CN113553280B - 基于i2c总线的综合电子平台多模块分时上电方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统及方法，包括：一次电源电压V通过电源模块中的二次电源转换模块转换为二次电源电压V1和V2；二次电源电压V1通过主控模块和电控模块直接给外部设备供电；二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块，各模块将二次电源电压V2通过三次电源转换模块转换为三次电源电压；二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电；根据预设需求由主控模块发送指令通过三次电源电压控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块进行上电或断电的电源管理。

Description

基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电方法及系统
技术领域
本发明涉及导弹弹上综合电子多模块电源管理技术，具体地，涉及一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电方法及系统，更为具体地，涉及一种基于I2C总线控制的各模块三次电源的分时供电及健康管理技术。
背景技术
随着现代军事工业的发展，导弹武器弹上电子产品越来越趋向于小型化、模块化、智能化，弹上电气设备的集成化设计也就愈趋紧迫。在此背景下，基于功能模块化设计以及一体化综合集成设计理念的综合电子平台应运而生。该平台承担着信息处理、制导控制、导航、逻辑时序控制等众多功能，精小的尺寸、较高的功耗、紧缩的电源预算和热损限制给弹上电源的管理带来了挑战。此外，随着技术的发展，系统对于电源的要求也不断提高并愈趋多样化，远不止于仅进行电压变换等有限的功能。于是，电源也由一个相对单一的电能变换装置演变成有能力进行实时监测和调度分配，能高效率、高稳定和高安全可靠性工作，具备较完备电能管理和控制能力的复杂系统，即电源管理系统。
根据弹上计算机软件的逻辑时序，各个模块工作也有相应的时序要求。在分系统调试或软件烧录时各模块一般也不需要同时供电，在传统的弹上设备供电方案中，由同一组电源供电的多个模块都是同时加电或同时断电的，一方面造成了能源浪费，提高了电源预算，较大尺寸的电池占用了较多的弹体空间；另一方面增大了热损，给设备散热及健康维护带来了挑战。
本发明基于综合电子平台采用了创新性的电源管理技术，通过I2C总线通信进行弹上能源的合理的调度分配，实现了弹上各模块根据逻辑时序或测试需求分时上电功能，有效的解决了性能和功耗之间的矛盾，达到降低系统的整体功耗的目的。此外，该电源管理系统不仅能将一次电源转化为二次电源和三次电源并进行分配利用，还能实时监测各个模块的工作状态、电压和温度，对供电故障或温升过高的模块及时筛查处理，确保系统安全性和可靠性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统及方法。
根据本发明提供的一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，包括：电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块；所述电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块通过I2C总线连接，所述主控模块为主模块，所述基带模块、高速信息处理模块、电控模块以及电源模块为从模块；从模块挂载在I2C通信总线上；
一次电源电压V通过电源模块中的二次电源转换模块转换为二次电源电压V1和V2；
二次电源电压V1通过主控模块和电控模块直接给外部设备供电；
二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块，各模块将二次电源电压V2通过三次电源转换模块转换为三次电源电压；二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电；
根据预设需求由主控模块发送指令通过三次电源电压控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块进行上电或断电的电源管理。
优选地，所述电源模块包括：输入滤波储能电路、功率变换电路输出滤波电路以及BUCK模块；
一次电源电压V输入电源模块，经过输入滤波储能电路，给2个功率变换电路DC/DC模块供电，分别产生V1和V2二次电源电压。
优选地，所述三次电源电压包括：二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块自带的DC-DC变换成各种三次电源电压。
优选地，所述二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电包括：二次电源电压V2另一路经过BUCK非隔离变换得到电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电。
优选地，所述电源管理包括：由主控模块发送指令控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块微处理器控制三次电源转换模块把二次电源电压转换成各类三次电源电压给各模块主处理器上电或断电。
优选地，所述各模块微处理器与所述主处理器之间通过UART端口进行通信交互。
优选地，还包括：基带模块、高速信号处理模块以及电控模块接收到主控模块的检测读取指令后，各模块将当前的检测信息组织成报文通过微处理器上传总线，实时监测各模块健康状态。
优选地，所述检测信息包括：各模块电压、温度以及工作状态信息。
根据本发明提供的一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电方法，包括：电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块；所述电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块通过I2C总线连接，所述主控模块为主模块，所述基带模块、高速信息处理模块、电控模块以及电源模块为从模块；从模块挂载在I2C通信总线上；
