CN114609465A - 一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，它包括控制模块、电源模块、外部供电模块、锂电池、内外部供电转换模块；控制模块内写入有电源程控软件；外部供电模块与电源模块和控制模块连接，控制模块与所述内外部供电转换模块连接，内外部供电转换模块分别与电源模块和锂电池连接；控制模块根据写入的电源程控软件的控制逻辑向内外部供电转换模块发出不同的控制信号，来选择外部供电模块供电或者锂电池供电。本发明确保了异常环境试验下存储测试系统能可靠获取测试数据，很好满足异常环境试验测试的复杂待机需求，采用该电源程控技术，所需的输入信号电缆少，还能可靠监测存储测试系统中电池供电状态是否正常。

Description

一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置

技术领域

本发明涉及嵌入式测试技术领域，尤其涉及一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置。

背景技术

武器系统的高空跌落试验、火炮加载高速撞击靶目标试验、火箭撬加载高速撞击靶目标试验、水平撞击试验、高温火烧试验、深水压试验、高g值离心试验等均属于异常环境试验。在这类环境试验中，往往需要采用弹载存储测试系统对不宜采用常规集成式仪器测试的信号进行测试，比如，封闭结构内部的力学加速度、应变等响应信号测试，高速穿甲侵彻过程的高冲击过载信号的测试，高温火烧环境下封闭结构内部温度信号测试，深水环境下封闭结构内部的温度、湿度、压力、应变等信号的测试等。这类环境试验测试往往伴随高温、高冲击、高压力的外部环境，采用外部集成式仪器测试存在无法引出信号线缆，异常环境下信号线缆断裂、熔断等情况，所以往往采用存储测试系统测试，将测试系统安装在试验件内部形成独立的存储测试体，对所有内部信号进行同步存储测试，试验完成后进行测试装置回收，回读内部存储体的数据。

存储测试系统主要由锂电池、电源管理器件、A/D数据采集器件、存储器器件等组成。其中，锂电池作为存储测试系统的供电组件，是核心组件，试验中一旦锂电池出现异常，则存储测试系统无法采集测试数据，造成试验测试失败。锂电池在试验过程中的异常主要包括：其一，高速冲击或高温环境下出现瞬时掉电现象；其二，以往试验中，存储测试系统的锂电池通常作为独立组件与存储测试系统的内部电路分开设计，在正式试验时，将锂电池的正、负电极线缆与存储测试系统的内部电路正、负电极线缆相连，实现存储测试系统供电。这种供电方式，在高速撞击环境中锂电池的正、负电极线缆容易受冲击断裂，造成系统供电中断，测试失败；其二，在深水压等环境下，一旦试验对象出现漏水等现象，则外露的锂电池线缆容易受外部水浸润导致短路发生，造成存储测试装置损坏，测试失败，还可能引起锂电池爆燃爆炸的安全事故。其三，环境试验的试验对象从装配至正式试验的时间往往不固定，这就导致存储测试系统的待机时间不固定，以往为可靠获取数据，往往采用大容量的锂电池满足从试验装配开始至试验结束的全程数据采集电能需求，这造成锂电池体积大、容量大，导致系统发热量大，安全风险大，一旦锂电池容量估算失误，容易造成正式试验时锂电池电量不足，则无法获取正式试验数据。因此，如何解决异常环境试验中锂电池电极线缆外露冲击断裂、遇水短路、试验任意待机以及试验过程瞬间断电等技术问题，是目前需要考虑的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，解决了异常环境试验中锂电池电极线缆外露冲击断裂、遇水短路、试验任意待机以及试验过程瞬间断电等技术问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，它包括控制模块、电源模块、外部供电模块、锂电池、内外部供电转换模块；所述控制模块内写入有电源程控软件；所述外部供电模块与所述电源模块和控制模块连接，控制模块与所述内外部供电转换模块连接，内外部供电转换模块分别与所述电源模块和锂电池连接；所述控制模块根据写入的电源程控软件的控制逻辑向所述内外部供电转换模块发出不同的控制信号，控制内外部供电转换模块内部的开关管的导通状态，进而选择外部供电模块供电或者锂电池供电。

所述电源模块包括电源芯片U2，所述外部供电模块包括分压电路、DC直流电源和二极管D1；所述DC直流电源分别与二极管D1和分压电路连接，分压电路与所述控制模块连接，二极管D1的另一端与电源芯片U2和所述内外部供电转换模块连接；通过二极管D1将输入的DC直流电源降压后对电源芯片U2进行供电。

