CN111935811A - 一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，包括步骤：步骤一、使用无人机蜂群系统中的n个机载数据终端的芯片内置的XADC数据采集系统作为温度传感器，并配置XADC中的相关参数，确保XADC正确运行；步骤二、通过XADC实时监测每个机载数据终端的当前温度，由各终端的可编程逻辑系统PL实时获取机载数据终端的温度T以及温度告警信号，并传输至地面设备；步骤三、各机载数据终端的可编程逻辑系统PL根据获取到的各终端的实时温度T，对实时温度T采取相应的分级控制策略，调整各终端的通信状态，实现对各终端的功率控制。本发明的方法确保终端不会因温度过高而损坏，保持长时间健康、稳定地运行，从而有效解决机载蜂群终端的自适应功率控制问题。

Description

一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，涉及一种机载蜂群终端自适应功率控制方法。

背景技术

随着无人机蜂群技术发展，机载数据终端通信功能日益完备，机载数据终端的功耗和工作温度也不断增加，如何在高功耗、高温度环境下实现无人机蜂群数据终端的自适应功率控制，以保证终端长时间正常运行，成为软、硬件设计的一个重要问题。

在无人机数据终端工作过程中，由于机载吊舱内散热不及时，温度过高导致芯片工作异常的可能性很高，此时可以利用温度传感器(例如Xilinx公司zynq-7000芯片内置的XADC)实时监测整机的工作温度是否正常，并采取相应措施。而在无人机蜂群系统执行任务中，更需要通过实时检测整机温度实现自适应功率控制，从而提高任务执行可靠性与蜂群系统的自愈能力。

文献“黄妹.基于zynq-7000内置XADC的数据采集系统设计.南京邮电大学2017.”设计了基于XADC的数据采集系统，但是其电路设计加重信号系统负担，尚未见其在无人机特别是蜂群领域实现对大量终端的自适应功率控制。

因此需要开发zynq-7000芯片中XADC的温度监测功能，并设计高效状态控制逻辑实现对机载蜂群终端的自适应功率控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，在机载数据终端运行过程中，通过zynq-7000芯片内置的XADC数据采集系统实时监测整机的温度，并根据所得当前温度采取相应的分级控制策略，确保终端不会因温度过高而损坏，保持蜂群系统长时间健康、稳定地运行，从而有效解决蜂群系统的自适应功率控制问题。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，包括如下步骤：

步骤一、使用无人机蜂群系统中的n个机载数据终端的zynq-7000芯片内置的XADC数据采集系统作为温度传感器，并配置XADC中的相关参数，确保XADC正确运行；n为正整数；

XADC中的相关参数的配置方法为：设置XADC配置寄存器Configurationregister1的最低位为“1’b0”；设置高温门限寄存器OT upper alarm register的低四位为“4’d3”；设置高温门限寄存器OT upper alarm register的高八位为W_TU，对应高温门限T_OU；设置低温门限寄存器OT lower alarm register的高八位为W_TL，对应低温门限T_OL；在生成机载数据终端的可编程逻辑系统PL执行程序的设计源程序中使用约束语句将高温保护模式打开；在生成机载数据终端的可编程逻辑系统PL执行程序的设计源程序中使用约束语句提升INL和SNR性能；

其中，T_OU＝0.12304×W_TU–273.15；T_OL＝0.12304×W_TL–273.15；

步骤二、通过XADC实时监测每个机载数据终端的当前温度，并生成相应的12位十进制编码值W_T，由各终端的可编程逻辑系统PL实时获取W_T并将其转换为机载数据终端的温度T，然后将温度T以及温度告警信号作为机载数据终端状态信息填入下行链路状态帧，传输至地面设备，地面上位机对各机载数据终端的健康状态进行实时监控；