一次电源电压V通过电源模块中的二次电源转换模块转换为二次电源电压V1和V2；
二次电源电压V1通过主控模块和电控模块直接给外部设备供电；
二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块，各模块将二次电源电压V2通过三次电源转换模块转换为三次电源电压；二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电；
根据预设需求由主控模块发送指令通过三次电源电压控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块进行上电或断电的电源管理。
优选地，所述电源模块包括：输入滤波储能电路、功率变换电路输出滤波电路以及BUCK模块；
一次电源电压V输入电源模块，经过输入滤波储能电路，给2个功率变换电路DC/DC模块供电，分别产生V1和V2二次电源电压；
所述三次电源电压包括：二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块自带的DC-DC变换成各种三次电源电压；
所述二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电包括：二次电源电压V2另一路经过BUCK非隔离变换得到电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电；
所述电源管理包括：由主控模块发送指令控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块微处理器控制三次电源转换模块把二次电源电压转换成各类三次电源电压给各模块主处理器上电或断电；
还包括：基带模块、高速信号处理模块以及电控模块接收到主控模块的检测读取指令后，各模块将当前的检测信息组织成报文通过微处理器上传总线，实时监测各模块健康状态。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明分时上电的电源管理技术可以有效平衡高性能和高功耗之间的矛盾，减小了电能损耗；
2、本发明主控模块可以通过总线读取各模块的电压、温度及工作状态信息，实时监测各模块健康状态，有利于设备管理维护和安全可靠地工作；
3、本发明电源模块集中分配和调度弹上二次电源，直接给各模块供电，管理起来更加直接方便，并且较易采用综合滤波措施处理电源的电磁兼容问题；
4、本发明提供了一种基于I2C总线控制的各模块三次电源的分时供电及健康管理技术，应用于导弹弹上综合电子平台。通过I2C总线通信进行弹上能源的合理的调度分配，实现了弹上各功能模块根据逻辑时序或测试需求分时上电功能，有效的解决了性能和功耗之间的矛盾，达到降低系统的整体功耗的目的；
5、本发明电源管理系统不仅能将一次电源转化为二次电源和三次电源并进行分配利用，还能实时监测各个模块的工作状态、电压和温度，并将相关健康信息通过微处理器I2C总线上传存储在主控模块中，对供电故障或温升过高的模块及时筛查处理，确保系统安全性和可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统示意图；
图2为电源模块原理框图；
图3为综合电子I2C总线拓扑及硬件连接示意图；
图4为电源管理及监测模块硬件连接图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明基于I2C总线的各模块三次电源的分时供电及健康管理技术。不同于传统弹上电气系统整体同时加电和断电，该平台电源管理系统以主控模块为主机，其它模块为从机挂载在I2C通信总线上，根据弹上系统不同工作阶段或测试要求，主控模块通过总线指令控制其它各模块分时上电，即需要时“模块工作”，不需要时“模块休眠”。分时上电的电源管理技术可以有效平衡高性能和高功耗之间的矛盾，减小了电能损耗。主控模块还可以通过总线读取各模块的电压、温度及工作状态信息，实时监测各模块健康状态，有利于设备管理维护和安全可靠地工作。
实施例1
根据本发明提供的一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，包括：电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块；所述电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块通过I2C总线连接，所述主控模块为主模块，所述基带模块、高速信息处理模块、电控模块以及电源模块为从模块；从模块挂载在I2C通信总线上；
一次电源电压V通过电源模块中的二次电源转换模块转换为二次电源电压V1和V2；
二次电源电压V1通过主控模块和电控模块直接给外部设备供电；
二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块，各模块将二次电源电压V2通过三次电源转换模块转换为三次电源电压；二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电；
根据预设需求由主控模块发送指令通过三次电源电压控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块进行上电或断电的电源管理。
具体地，所述电源模块包括：输入滤波储能电路、功率变换电路输出滤波电路以及BUCK模块；
一次电源电压V输入电源模块，经过输入滤波储能电路，给2个功率变换电路DC/DC模块供电，分别产生V1和V2二次电源电压。
具体地，所述三次电源电压包括：二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块自带的DC-DC变换成各种三次电源电压。
具体地，所述二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电包括：二次电源电压V2另一路经过BUCK非隔离变换得到电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电。
