CN111538259B - 宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统及方法 - Google Patents

宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制方法，包括S1、系统加电，DSP复位电路产生一个固定宽度、恒定电平的复位信号并输出给FPGA协控制器；S2、FPGA协控制器经过t1的时间退出复位，从FPGA存储电路加载配置文件完成初始配置；S3、FPGA协控制器初始配置完成后，经过t2时间，向DSP主处理器发送脉宽为t3的复位启动信号；S4、DSP主处理器接收到复位启动信号后，由DSP存储电路加载启动文件，待复位启动信号结束后t4时间，DSP主处理器退出复位，系统开始运行。本发明具有协同管理与控制能力，在保证系统正常运行的同时提高系统的智能化水平和能源的综合利用效率。

Description

宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统及方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，涉及宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统及方法。
背景技术
随着探月事业的发展，月昼长时间工作和月背长时间无光照工况给航天器电源系统提出了更高的要求。燃料电池电源系统具有效率高、比能量高、比功率高的优势，更适合大功率长寿命探月航天器的应用。宇航燃料电池电源系统遥测量多、控制工况复杂、实时性要求高，传统的单处理器控制平台已不能满足要求，采用多处理器的协同控制技术势在必行。
传统的单处理器平台控制技术原理图如图1所示，主要功能电路包括处理器、DSP时钟电路、DSP复位电路、DSP存储电路和逻辑控制电路。处理器上电复位正常工作后，经地址、数据信号读取工作程序发出任务指令，逻辑控制电路将处理器发出的指令逻辑变换后生成控制信号，完成外部设备管控。此种控制平台所需外围电路较多、体积和重量较大、实时性和可扩展性较差，适用于控制量少、控制工况简单的场合，不能满足宇航燃料电池电源系统的控制需求。
常用的多处理器平台控制技术原理图如图2所示，主要功能电路包括DSP、FPGA、DSP时钟电路、DSP复位电路和DSP存储电路。DSP和FPGA通常采用IO口交互，DSP将任务指令通过IO口传送给FPGA，由FPGA完成外部设备管控，并通过IO口从FPGA获取所需数据。此种控制平台大量占用DSP的IO资源，对DSP性能的依赖较强，灵活性和可扩展性不足；尤其在宇航应用场合，可供选择的器件有限，IO资源丰富、性能强的DSP匮乏，此种控制平台的缺陷更加凸显，难以满足宇航燃料电池电源系统的应用需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统及方法，以DSP作为主处理器，以FPGA作为协控制器，通过二者间协同工作，实现宇航燃料电池电源系统的控制。
本发明解决技术的方案是：
宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统，包括DSP主处理器、FPGA协控制器、DSP复位电路、DSP时钟电路、FPGA时钟电路、DSP存储电路、FPGA存储电路；
DSP主处理器，与DSP存储电路、FPGA协控制器和外部设备通过地址、数据总线相连，系统加电后，DSP主处理器接收DSP时钟电路发出的时钟信号和FPGA协控制器发出的复位启动信号完成初始态的控制和启动文件加载，后经地址、数据总线从DSP存储电路获取外部设备控制需求，并将此需求经地址、数据总线发送给FPGA协控制器，由地址、数据总线和FPGA协控制器发出的控制信号共同完成外部设备控制和数据处理；
FPGA协控制器，系统加电后，FPGA协控制器首先接收DSP复位电路发出的复位信号完成复位操作和初始配置，然后向DSP主处理器发出复位启动信号触发DSP主处理器启动运行；DSP主处理器启动运行后，FPGA协控制器通过接收DSP主处理器的同步时钟信号实现两个时钟域的同步，并解析地址、数据总线来自DSP主处理器的外部设备控制需求；FPGA协控制器据此控制需求，生成、发出控制信号实现时序控制和外部设备管理；
DSP复位电路，与FPGA协控制器相连，为FPGA协控制器提供复位信号，并经FPGA协控制器发出的复位启动信号间接控制DSP主处理器的复位和启动；DSP复位电路根据FPGA协控制器的复位时序需求，为FPGA协控制器提供固定宽度、恒定电平的复位信号；
DSP时钟电路和FPGA时钟电路，分别与DSP主处理器和FPGA协控制器相连，为其提供工作时钟；DSP时钟电路由无源晶体实现，FPGA时钟电路由有源晶振实现，DSP时钟电路的工作频率即为DSP主处理器和FPGA协控制器的最终工作频率；
