对该ID的试验单元进行断电操作，关闭该试验单元的电源接口，停止试验单元工作，流程结束，返回步骤(1)；

(9)供配电单元接收到了有效的设置指令，读取设置值和设置值的取反值，并将解析到的设置值与取反值进行XOR一致性检验，具体为将两个值进行按位异或操作，若得到的异或结果为0XFFFF，则认为XOR较验一致性通过，进入步骤(10)；否则，认为XOR校验未通过，报告错误信息，本次指令解析操作结束，返回步骤(1)；

(10)根据解析得到的设置值，执行阈值修改操作；对ID标识对应的试验单元过流阈值寄存器进行设置，该寄存器采用基于物理隔离的三模冗余存储，对三处存储值依次进行修改；

(11)阈值修改完成后，回读该阈值寄存器值，依次校验三模冗余存储的阈值修改是否成功；若修改成功，则回到步骤(1)，否则报告修改失败信息，流程处理结束，回到步骤(1)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在针对未来宇航批量化飞行验证中供配电可靠性设计需求，提出了基于分级响应的供电保护控制策略，实时监测试验单元的供电状态，根据状态参数的变化区分为三个等级进行提前预警保护。

(2)对于供配电单元的控制采用“指令序列+XOR一致性校验”来降低关键控制参数在空间环境中因单粒子效应发生数据异常的风险，

(3)同时通过物理隔离的TMR存储设计，有效的降低因空间辐射效应和信号干扰导致的参数被误改写风险，提高了过流控制的灵活性，同时确保了供电保护策略的可靠性。上述供配电单元设计可为未来宇航在轨飞行验证平台提供技术支撑，实现关键技术攻关验证。

附图说明

图1为支持多目标飞行验证的高可靠供配电设计框图；

图2为试验单元电压电流监测电路原理图；

图3为基于分级控制供配电保护策略；

图4基于物理隔离的阈值设置和TMR存储设计；

图5供配电单元控制流程图；

图6为试验单元过流阈值设置与校验流程图。

具体实施方式

本发明提出了用于空间飞行验证平台的供配电控制系统及控制方法，用于满足未来在轨飞行验证供配电设计亟需的可靠性和扩展性需求。按照发明设计该系统分为外部载荷接口、供配电单元和试验单元接口三部分，具体实施过程包括了飞行验证平台的供配电控制系统具体实施(含试验单元电压、电流实时监测采集电路实现)，基于分级响应的供电保护策略实现和基于“指令序列 +XOR一致性校验”的供配参数控制策略实现。供配电控制系统实施内容包括了硬件选型、运放参数设置、接口电路设计和FPGA模块设计等，针对试验单元的供配电状态采集设计了可调放大倍数的电压/电流采集电路来实现对试验单元供电电流和电压的实时监测，适用于空间飞行验证试验单元的供配电状态实时监测；基于分级响应的供电保护控制用于对试验单元电流异常现象进行响应，按照试验单元供配电异常程度的不同分三级进行响应控制，分别为电流变化异常状态信息标记、存储关键任务信息并发出报警和对试验单元断电保护。基于“指令序列+XOR一致性校验”的高可靠遥控控制方法实施中按步骤介绍了供配电远程控制策略的具体实现方案，控制指令序列类型包括了复位、使能、禁止和设置。通过指令序列检测和XOR一致性校验，降低了空间飞行验证遥控通讯面临的空间单粒子效应风险，提高了供配电远程控制的可靠性，同时使得供配电控制的具备了一定灵活性和可扩展性。

如图1所示，本发明提出一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，包括：外部载荷接口、试验单元接口和供配电单元；外部载荷接口用于供配电单元的指令通讯、供电以及供配电单元状态参数的实时监测下传，试验单元接口用于供配电单元和试验单元之间的供电和通讯；