如果机载数据终端的当前温度超过高温门限T_OU，XADC产生温度告警信号；

其中，温度T转换为12位的十进制编码值W_T的转换公式为：

T＝0.12304×W_T–273.15。

步骤三、各机载数据终端的可编程逻辑系统PL根据获取到的各终端的实时温度T，对实时温度T采取相应的分级控制策略，调整各终端的通信状态，实现对各终端的功率控制。

设置两个温度门限值：T₁、T₂，其中，T₁<T₂<T_OL<T_OU；

当T≤T₁时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端按照预定的状态正常工作；

当T₁<T≤T₂时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端降低其数传通道的发送数据速率；

当T>T₂时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端关闭发射信号；

当T≥T_OU时，XADC控制可编程逻辑系统PL自动掉电，机载数据终端进入高温保护状态；当机载数据终端进入高温保护状态后，温度下降，当T≤T_OL时，可编程逻辑系统PL重新上电，并自动加载程序，恢复工作。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法通过在线采集终端状态参数、下行链路状态实时传输、地面站上位机实时监控蜂群的方式，可以避免连接JTAG在线监测机载状态参数的诸多不便，容易实现地面站对蜂群数据终端的实时统一状态监控。

(2)本发明基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法通过对机载数据终端进行自适应功率控制，在终端温度高于所设门限值T_OU时自动掉电保护，在终端温度降低到所设门限值T_OL时重新上电工作，既可在高温环境下保护终端避免损坏，又可在温度降低时自动恢复工作，具有方便、灵活、高效等优点。同时在工作时可根据当前终端温度与所设门限值T₁和T₂进行比较，在不同温度区间内采取灵活的分级控制策略，具有较强的环境自适应能力，可在复杂的环境条件中健康、稳定、高效地工作。

(3)本发明的基于温度传感器(XADC数据采集系统)的机载蜂群终端自适应功率控制方法，在机载数据终端运行过程中，实时监测整机的温度，并根据所得当前温度对其采取相应的分级控制策略，确保终端不会因温度过高而损坏，保持长时间健康、稳定地运行，从而有效解决蜂群终端的自适应功率控制问题。本发明基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法可有效提升蜂群组网系统的抗毁性与系统的自愈能力，为蜂群协同任务提供有效支撑。

附图说明

图1为本发明基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法系统设计流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，包括如下步骤：

步骤(一)无人机蜂群系统中的n个数据终端均使用Xilinx公司zynq-7000芯片内置的XADC数据采集系统作为温度传感器，并配置XADC的相关参数，确保其正确运行。n为正整数；

zynq-7000系列芯片内置的模数转换器(XADC)是一种精确混合测量系统，包含两个采样率为1MSPS、输出为12比特的双端口ADC芯片和温度、电压传感器。这两个ADC为各种应用开发设计提供了通用、高精度的模拟接口，具有灵活的用户可配置逻辑输入，可用来实时监测片内温度和各种电压值。

在机载的PL设计中可通过XADC的相关寄存器配置相关参数，主要包括如下操作：

设置XADC配置寄存器Configuration register1(41H)的最低位为“1’b0”，设置高温门限寄存器OT upper alarm register(53H)的低四位为“4’d3”，设置高温门限寄存器OTupper alarm register(53H)的高八位为W_TU，对应高温门限T_OU(换算关系见步骤二)，设置低温门限寄存器OT lower alarm register(57H)的高八位为W_TL，对应低温门限T_OL(换算关系见步骤二)，可根据使用场景需要灵活配置T_OU和T_OL值。

在生成机载数据终端的可编程逻辑系统PL执行程序的设计源程序中使用如下约束语句将高温保护模式打开：

set_property BITSTREAM.CONFIG.OVERTEMPPOWERDOWN ENABLE[current_design]

在生成机载数据终端的可编程逻辑系统PL执行程序的设计源程序中使用如下约束语句提升INL和SNR性能：

set_property BITSTREAM.GENERAL.XADCENHANCEDLINEARITY ON[current_design]

步骤(二)通过XADC实时监测每个机载数据终端的当前温度，由终端的可编程逻辑系统(PL)实时获取整机温度以及温度告警信号，并将这些参数作为机载数据终端状态信息填入下行链路状态帧，传输至地面设备，以便地面上位机对各机载数据终端的健康状态进行实时监控。

XADC的温度、电压输出值与机载数据终端的实际温度、电压呈正比关系。温度传感器的输出温度经ADC采样后可以得到12位编码值，其十进制表示为W_T，经转换后可以得到机载数据终端实际的温度值T，其转换公式为：T(℃)＝0.12304×W_T–273.15。