具体地，所述电源管理包括：由主控模块发送指令控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块微处理器控制三次电源转换模块把二次电源电压转换成各类三次电源电压给各模块主处理器上电或断电。
具体地，所述各模块微处理器与所述主处理器之间通过UART端口进行通信交互。
具体地，还包括：基带模块、高速信号处理模块以及电控模块接收到主控模块的检测读取指令后，各模块将当前的检测信息组织成报文通过微处理器上传总线，实时监测各模块健康状态。
具体地，所述检测信息包括：各模块电压、温度以及工作状态信息。
本发明提供的一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，可以通过本发明提供的一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电方法中的步骤流程实现。本领域技术人员，可以将所述一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电方法理解为一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统的一个优选例。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
本发明提供的一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，包括：
综合电子平台由主控模块、电源模块、高速模块、基带模块、电控模块等多个模块组成，主控模块用于信息解算、通信与信号采集及总线数据交换；电源模块为综合电子平台供电；高速模块用于处理高速信号；基带模块实现双向数据链和遥测功能；电控模块用于电压采集和硬件点火电路的控制。
其中，电源模块集中管理弹上二次电源转换与分配，为综合电子设备的各个模块及其附属提供所需的+12V、+15V等二次直流电源和+3.3V三次直流电源，并满足隔离要求。如图1所示，一次电源+28.5V由背板进入电源模块，经DC/DC及滤波处理转化为二次及三次电源，该电源经由综合电子平台背板结构向其它各个模块供电。
其中，电源模块由输入滤波储能电路、功率变换电路、输出滤波电路和降压式变换(以下简称“BUCK”)模块等组成，如图2所示。一次电源电压+28.5V输入电源模块，然后经过输入滤波储能电路，给2个功率变换电路DC/DC模块1和2供电，分别产生+15V和+12V二次电源，+15V、+12V二次电源直接给设备供电或可根据需要由其它模块自带的DC-DC变换成各种三次电源使用，+12V二次电源经过BUCK非隔离变换得到+3.3V/1A，该电源为各模块I2C总线通信专用。
综合电子设备的各个模块，包括主控模块、高速模块、基带模块、电源模块和电控模块通过I2C总线连接，其中主控模块为主设备，其他模块为从设备。综合电子上电后，各个模块的健康管理软件收集板内运行的电压、温度等信息，最后汇总至主控模块，以达到检测综合电子设备各个模块是否正常启动运行的目的。监测信息汇总至主控模块后，主控模块会把电压及温度值与正常值进行对比，判断是否存在过电压/欠电压或温度过高等情况，通过读取报文及时发现异常。
如图3所示，一次电源+28.5V经过电源模块中的二次电源模块转换为+12V、+15V，+15V给各模块传感器供电，+12V一路输出给各模块三次电源转换模块，另一路经过BUCK电路转换成+3.3V给各模块间的I2C通信专用。
各模块都包含有一个电源管理和监测子模块，控制和监测的微处理器选用TI公司的混合信号微控制器MSP430F5324。除电源模块外，各模块微处理器通过控制三次电源转换模块把从电源模块过来的二次电源+12V转换成各类三次电源给主处理器上电，各模块微处理器与主处理器之间通过UART端口进行通信交互。
以高速模块为例，其电源管理检测处理器与主处理器的硬件结构如图4所示，其余各模块与之类似。高速模块中电源管理及监测微处理器MSP430F5324作为从机挂载在I2C总线上，用来接收主机(主控模块)发送的指令或向主机发送信息，主处理器选用TI公司基于Keystone架构的双核处理器TMS320C6678ACYPA25，其单核具有浮点20GFLOPS，定点40GFLOPS的运算能力，每一个核包含512KB二级存储器，一个32KB一级程序存储器和一个32KB数据存储器。该器件还包含一个4096KB的多核共享存储空间，此外该处理器具备EMIF-16、I2C、SPI、SRIO、DDR3等多种对外接口，用于其它功能模块的通信需求。当接收到主控休眠或工作的指令时，微处理器控制三次电源模块对主处理器进行上电或断电；当接收到读取指令时，微处理器通过串口通信UART收集电压温度信息，并把相关信息打包上传至总线。处理器时钟晶振由CDCM6208芯片产生，并且可以对主处理器进行复位操作。
系统初始工作时，先由电源模块上电，其它各模块紧接着上电。主控模块健康管理软件按照1s的时间周期(对应频率1Hz)分别向其他模块(从设备)发送检测读取报文，启动读取其他模块检测信息的命令或者进行各模块的上电及断电操作，读取顺序见表1所示。根据协议，检测报文先给出各模块地址，再发送自检命令，自检读取命令0xAA表示“启动读取”，即读取模块的电压、温度等信息。0xFF表示“模块休眠”，即对模块断电。0x00表示“模块工作”，即对模块上电。通过该命令可以方便地对各模块三次电源进行分时上电、断电，达到需要时工作，不需要时休眠的目的，大大节省了能源，降低了电源预算。
从设备接收到主控模块健康管理软件发出的有效“检测读取”指令后，电源管理和监测模块将当前的检测信息组织成报文通过微处理器MSP430F5324上传总线，检测信息包括各模块I2C通信状态、设备电压值、板卡温度、电压及温度检测点等信息。
主控模块健康管理软件在接收到所有其他模块的健康管理数据信息后，主控FPGA软件按照一定的数据格式汇总“综合电子设备健康状态”，数据内容包含有各模块I2C通信状态、各模块工作状态及健康状态等信息，再将主控模块健康管理数据与其他模块一起进行打包处理，最后将健康管理内容存放至主控存储空间中。
表1综合电子设备各模块的I2C数据传输顺序
指令序号 报文序列 报文名称
主控模块→高速模块 检测读取
高速模块→主控模块 自检测上传
主控模块→电控模块 检测读取
电控模块→主控模块 自检测上传