供配电单元包括存储器、DC/DC模块、通讯接口电路、电流电压采集模块、 OC指令接口电路及FPGA模块；系统实施中存储器采用带EDAC校验的3D 封装的NOR FLASH和SRAM实现，DC/DC采用100V输入，输出±12V的 HDCD/100-12R-30/SP电源转换模块实现。FPGA可采用反熔丝A54SX72型芯片实现，以提高供配电单元的抗辐射特性。通讯接口采用标准1553B总线作为遥控指令接口，采用以太网作为遥测通讯接口，通讯接口电路采用BM65170 芯片作为1553B总线的接口控制芯片，并设置两个B3226型变压器用于1553B 总线信息收发；使用W5300芯片作为百兆以太网遥测通讯接口控制芯片，FPGA 通过数据和地址总线对BM65170和W5300进行读写访问控制，实现供配电单元与载荷接口的正常遥控遥测通讯。

通过外部载荷接口输入的一次电源送入DC/DC模块进行电源转换，生成的二次电源为供配电单元内其他模块供电以及通过试验单元接口为试验单元供电；供配电模块接收外部一次电源，通过60W功率的DC/DC模块转换为通用的 +12V二次电源，可满足同时供给12个试验单元在轨进行飞行验证；每路试验单元最大功率为6W(此处DC/DC模块额定功率为60W)，最大支持电流为0.5A。

通过外部载荷接口输入的遥控指令和遥测请求送入通讯接口电路进行数据转换并传递给FPGA模块，FPGA模块对接收到的遥控指令进行解析，通过OC 指令接口电路对试验单元的供电进行控制；FPGA模块对接收到的遥测请求进行解析，将FPGA模块自身状态参数(如试验单元过流阈值、系统指令接收错误计数、系统指令执行错误计数等)以及通过电压电流采集模块采集到的试验单元的供电状态参数送入通讯接口电路，通过通讯接口电路转换后发送给外部载荷接口；存储器用于存储FPGA模块的配置信息、供配电单元控制参数以及试验单元供配电状态信息，供FPGA模块进行读取访问。

如图1所示，外部载荷接口包括了航天器测控需要的遥控指令接口、遥测通讯接口以及供配电单元的一次电源输入；遥控指令接口用于实现供配电单元的指令通讯，遥测通讯接口用于对供配电单元的状态参数进行实时监测下传，实现地面远程数据传输。

如图1所示，试验单元接口包括二次电源输出接口和OC指令接口，二次电源输出接口用于给试验单元供电，OC指令接口用于实现对试验单元的开关机控制。

存储器中的供配电单元控制参数包括试验单元的过流阈值，该试验单元的过流阈值采用物理隔离的三模冗余存储，如图4所示。采用3片的SRAM芯片实现电压阈值和电流阈值的TMR存储设计，每片SRAM内部存储相同的供配电关键参数信息，实现物理级的备份存储。可由FPGA控制对每一个试验单元均有单独的电压阈值寄存器和电流阈值寄存器进行存取。通过使用片外SRAM 实现物理上不连续的3块物理存储空间进行存储，即三模冗余设计，降低空间辐射效应的影响。在读取时需要进行三模冗余比对，而修改对应阈值时需要将新设置值依次写入对应存储寄存器；

OC指令接口电路接收FPGA模块发送来的试验单元开关信号，产生试验单元开机或关机指令电信号，发送给试验单元，实现试验单元的加电或断电动作。

DC/DC电压转换模块接收外部一次电源输入，通过电压转换产生供配电单元自身工作所需的二次电源和试验单元工作所需的二次电源，供配电单元和试验单元的二次电源分别通过两个相互独立的DC/DC模块产生，以降低两者之间的供配电耦合度。

如图2所示，电流电压采集模块包括AD芯片、电压采集电路和多个电流采集电路；每个电流采集电路对应一个试验单元；本供配电单元输出电压可同时满足多个试验单元供电需求，供配电单元对各试验单元的输出电压一致，可仅监测电源模块输出的二次电源电压。对于每一个试验单元，需要设计单独的电流采集电路监测其工作电流。由于DC/DC模块为供配电单元内部组成，尤其是宇航级模块具备较高的可靠性，因此本发明中主要考虑试验单元工作电流的监测和过流保护问题。