XADC内部的电压传感器可以采集机载数据终端芯片的V_CCINT、V_CCAUX、V_CCBRAM等电压，电压传感器的输出电压经ADC采样后可以得到12位编码值，其十进制表示为W_V，经转换后可以得到其相应的电压值Y_V，其转换公式为Y_V(V)＝7.3242×10^-4×W_V。

PL实时获取XADC监测到的终端温度、电压等状态参数，以及这些参数超过正常值时的告警信号，并将这些状态信息填入下行链路状态帧，通过下行链路传输到地面设备，实现地面上位机对机载数据终端健康状态的实时监控。

步骤(三)各机载数据终端的PL根据获取到的终端实时温度，对其采取相应的分级控制策略，自适应地调整终端的通信状态，以实现功率控制等健康管理，确保其长时间健康稳定地工作。

各个机载数据终端通过XADC实时监测终端温度，并根据芯片特性和实际应用场景设置两个温度门限值：T₁、T₂，其中T₁<T₂<T_OL<T_OU。

设当前通过温度传感器监测到的机载数据终端温度为T，当T≤T₁时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端按照预定的状态正常工作；当T₁<T≤T₂时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端降低其数传通道的发送数据速率(数传通道的发送数据速率在可编程逻辑系统PL设计中分档可调，最低可设置为0，即关闭数传通道)，在降低功耗的情况下确保遥测链路正常运行；当T>T₂时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端关闭发射信号，牺牲遥测和数传链路以进一步降低功耗，确保地面遥控信号的正常接收解调。

当终端温度升高到T_OU，即T≥T_OU时，XADC会控制可编程逻辑系统PL自动掉电，进入保护状态以避免高温损坏；当终端进入掉电保护后，温度会不断下降，当温度降低到所设门限值T_OL，即T≤T_OL时，可编程逻辑系统PL会重新上电，并自动加载程序，恢复工作。其具体原理如下：

当T≥T_OU时，等待10ms后XADC会控制芯片自动进入关机序列，并将其GHIGH信号置高，不再进行任何配置，即可编程逻辑系统PL不再工作。当进入高温保护状态后，XADC自动使用内部晶振时钟，但其他状态不变。

进入关机保护后，XADC继续实时监测芯片温度，一旦监测到T≤T_OL，会将GHIGH信号置低，同时系统进入重启重配状态，可编程逻辑系统PL重新上电工作。

实施例：

将本发明基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法进一步进行应用分析。

图1为基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法系统设计流程。蜂群系统中的n个数据终端都采用各自的温度传感器(zynq-7000芯片内置的XADC数据采集系统)独立采集状态参数并进行自适应健康管理。采集的状态参数通过下行链路传输至地面站进行实时监控。

XADC的温度、电压输出值与机载数据终端的实际温度、电压呈正比关系。温度传感器的输出温度经ADC采样后可以得到12位编码值，其十进制表示为W_T，经转换后可以得到机载数据终端实际的温度值T，其转换公式为：T(℃)＝0.12304×W_T–273.15。当温度传感器的ADC采样编码值为“12’d2789”时，即可计算得到当前终端温度值为70℃。

XADC内部的电压传感器可以采集机载数据终端芯片的V_CCINT、V_CCAUX、V_CCBRAM等电压，电压传感器的输出电压经ADC采样后可以得到12位编码值，其十进制表示为W_V，经转换后可以得到其相应的电压值Y_V，其转换公式为Y_V(V)＝7.3242×10^-4×W_V。当电压传感器的ADC采样编码值为“12’d2458”，即可计算得到相应的电压值为1.8V。

设置XADC配置寄存器Configuration register1(41H)的最低位为“1’b0”；

设置高温门限寄存器OT upper alarm register(53H)的低四位为“4’d3”，高八位为“8’d3195”(对应高温门限T_OU＝120℃)；

设置低温门限寄存器OT lower alarm register(57H)的高八位为“8’d3114”(对应低温门限T_OL＝110℃)；

设置可编程逻辑系统PL分级控制的温度门限T₁＝90℃(对应温度传感器的ADC采样编码值为“12’d2951”)，T₂＝100℃(对应温度传感器的ADC采样编码值为“12’d3033”)。