DSP存储电路为DSP主处理器提供启动文件、外部设备控制需求及关键重要数据存储，FPGA存储电路为FPGA协控制器提供基础配置文件和过程数据存储；FPGA协控制器在加电后即进行基础配置文件加载，运行过程中将过程数据进行存储；而DSP主处理器在加电直待接收到FPGA协控制器的复位启动信号后加载启动文件，运行过程中获取外部设备控制需求并将计算和处理的结果数据实时存储。
进一步的，系统加电后，DSP主处理器和FPGA协控制器均进入复位状态，经过t1时间，FPGA协控制器退出复位进入工作状态，此时DSP主处理器仍处于复位状态；再经过t2时间，FPGA协控制器向DSP主处理器发出脉宽为t3的启动信号，触发DSP主处理器启动文件加载；待触发信号结束后t4时间，DSP主处理器退出复位，系统开始工作。
进一步的，DSP复位电路可由阻容延时电路或MAX706复位芯片实现。
进一步的，每种DSP存储电路包括程序存储器和数据存储器。
宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制方法，具体步骤如下：
S1、系统加电，DSP复位电路产生一个固定宽度、恒定电平的复位信号并输出给FPGA协控制器；
S2、FPGA协控制器经过t1的时间退出复位，从FPGA存储电路加载配置文件完成初始配置；
S3、FPGA协控制器初始配置完成后，经过t2时间，向DSP主处理器发送脉宽为t3的复位启动信号；
S4、DSP主处理器接收到复位启动信号后，由DSP存储电路加载启动文件，待复位启动信号结束后t4时间，DSP主处理器退出复位，系统开始运行；
S5、系统运行后，DSP主处理器通过地址、数据总线从DSP存储电路获取外部设备控制需求，并将此需求经地址、数据总线发送给FPGA协控制器；
S6、FPGA协控制器接收DSP主处理器的同步时钟信号实现两个时钟域的同步，并解析地址、数据总线来自DSP主处理器的外部设备控制需求，然后据此需求生成、发出控制信号；
S7、外部设备接收DSP主处理器的地址、数据总线和FPGA协控制器的控制信号，在DSP主处理器和FPGA协控制器的共同作用下完成指定操作，并将结果数据返回给DSP主处理器；
S8、DSP主处理器接收到外部设备的结果数据，经滤波、判别、运算处理后，将部分关键重要数据通过地址、数据总线写入DSP存储电路，完成整个协同控制流程。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用DSP和FPGA多处理器协同控制方法，以DSP为主处理器，FPGA为协控制器，充分利用了DSP处理速度快、运算能力强，FPGA逻辑设计灵活、接口丰富的特点，极大简化了系统逻辑电路设计，提高了系统控制精度和时效性；
(2)本发明通过DSP主处理器的地址、数据总线与FPGA协控制器及外部设备相连，减小了对主处理器IO资源的依赖，丰富了系统外部设备的控制方式，方便了多片FPGA协控制器的级联和系统外部设备的扩展，使控制系统灵活性得到显著提高；
(3)本发明在多处理器总体架构不变的情况下，DSP主处理器可由其他处理器(8位单片机、32位处理器)代替，根据功能性能和外部设备需求，灵活选择主处理器，实现控制系统的按需灵活配置，整个系统的协同控制方式不受影响；
(4)本发明具有协同管理与控制能力，能够实现宇航燃料电池电源系统中水、气、热、电等多能源的自主管理，在保证系统正常运行的同时提高系统的智能化水平和能源的综合利用效率。
附图说明
图1为传统的单处理器平台控制技术原理图；
图2为常用的多处理器平台控制技术原理图；
图3为本发明协同控制系统原理图；
图4为本发明协同控制系统复位启动时序图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
如图3、4所示，包括DSP主处理器、FPGA协控制器、DSP复位电路、DSP时钟电路、FPGA时钟电路、DSP存储电路、FPGA存储电路；
DSP主处理器，与DSP存储电路、FPGA协控制器和外部设备通过地址、数据总线相连，系统加电后，DSP主处理器接收DSP时钟电路发出的时钟信号和FPGA协控制器发出的复位启动信号完成初始态的控制和启动文件加载，后经地址、数据总线从DSP存储电路获取外部设备控制需求，并将此需求经地址、数据总线发送给FPGA协控制器，由地址、数据总线和FPGA协控制器发出的控制信号共同完成外部设备控制和数据处理；
FPGA协控制器，系统加电后，FPGA协控制器首先接收DSP复位电路发出的复位信号完成复位操作和初始配置，然后向DSP主处理器发出复位启动信号触发DSP主处理器启动运行；DSP主处理器启动运行后，FPGA协控制器通过接收DSP主处理器的同步时钟信号实现两个时钟域的同步，并解析地址、数据总线来自DSP主处理器的外部设备控制需求；FPGA协控制器据此控制需求，生成、发出控制信号实现时序控制和外部设备管理；