供配电单元通过电流监测电路实现对试验单元供电状态的监测，其中电压监测主要实施采集供配电单元电源模块产生的供电电压，电流监测为采集每一个试验单元输入端工作电流；本系统实施中对于所有试验单元需设置一组电压采集电路和多组试验单元电流采集电路(具体数量与试验单元数量一致)；电流采集精度误差要求为<3mA,电压采集精度误差要求为<3mV。

电流采集电路包括电阻R1～R6、运放V1以及二极管D1。供配电单元DC/DC 转换后的二次电源经过电阻R5进行分压后，输出到试验单元的供配电输入端，电阻R1～R4为运放V1放大倍数调整电阻，电阻R1～R4的分压将电阻R5两端的电压差△V＝VCC_OUT-VCC_IN，其中VCC_IN为供配电单元中试验单元用电源模块转换输出的试验单元电源电压，VCC_OUT为经过分压电阻R5后的输出给试验单元的二次电源电压；△V通过运放进行放大后，从而将电流信号转换为电压信号，成倍放大后由AD采集芯片进行采集；根据AD采集值V_AD和放大倍数M计算得到△V，进而通过电流计算公式：I＝V_AD/(M×R5)得到试验单元的供电电流；二极管D1用于实现AD芯片输入信号的上拉；

AD采集芯片采用SAD0808RH芯片实现，R6为保护电阻，采用100KΩ的高等级电阻实现；运放V1选用F158A实现，F158A电源端VCC接+12V输入；二极管D1选择规格为2CK84F型宇航级二极管；由于试验单元的电流较小，为保证采集精度，需要进行放大后采集，图中R0为分压电阻，一般选择小于1Ω的精密电阻。放大倍数则由R1、R2、R3、R4四个电阻值确定，具体可根据实际电流大小进行调整。电流采集电路具体实现可根据不同试验单元工作电流的大小调整分压电阻R1～R4，以使得经过运放放大的信号满足AD的额定输入电压范围，默认情况下电阻R1和电阻R3选用阻值为10KΩ的电阻，电阻R2和电阻R4采用阻值为90KΩ的电阻，则电阻R5两端电压差的放大倍数M为9 倍。分压电阻R5的阻值选择宇航级的低阻值精密电阻，此处电阻R5阻值建议为0.1Ω。基于上述实施方案本电流采集电路的电流计算公式为：I＝(10×V_AD) /9(单位为安培)；

电压采集模块包括了运放V2、电阻R7～R9以及电容C1；试验单元供配电输入电压经过电阻R7和R8的分压后，经过运放V2放大输出到AD采集芯片进行电压采集，根据AD采集值V_AD，使用公式：V＝V_AD×(R7+R8)/R8计算得到试验单元供电电压值，电阻R9为保护电阻，电容C1连接在运放V2的输出端和地之间。电压采集电路AD采集芯片同样采用SAD0808RH芯片实现， R9为保护电阻，采用100KΩ的高等级电阻实现，C1选用30PF胆电容实现,V2 选用LM108A运放器件。VCC_IN为供配电单元电源模块产生的试验单元电源，此处分压电阻R7和R8的选用也需要根据实际工作电压和运放V2额定输入范围来确定，此处R7阻值为20KΩ，R8阻值30KΩ，要求采用精密电阻。本电压采集的计算公式为：V＝(3×V_AD采集)/5；

如图1所示，FPGA模块包括预警控制模块、电压电流监测模块、供电输出控制模块、过流过压保护控制模块、指令解析模块以及遥测通讯模块；供配电单元的数据采集和核心控制算法由FPGA实现，可支持同时对多个试验单元的进行供电和监测。FPGA通过32位数据总线对AD0808RH芯片进行数据访问，实时读取试验单元的电压和电流采集信息，AD采集周期设计为100ms。