主控模块→基带模块 检测读取
基带模块→主控模块 自检测上传
主控模块→电源模块 检测读取
电源模块→基带模块 自检测上传
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，其特征在于，包括：电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块；所述电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块通过I2C总线连接，所述主控模块为主模块，所述基带模块、高速信息处理模块、电控模块以及电源模块为从模块；从模块挂载在I2C通信总线上；
一次电源电压V通过电源模块中的二次电源转换模块转换为二次电源电压V1和V2；
二次电源电压V1通过主控模块和电控模块直接给外部设备供电；
二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块，各模块将二次电源电压V2通过三次电源转换模块转换为三次电源电压；二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电；
根据预设需求由主控模块发送指令通过三次电源电压控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块进行上电或断电的电源管理；
基带模块、高速信号处理模块以及电控模块接收到主控模块的检测读取指令后，各模块将当前的检测信息组织成报文通过微处理器上传总线，实时监测各模块健康状态；
所述检测信息包括：各模块电压、温度以及工作状态信息。
2.根据权利要求1所述的基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，其特征在于，所述电源模块包括：输入滤波储能电路、功率变换电路输出滤波电路以及BUCK模块；
一次电源电压V输入电源模块，经过输入滤波储能电路，给2个功率变换电路DC/DC模块供电，分别产生V1和V2二次电源电压。
3.根据权利要求1所述的基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，其特征在于，所述三次电源电压包括：二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块自带的DC-DC变换成各种三次电源电压。
4.根据权利要求1所述的基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，其特征在于，所述二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电包括：二次电源电压V2另一路经过BUCK非隔离变换得到电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电。
5.根据权利要求1所述的基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，其特征在于，所述电源管理包括：由主控模块发送指令控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块微处理器控制三次电源转换模块把二次电源电压转换成各类三次电源电压给各模块主处理器上电或断电。
6.根据权利要求5所述的基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电系统，其特征在于，所述各模块微处理器与所述主处理器之间通过UART端口进行通信交互。
7.一种基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电方法，其特征在于，包括：电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块；所述电源模块、基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块通过I2C总线连接，所述主控模块为主模块，所述基带模块、高速信息处理模块、电控模块以及电源模块为从模块；从模块挂载在I2C通信总线上；
一次电源电压V通过电源模块中的二次电源转换模块转换为二次电源电压V1和V2；
二次电源电压V1通过主控模块和电控模块直接给外部设备供电；
二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块，各模块将二次电源电压V2通过三次电源转换模块转换为三次电源电压；二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电；
根据预设需求由主控模块发送指令通过三次电源电压控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块进行上电或断电的电源管理；
基带模块、高速信号处理模块以及电控模块接收到主控模块的检测读取指令后，各模块将当前的检测信息组织成报文通过微处理器上传总线，实时监测各模块健康状态；
所述检测信息包括：各模块电压、温度以及工作状态信息。
8.根据权利要求7所述的基于I2C总线的综合电子平台多模块分时上电方法，其特征在于，所述电源模块包括：输入滤波储能电路、功率变换电路输出滤波电路以及BUCK模块；
一次电源电压V输入电源模块，经过输入滤波储能电路，给2个功率变换电路DC/DC模块供电，分别产生V1和V2二次电源电压；
所述三次电源电压包括：二次电源电压V2一路输出给基带模块、主控模块、高速信号处理模块以及电控模块自带的DC-DC变换成各种三次电源电压；
所述二次电源电压V2另一路经过BUCK模块转换成电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电包括：二次电源电压V2另一路经过BUCK非隔离变换得到电压V3给综合电子平台各模块间的I2C通信供电；
所述电源管理包括：由主控模块发送指令控制基带模块、高速信号处理模块以及电控模块微处理器控制三次电源转换模块把二次电源电压转换成各类三次电源电压给各模块主处理器上电或断电。
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