各个机载数据终端通过温度传感器实时监测终端温度T，并与T₁、T₂、T_OL、T_OU进行比较，以实现温度分级控制策略：当机载数据终端温度低于90℃时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端按照预定的状态正常工作；当机载数据终端温度高于90℃、低于100℃时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端降低其数传通道的发送数据速率(数传通道的发送数据速率在可编程逻辑系统PL设计中分档可调，最低可设置为0，即关闭数传通道)，在降低功耗的情况下确保遥测链路正常运行；当机载数据终端温度高于100℃时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端关闭发射信号，牺牲遥测和数传链路以进一步降低功耗，确保地面遥控信号的正常接收解调。当终端温度升高至T_OU＝120℃后可编程逻辑系统PL自动掉电，进入高温保护状态，避免终端损坏；在高温保护状态下，当温度降低至T_OL＝110℃后，又可自动使可编程逻辑系统PL重新上电并加载程序，继续正常工作。

上述操作实现了机载蜂群终端的自适应功率控制，且不影响各个终端的正常使用。由于在不同温度区间内采取灵活的分级控制策略，具有较强的环境自适应能力，可在复杂的环境条件中健康、稳定、高效地工作。

可以通过地面的上位机网页实时监测各个蜂群数据终端的状态，操作简单便捷。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、使用无人机蜂群系统中的n个机载数据终端的zynq-7000芯片内置的XADC数据采集系统作为温度传感器，并配置XADC中的相关参数，确保XADC正确运行；n为正整数；

步骤二、通过XADC实时监测每个机载数据终端的当前温度，并生成相应的12位十进制编码值W_T以及温度告警信号，由各终端的可编程逻辑系统PL实时获取W_T并将其转换为机载数据终端的温度T，然后将温度T以及温度告警信号作为机载数据终端状态信息填入下行链路状态帧，传输至地面设备，地面上位机对各机载数据终端的健康状态进行实时监控；

步骤三、各机载数据终端的可编程逻辑系统PL根据获取到的各终端的实时温度T，对实时温度T采取相应的分级控制策略，调整各终端的通信状态，实现对各终端的功率控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，其特征在于，步骤一中，XADC中的相关参数的配置方法为：

设置XADC配置寄存器Configuration register1的最低位为“1’b0”；

设置高温门限寄存器OT upper alarm register的低四位为“4’d3”；

设置高温门限寄存器OT upper alarm register的高八位为W_TU，对应高温门限T_OU；

设置低温门限寄存器OT lower alarm register的高八位为W_TL，对应低温门限T_OL；

在生成机载数据终端的可编程逻辑系统PL执行程序的设计源程序中使用约束语句将高温保护模式打开；

在生成机载数据终端的可编程逻辑系统PL执行程序的设计源程序中使用约束语句提升INL和SNR性能。

3.根据权利要求2所述的一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，其特征在于，T_OU＝0.12304×W_TU–273.15。

4.根据权利要求3所述的一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，其特征在于，T_OL＝0.12304×W_TL–273.15。

5.根据权利要求4所述的一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，其特征在于，步骤二中，如果机载数据终端的当前温度超过高温门限T_OU，XADC产生温度告警信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，其特征在于，步骤二中，温度T转换为12位的十进制编码值W_T的转换公式为：T＝0.12304×W_T–273.15。

7.根据权利要求6所述的一种基于温度传感器的机载蜂群终端自适应功率控制方法，其特征在于，步骤三中，分级控制策略如下：

设置两个温度门限值：T₁、T₂，其中，T₁<T₂<T_OL<T_OU；

当T≤T₁时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端按照预定的状态正常工作；

当T₁<T≤T₂时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端降低其数传通道的发送数据速率；

当T>T₂时，可编程逻辑系统PL控制机载数据终端关闭发射信号；

当T≥T_OU时，XADC控制可编程逻辑系统PL自动掉电，机载数据终端进入高温保护状态；当机载数据终端进入高温保护状态后，温度下降，当T≤T_OL时，可编程逻辑系统PL重新上电，并自动加载程序，恢复工作。

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