指令解析模块接收外部遥控指令序列，按照预先设置的序列规则对指令序列的有效性进行检查，丢弃无效的指令序列，并对遥控指令序列进行解析，得到要求执行的操作类型和试验单元ID；

遥测通讯模块接收外部遥测通讯数据，根据外部载荷遥测请求，将供配电单元自身状态参数(如试验单元过流阈值、系统指令接收错误计数、系统指令执行错误计数等)和试验单元供电状态参数发送给通讯接口电路，以实现与外部载荷接口的遥测通讯；

电压电流监测模块实时采集电压电流采集模块提供的试验单元的供电电压和电流状态，存储到存储器中并提供给预警控制模块以及过流过压保护控制模块；

过流过压保护控制模块接收电压电流监测的输出数据，判读试验单元供电是否出现异常，如果出现电压过压或电流过流异常，则启动异常响应机制；同时该模块还接收指令解析模块的输出，根据解析出的所述要求执行的操作类型、试验单元ID对试验单元的过流阈值进行调整，或对试验单元的供配电开关状态进行控制；

预警控制模块接收电压电流监测模块的输出，用于进行电压和电流异常预警，该模块仅在试验单元供电电压或电流出现异常偏离，但偏离度未超出所述试验单元过流阈值范围时进行工作，主要执行操作为上报电压或电流异常状况，并实时记录供配电关键状态参数；

供配电输出控制模块接收过流过压保护控制模块和预警控制模块的输入控制信号，根据系统供配电保护控制策略，对试验单元的电流异常进行实时报警，必要时通过OC指令接口电路发送试验单元断电指令，对试验单元的供配电断电保护控制。

如图3所示，异常响应机制为三级保护响应，一级保护响应为对试验单元直接断电；二级保护响应为保存试验单元关键状态数据，存入存储器，并通过遥测通讯模块和通讯接口电路发送出去；三级保护响应为当试验单元电流出现较大变化时，在遥测状态参数中进行标记；

具体实现如下：

试验单元的额定工作电流为I_C，额定工作电压为V_C，日常功能测试最大工作电流为I_A，最小工作电流为I_B；供配电系统设定过流保护阈值为1.5×I_A

三级保护响应：试验单元正常工作情况下电流在I_C～I_A之间变化，当某段时间内试验单元工作电流由I_C不断提高，达到I_A±5％范围内时，或者电流突然减小低于最小工作电流I_B时，供电控制单元进入三级响应状态；将试验单元电流异常信息记录到遥测数据对应的试验单元状态参数中，随系统遥测通讯发送给外部载荷接口，提示该试验单元的电流出现较大变化；

二级保护响应：若试验单元的工作电流继续提高，达到1.2×I_A时，进入二级保护响应状态；系统通知控制模块保存试验单元的关键状态数据信息和任务信息，同时向外部控制系统发出报警，提示当前试验单元出现过流现象；

一级保护响应：若试验单元的工作电流超出了设置的试验单元过流保护阈值1.5×I_A或试验单元供电电压超出额定输出电压变化范围V_c±20％V_c时，直接对试验单元发送断电OC指令，关闭试验单元的供电输入，将试验单元进行断电处理。记录试验单元断电状态信息，并通过遥测通讯将该状态信息发送给外部载荷接口，告知地面测控系统该试验单元已断电。

如图5所示，进一步的，本发明还提出一种基于所述的用于空间飞行验证平台的供配电控制系统实现的供配电控制方法，该方法采用“指令序列+XOR一致性校验”来对供配电遥控指令通讯进行控制，提高飞行验证供配电远程遥控的可靠性和扩展性。试验单元控制参数是供配电单元内部核心控制数据，直接关系到试验单元能否正常的进行工作，因此具备较高的可靠性需求。针对试验单元的供配电控制参数，采用本发明的基于指令序列和异或校验的策略可有效的屏蔽因误操作、传输误码等的影响，对供配电单元的遥控指令包括了复位、使能、禁止和设置指令，按照指令序列与操作类型对应关系表进行编码，已提供远程遥控操作的可靠性。实施步骤如下：