DSP复位电路，与FPGA协控制器相连，为FPGA协控制器提供复位信号，并经FPGA协控制器发出的复位启动信号间接控制DSP主处理器的复位和启动；DSP复位电路根据FPGA协控制器的复位时序需求，为FPGA协控制器提供固定宽度、恒定电平的复位信号；
DSP时钟电路和FPGA时钟电路，分别与DSP主处理器和FPGA协控制器相连，为其提供工作时钟；DSP时钟电路由无源晶体实现，FPGA时钟电路由有源晶振实现，DSP时钟电路的工作频率即为DSP主处理器和FPGA协控制器的最终工作频率；
DSP存储电路为DSP主处理器提供启动文件、外部设备控制需求及关键重要数据存储，FPGA存储电路为FPGA协控制器提供基础配置文件和过程数据存储；FPGA协控制器在加电后即进行基础配置文件加载，运行过程中将过程数据进行存储；而DSP主处理器在加电直待接收到FPGA协控制器的复位启动信号后加载启动文件，运行过程中获取外部设备控制需求并将计算和处理的结果数据实时存储。
本发明以DSP作为主处理器，利用FPGA配置灵活、接口丰富的特性，以FPGA作为协控制器；为增加平台的灵活性、便于平台扩展同时减小对DSP资源和性能的依赖，DSP和FPGA之间通过地址总线、数据总线和同步时钟信号相连，由FPGA通过同步时钟信号实现两个时钟域的同步，并经地址、数据总线解析DSP任务指令，产生控制信号；外部设备的控制端口与FPGA相连，接收FPGA控制时序，外部设备的地址、数据端口与DSP相连，提供DSP所需数据；DSP和FPGA优势互补、协同工作，最终实现宇航燃料电池电源系统的控制。
具体方法为：
宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制方法，步骤如下：
S1、系统加电，DSP复位电路产生一个固定宽度、恒定电平的复位信号并输出给FPGA协控制器；
S2、FPGA协控制器经过t1的时间退出复位，从FPGA存储电路加载配置文件完成初始配置；
S3、FPGA协控制器初始配置完成后，经过t2时间，向DSP主处理器发送脉宽为t3的复位启动信号；
S4、DSP主处理器接收到复位启动信号后，由DSP存储电路加载启动文件，待复位启动信号结束后t4时间，DSP主处理器退出复位，系统开始运行；
S5、系统运行后，DSP主处理器通过地址、数据总线从DSP存储电路获取外部设备控制需求，并将此需求经地址、数据总线发送给FPGA协控制器；
S6、FPGA协控制器接收DSP主处理器的同步时钟信号实现两个时钟域的同步，并解析地址、数据总线来自DSP主处理器的外部设备控制需求，然后据此需求生成、发出控制信号；
S7、外部设备接收DSP主处理器的地址、数据总线和FPGA协控制器的控制信号，在DSP主处理器和FPGA协控制器的共同作用下完成指定操作，并将结果数据返回给DSP主处理器；
S8、DSP主处理器接收到外部设备的结果数据，经滤波、判别、运算处理后，将部分关键重要数据通过地址、数据总线写入DSP存储电路，完成整个协同控制流程。
实施例
针对3kW再生燃料电池电源系统控制需求，选择型号规格为SM320VC33的DSP和型号规格为XC3S500E的FPGA构成的协同控制系统完成运行控制。系统加电后，由DSP复位电路产生一个200ms、3.3V的复位信号输出给FPGA协控制器；FPGA协控制器经过200ms后退出复位，从FPGA存储电路加载配置文件完成初始配置；FPGA协控制器初始配置完成后，经过0.1ms时间，向DSP主处理器发送脉宽为5ms的复位启动信号；DSP主处理器接收到复位启动信号后，从DSP存储电路加载启动文件，待复位启动信号结束后5ms时间，DSP主处理器退出复位，系统开始运行；系统运行后，DSP主处理器通过地址、数据总线从DSP存储电路获取外部设备控制需求，并将此需求经地址、数据总线发送给FPGA协控制器；
FPGA协控制器接收DSP主处理器的同步时钟信号实现两个时钟域的同步，并解析地址、数据总线来自DSP主处理器的外部设备控制需求，然后据此需求生成、发出控制信号；外部设备接收DSP主处理器的地址、数据总线和FPGA协控制器的控制信号，在DSP主处理器和FPGA协控制器的共同作用下完成指定操作，并将结果数据返回给DSP主处理器；DSP主处理器接收到外部设备的结果数据，经滤波、判别、运算等处理后，将部分关键重要数据通过地址、数据总线写入DSP存储电路，完成对系统的运行控制。
在常温常压下，系统持续运行2h，燃料电池温度达到50℃，对系统进行测试，测试结果为3kW再生燃料电池电源系统输出电压100V，半载阶跃电压波动峰峰值小于3V，系统效率约62％，系统持续运行稳定、高效。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统，其特征在于：包括DSP主处理器、FPGA协控制器、DSP复位电路、DSP时钟电路、FPGA时钟电路、DSP存储电路、FPGA存储电路；