(1)供配电单元上电后，工作在就绪状态，等待外部遥控指令或遥测请求， FPGA通过电压电流监测模块和电压电流采集模块对试验单元的供电状态进行监控；

(2)通讯接口电路接收外部载荷接口发送的遥控指令序列，进行数据转换后送入FPGA的进行指令解析；遥控指令包括复位、使能、禁止和设置指令四种类型；复位、使能和禁止指令不需要设置参数信息，指令序列为指令头(共 2个字节，标识+长度)、指令识别序列(3个字节)、试验单元ID号(1个字节) 以及累加和(1个字节)；累加和是指令的最后一字节有效数据，计算规则为将指令系列第一字节到累加和之前的指令数据字节进行累加，取低八位即为累加和；

设置指令序列为指令头(共2个字节，标识+长度)、指令识别序列(3个字节)、试验单元ID号(1个字节)、设置参数信息(设置值和按位取反后的值各占2个字节，共4个字节)和累加和(1个字节)；累加和为本指令的最后后一字节有效数据，计算方法同上；

(3)FPGA按照遥控指令序列格式解析指令头信息和长度信息，并计算除接收数据最后一个字节(累加和)外的其余所有字节的累积和，取第八位作为计算结果，当指令头标识有效、长度信息与接收序列长度计算值一致且计算得到的累加和与指令自带累加和(接收数据最后一个字节)一致，则判定本遥控指令序列有效，进入步骤(4)，否则认为接收到无效指令，将存储器SRAM中系统指令接收错误计数加1，随周期性遥测通讯发送给外部载荷接口，流程结束，回到步骤(1)；

(4)对接收到的有效指令，解析指令识别序列(接收到的有效指令的第 3～5字节)，查询指令序列与操作类型对应关系表，得到具体指令操作类型；若在表中查询到匹配该遥控指令的操作类型，则进入步骤(5)；否则认为本遥控指令是无效指令，将存储器SRAM中系统指令接收错误计数加1，随周期性遥测通讯发送给外部载荷接口，返回步骤(1)；

指令序列与操作类型对应关系表

(5)解析遥控指令的ID标识，判断该ID对应的试验单元编号是否有效；若ID识别为无效，将存储器SRAM中系统指令接收错误计数加1，随周期性遥测通讯发送给外部载荷接口，返回步骤(1)；若ID有效，则根据前面解析的操作类型，进入后续动作执行过程，具体如下：

如果指令识别为复位指令，则进入步骤(6)；

如果指令识别为使能指令，则转入步骤(7)；

如果指令识别为禁止指令，则进入步骤(8)；

如果指令识别为设置指令，则进入步骤(9)；

(6)供配电单元接收到有效复位指令，根据遥控指令的ID标识，对该ID 的试验单元发送遥控复位指令，实现对该试验单元的复位操作，返回步骤(1)；

(7)供配电单元接收到有效的使能指令，根据读取解析后的ID标识，对该ID的试验单元进行加电操作，按照默认值设置试验单元的过流阈值，实时监测试验单元电流状态，返回步骤(1)；

(8)供配电单元接收到有效的禁止指令，根据读取解析后的ID标识，对该ID的试验单元进行断电操作，关闭该试验单元的电源接口，停止试验单元工作，流程结束，返回步骤(1)；

(9)如图6所示，供配电单元接收到了有效的设置指令，读取设置值(指令数据第7、8字节)和设置值的取反值(指令数据的第8、9字节)，并将解析到的设置值与取反值进行XOR一致性检验，具体为将两个值进行按位异或操作，若得到的异或结果为0XFFFF，则认为XOR较验一致性通过，进入步骤(10)；否则，认为XOR校验未通过，将存储器SRAM中系统指令接收错误计数加1，随周期性遥测通讯发送给外部载荷接口，本次指令执行操作结束，返回步骤(1)；

(10)FPGA内部的过流、过压保护控制模块根据解析得到的设置值，执行阈值修改操作；对ID标识对应的试验单元过流阈值寄存器(16bit位宽)进行设置，该寄存器采用基于物理隔离的三模冗余存储，设置操作需对三处存储值依次进行修改；

(11)阈值修改完成后，回读该阈值寄存器值，依次校验三模冗余存储的阈值修改是否成功；若修改成功，则回到步骤(1)，将存储器SRAM中系统指令执行错误计数加1，随周期性遥测通讯发送给外部载荷接口，流程处理结束，回到步骤(1)。

本发明针对未来宇航在轨飞行验证面临的高可靠供配电控制需求，提出了一种用于空间飞行验证平台的供配电系统设计，其控制系统设计如图1所示，基于此提出了基于分级响应的供配电异常保护机制和基于“指令序列+XOR一致性校验”的供配电远程控制策略。在实施阶段提出了用于试验单元供配电监测的电压电流采集电路设计和实施案例，通过FPGA内部的电压电流监测模块实现对试验单元供配电状态的实时监测。采用分级响应的供配电异常保护机制，可在试验单元供配电异常波动初期及时识别异常现象，并通过遥测通讯链路通知地面测控系统及时关注并采取措施；对于试验单元严重供配电异常，则通过 OC指令接口向故障试验单元发送断电指令，对试验单元自动断电保护；基于“指令序列+XOR一致性校验”的供配电控制策略，对供配电单元操作类型设置不同的指令序列，通过指令序列识别和校验，解析具体操作执行内容。针对试验单元阈值调制的设置指令，通过对设置值进行基于XOR的异或校验，降低指令传输中关键设置参数受空间环境单粒子效应影响，保证飞行验证供配电远程遥控的可靠性和准确性。本发明提出的用于空间飞行验证平台的供配电控制系统及控制方法，从系统设计和方法实施流程角度两个方面实现了高可靠供配电控制，本发明适用于未来宇航在轨飞行试验平台供配电系统设计参考。

Claims (10)

1.一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于包括：外部载荷接口、试验单元接口和供配电单元；外部载荷接口用于供配电单元的指令通讯、供电以及供配电单元状态参数的实时监测下传，试验单元接口用于供配电单元和试验单元之间的供电和通讯；

供配电单元包括存储器、DC/DC模块、通讯接口电路、电流电压采集模块、OC指令接口电路及FPGA模块；

通过外部载荷接口输入的一次电源送入DC/DC模块进行电源转换，生成的二次电源为供配电单元内其他模块供电以及通过试验单元接口为试验单元供电；

通过外部载荷接口输入的遥控指令和遥测请求送入通讯接口电路进行数据转换并传递给FPGA模块，FPGA模块对接收到的遥控指令进行解析，通过OC指令接口电路对试验单元的供电进行控制；FPGA模块对接收到的遥测请求进行解析，将FPGA模块自身状态参数以及通过电压电流采集模块采集到的试验单元的供电状态参数送入通讯接口电路，通过通讯接口电路转换后发送给外部载荷接口；存储器用于存储FPGA模块的配置信息、供配电单元控制参数以及试验单元供配电状态信息，供FPGA模块进行读取访问。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于：外部载荷接口包括了航天器测控需要的遥控指令接口、遥测通讯接口以及供配电单元的一次电源输入；遥控指令接口用于实现供配电单元的指令通讯，遥测通讯接口用于对供配电单元的状态参数进行实时监测下传，实现地面远程数据传输。

3.根据权利要求1所述的一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于：试验单元接口包括二次电源输出接口和OC指令接口，二次电源输出接口用于给试验单元供电，OC指令接口用于实现对试验单元的开关机控制。

4.根据权利要求1所述的一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于：存储器中的供配电单元控制参数包括试验单元的过流阈值，该试验单元的过流阈值采用物理隔离的三模冗余存储。

5.根据权利要求1所述的一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于：OC指令接口电路接收FPGA模块发送来的试验单元开关信号，产生试验单元开机或关机指令电信号，发送给试验单元，实现试验单元的加电或断电动作。