DSP主处理器，与DSP存储电路、FPGA协控制器和外部设备通过地址、数据总线相连，系统加电后，DSP主处理器接收DSP时钟电路发出的时钟信号和FPGA协控制器发出的复位启动信号完成初始态的控制和启动文件加载，后经地址、数据总线从DSP存储电路获取外部设备控制需求，并将此需求经地址、数据总线发送给FPGA协控制器，由地址、数据总线和FPGA协控制器发出的控制信号共同完成外部设备控制和数据处理；
FPGA协控制器，系统加电后，FPGA协控制器首先接收DSP复位电路发出的复位信号完成复位操作和初始配置，然后向DSP主处理器发出复位启动信号触发DSP主处理器启动运行；DSP主处理器启动运行后，FPGA协控制器通过接收DSP主处理器的同步时钟信号实现两个时钟域的同步，并解析地址、数据总线来自DSP主处理器的外部设备控制需求；FPGA协控制器据此控制需求，生成、发出控制信号实现时序控制和外部设备管理；
DSP复位电路，与FPGA协控制器相连，为FPGA协控制器提供复位信号，并经FPGA协控制器发出的复位启动信号间接控制DSP主处理器的复位和启动；DSP复位电路根据FPGA协控制器的复位时序需求，为FPGA协控制器提供固定宽度、恒定电平的复位信号；
DSP时钟电路和FPGA时钟电路，分别与DSP主处理器和FPGA协控制器相连，为其提供工作时钟；DSP时钟电路由无源晶体实现，FPGA时钟电路由有源晶振实现，DSP时钟电路的工作频率即为DSP主处理器和FPGA协控制器的最终工作频率；
DSP存储电路为DSP主处理器提供启动文件、外部设备控制需求及关键重要数据存储，FPGA存储电路为FPGA协控制器提供基础配置文件和过程数据存储；FPGA协控制器在加电后即进行基础配置文件加载，运行过程中将过程数据进行存储；而DSP主处理器在加电直待接收到FPGA协控制器的复位启动信号后加载启动文件，运行过程中获取外部设备控制需求并将计算和处理的结果数据实时存储。
2.如权利要求1所述的宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统，其特征在于：系统加电后，DSP主处理器和FPGA协控制器均进入复位状态，经过t1时间，FPGA协控制器退出复位进入工作状态，此时DSP主处理器仍处于复位状态；再经过t2时间，FPGA协控制器向DSP主处理器发出脉宽为t3的启动信号，触发DSP主处理器启动文件加载；待触发信号结束后t4时间，DSP主处理器退出复位，系统开始工作。
3.如权利要求1所述的宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统，其特征在于：DSP复位电路可由阻容延时电路或MAX706复位芯片实现。
4.如权利要求1所述的宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制系统，其特征在于：每种DSP存储电路包括程序存储器和数据存储器。
5.宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制方法，其特征在于：具体步骤如下：
S1、系统加电，DSP复位电路产生一个固定宽度、恒定电平的复位信号并输出给FPGA协控制器；
S2、FPGA协控制器经过t1的时间退出复位，从FPGA存储电路加载配置文件完成初始配置；
S3、FPGA协控制器初始配置完成后，经过t2时间，向DSP主处理器发送脉宽为t3的复位启动信号；
S4、DSP主处理器接收到复位启动信号后，由DSP存储电路加载启动文件，待复位启动信号结束后t4时间，DSP主处理器退出复位，系统开始运行；
S5、系统运行后，DSP主处理器通过地址、数据总线从DSP存储电路获取外部设备控制需求，并将此需求经地址、数据总线发送给FPGA协控制器；
S6、FPGA协控制器接收DSP主处理器的同步时钟信号实现两个时钟域的同步，并解析地址、数据总线来自DSP主处理器的外部设备控制需求，然后据此需求生成、发出控制信号；
S7、外部设备接收DSP主处理器的地址、数据总线和FPGA协控制器的控制信号，在DSP主处理器和FPGA协控制器的共同作用下完成指定操作，并将结果数据返回给DSP主处理器；
S8、DSP主处理器接收到外部设备的结果数据，经滤波、判别、运算处理后，将部分关键重要数据通过地址、数据总线写入DSP存储电路，完成整个协同控制流程。
6.如权利要求5所述的宇航燃料电池电源系统多处理器平台协同控制方法，其特征在于：DSP复位电路可由阻容延时电路或MAX706复位芯片实现。
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