6.根据权利要求1所述的一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于：DC/DC电压转换模块接收外部一次电源输入，通过电压转换产生供配电单元自身工作所需的二次电源和试验单元工作所需的二次电源，供配电单元和试验单元的二次电源分别通过两个相互独立的DC/DC模块产生，以降低两者之间的供配电耦合度。

7.根据权利要求1所述的一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于：所述电流电压采集模块包括AD芯片、电压采集电路和多个电流采集电路；每个电流采集电路对应一个试验单元；

电流采集电路包括电阻R1～R6、运放V1以及二极管D1；

供配电单元DC/DC转换后的二次电源经过电阻R5进行分压后，输出到试验单元的供配电输入端，电阻R1～R4为运放V1放大倍数调整电阻，通过电阻R1～R4的分压将电阻R5两端的电压差△V通过运放进行放大后，从而将电流信号转换为电压信号，成倍放大后由AD采集芯片进行采集；根据AD采集值V_AD和放大倍数M计算得到△V，进而通过电流计算公式：I＝V_AD/(M×R5)得到试验单元的供电电流；电阻R6为保护电阻，二极管D1用于实现AD芯片输入信号的上拉；

电压采集模块包括了运放V2、电阻R7～R9以及电容C1；试验单元供配电输入电压经过电阻R7和R8的分压后，经过运放V2放大输出到AD采集芯片进行电压采集，根据AD采集值V_AD，使用公式：V＝V_AD×(R7+R8)/R8计算得到试验单元供电电压值；电阻R9为保护电阻，电容C1连接在运放V2的输出端和地之间。

8.根据权利要求1所述的一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于：所述FPGA模块包括预警控制模块、电压电流监测模块、供电输出控制模块、过流过压保护控制模块、指令解析模块以及遥测通讯模块；

指令解析模块接收外部遥控指令序列，按照预先设置的序列规则对指令序列的有效性进行检查，丢弃无效的指令序列，并对遥控指令序列进行解析，得到要求执行的操作类型和试验单元ID；

遥测通讯模块接收外部遥测通讯数据，根据外部载荷遥测请求，将供配电单元自身状态参数和试验单元供电状态参数发送给通讯接口电路，以实现与外部载荷接口的遥测通讯；

电压电流监测模块实时采集电压电流采集模块提供的试验单元的供电电压和电流状态，存储到存储器中并提供给预警控制模块以及过流过压保护控制模块；

过流过压保护控制模块接收电压电流监测的输出数据，判读试验单元供电是否出现异常，如果出现电压过压或电流过流异常，则启动异常响应机制；同时该模块还接收指令解析模块的输出，根据解析出的所述要求执行的操作类型、试验单元ID对试验单元的过流阈值进行调整，或对试验单元的供配电开关状态进行控制；

预警控制模块接收电压电流监测模块的输出，用于进行电压和电流异常预警，该模块仅在试验单元供电电压或电流出现异常偏离，但偏离度未超出所述试验单元过流阈值范围时进行工作，主要执行操作为上报电压或电流异常状况，并实时记录供配电关键状态参数；

供配电输出控制模块接收过流过压保护控制模块和预警控制模块的输入控制信号，对试验单元的供配电进行输出控制。

9.根据权利要求8所述的一种用于空间飞行验证平台的供配电控制系统，其特征在于：所述异常响应机制为三级保护响应，一级保护响应为对试验单元直接断电；二级保护响应为保存试验单元关键状态数据，存入存储器，并通过遥测通讯模块和通讯接口电路发送出去；三级保护响应为当试验单元电流出现较大变化时，在遥测状态参数中进行标记；

具体实现如下：

三级保护响应：试验单元正常工作情况下电流在I_C～I_A之间变化，当某段时间内试验单元工作电流由I_C不断提高，达到I_A±5％范围内时，或者电流突然减小低于最小工作电流I_B时，供电控制单元进入三级响应状态；试验单元的额定工作电流为I_C，日常功能测试最大工作电流为I_A，最小工作电流为I_B；

二级保护响应：若试验单元的工作电流继续提高，达到1.2×I_A时，进入二级保护响应状态；

一级保护响应：若试验单元的工作电流继续升高超出了设置的试验单元过流保护阈值1.5×I_A或是试验单元供电电压超出额定输出电压±20％的波动范围时，直接对试验单元发送断电OC指令，关闭试验单元的供电输入，将试验单元进行断电处理。

10.一种根据权利要求1～9中任一项所述的用于空间飞行验证平台的供配电控制系统实现的供配电控制方法，其特征在于步骤如下：

(1)供配电单元上电后，工作在就绪状态，等待外部遥控指令或遥测请求，FPGA通过电压电流监测模块和电压电流采集模块对试验单元的供电状态进行监控；

(2)通讯接口电路接收外部载荷接口发送的遥控指令序列，进行数据转换后送入FPGA的进行指令解析；遥控指令包括复位指令、使能、禁止和设置指令四种类型；

复位、使能和禁止指令不需要设置参数信息，指令序列为指令头、指令识别序列、试验单元ID号以及累加和，校验信息作为指令的最后一字节有效数据；校验和的计算规则为将指令系列第一字节到最后一个字节累加，取低八位即为累加和；

设置指令序列为指令头、指令识别序列、试验单元ID号、设置参数信息和累加和；

(3)FPGA按照遥控指令序列格式解析指令头信息和长度信息，并计算累加校验和，当指令头标识有效、长度信息与接收序列长度计算值一致且计算得到的校验和与指令自带校验和一致，则判定本遥控指令序列有效，进入步骤(4)，否则认为接收到无效指令，流程结束，回到步骤(1)；

(4)对接收到的有效指令，解析指令识别序列，查询指令序列与操作类型对应关系表，得到具体指令操作类型；若在表中查询到匹配该遥控指令的操作类型，则进入步骤(5)；否则认为本遥控指令是无效指令，在存储器中记录错误信息，返回步骤(1)；

指令序列与操作类型对应关系表

(5)解析遥控指令的ID标识，判断该ID对应的试验单元编号是否有效；若ID识别为无效，在存储器中记录错误信息，返回步骤(1)；若ID有效，则根据前面解析的操作类型，进入后续动作执行过程，具体如下：

如果指令识别为复位指令，则进入步骤(6)；

如果指令识别为使能指令，则转入步骤(7)；

如果指令识别为禁止指令，则进入步骤(8)；

如果指令识别为设置指令，则进入步骤(9)；

(6)供配电单元接收到有效复位指令，根据遥控指令的ID标识，对该ID的试验单元发送遥控复位指令，实现对该试验单元的复位操作，返回步骤(1)；

(7)供配电单元接收到有效的使能指令，根据读取解析后的ID标识，对该ID的试验单元进行加电操作，按照默认值设置试验单元的过流阈值，实时监测试验单元电流状态，返回步骤(1)；

(8)供配电单元接收到有效的禁止指令，根据读取解析后的ID标识，对该ID的试验单元进行断电操作，关闭该试验单元的电源接口，停止试验单元工作，流程结束，返回步骤(1)；

(9)供配电单元接收到了有效的设置指令，读取设置值和设置值的取反值，并将解析到的设置值与取反值进行XOR一致性检验，具体为将两个值进行按位异或操作，若得到的异或结果为0XFFFF，则认为XOR较验一致性通过，进入步骤(10)；否则，认为XOR校验未通过，报告错误信息，本次指令解析操作结束，返回步骤(1)；

(10)根据解析得到的设置值，执行阈值修改操作；对ID标识对应的试验单元过流阈值寄存器进行设置，该寄存器采用基于物理隔离的三模冗余存储，对三处存储值依次进行修改；

(11)阈值修改完成后，回读该阈值寄存器值，依次校验三模冗余存储的阈值修改是否成功；若修改成功，则回到步骤(1)，否则报告修改失败信息，流程处理结束，回到步骤(1)。