所述控制模块包括控制芯片U1，电源芯片U2输出3.3V电压作为控制芯片U1的VCCIO电压，以及输出1.8V电压作为控制芯片U1的VCCINT内核电压；控制芯片U1的P3端口的SL状态变更锁存线与所述分压电路连接，P6端口与所述内外部供电转换模块连接，通过输出锂电池开关控制信号来控制是否接入锂电池进行供电。

所述内外部供电转换模块包括三极管Q1、mos管Q2、电阻R3和R4；所述三极管Q1的基极通过电阻R3与控制芯片U1的P6端口连接，集电极与mos管Q2的栅极连接；在三极管Q1的集电极和mos管Q2的栅极之间连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接锂电池的正极；mos管Q2的漏极与电源芯片U2连接，源极连接锂电池的正极；通过控制输入到三极管Q1基极信号的电平高低来控制三极管Q1和mos管Q2的开/闭状态，进而控制是否接入锂电池进行供电。

所述外部供电模块还包括一储能电容C1，电容C1与二极管D1的输出端并联，实现锂电池在异常环境作用下掉电时通过储存的电能进行续电一点时间，并对DC直流电源进行滤波。

所述控制模块中的电源程控包括初始状态、外部DC直流电源供电转为内部锂电池供电状态、内部锂电池供电转为外部DC直流电源供电状态和内部锂电池供电维持不变状态四种控制逻辑。

初始状态时，存储测试系统外部接入DC直流电源，通过二极管D1进行降压后给电源芯片U2提供输入电压，并输出3.3V和1.8V电源为控制芯片U1供电，U1初始上电置P6端口为低电平，P3端口的STS状态反馈线为高电平，使得三极管Q1和mos管Q2处于关闭状态，锂电池P+锂电池正极线上的电压不输出给存储测试系统，同时电容C1处于持续充电状态。

外部DC直流电源供电转为内部锂电池供电状态时，控制芯片U1中P5端口的SL状态变更锁存线产生2.3V的高电平，将P1端口的IN0指令输入线或者P2端口的IN1指令输入线与地线连接，使得指令输入线为低电平，此时P6端口输出高电平，三极管Q1和mos管Q2同时开启，锂电池输出6.5V电压，使得mos管Q2和三极管Q1的压差大于门限电压2.5V，mos管Q2导通，锂电池通过mos管Q2给电源芯片U2供电。

内部锂电池供电转为外部DC直流电源供电状态时，控制芯片U1中P5端口的SL状态变更锁存线产生2.3V的高电平，将P1端口的IN0指令输入线或者P2端口的IN1指令输入线与地线连接，使得指令输入线为低电平，此时P6端口输出低电平，使得三极管Q1和mos管Q2处于关闭状态，锂电池输出的电压断开与电源芯片U2的连接，存储测试系统采用外部DC直流电源供电。

内部锂电池供电维持不变状态时，控制芯片U1实时检测P5端口SL状态变更锁存线的电平高低，如果为低电平则维持P6端口的高电平状态，存储测试系统不接入外部DC直流电源。

本发明具有以下优点：一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，确保了异常环境试验下存储测试系统能可靠获取测试数据，很好满足异常环境试验测试的复杂待机需求，采用该电源程控技术，所需的输入信号电缆少，还能可靠监测存储测试系统中电池供电状态是否正常。

附图说明

图1 为本发明电路示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，它包括控制模块、电源模块、外部供电模块、锂电池、内外部供电转换模块；所述控制模块内写入有电源程控软件；所述外部供电模块与所述电源模块和控制模块连接，控制模块与所述内外部供电转换模块连接，内外部供电转换模块分别与所述电源模块和锂电池连接；所述控制模块根据写入的电源程控软件的控制逻辑向所述内外部供电转换模块发出不同的控制信号，控制内外部供电转换模块内部的开关管的导通状态，进而选择外部供电模块供电或者锂电池供电。

所述电源模块包括电源芯片U2，所述外部供电模块包括分压电路、DC直流电源和二极管D1；所述DC直流电源分别与二极管D1和分压电路连接，分压电路与所述控制模块连接，二极管D1的另一端与电源芯片U2和所述内外部供电转换模块连接；通过二极管D1将输入的DC直流电源降压后对电源芯片U2进行供电。

进一步地，电源芯片U2可有单独DC/DC模块、DC/DC模块+LDO线性稳压组合模块或单独的LDO线性稳压模块构成形式。其包括电压输入端口POWER_IN、GND地线、电压输出OUT1、电压输出OUT2构成。其中电压输出OUT1、OUT2可根据实际应用的情况进行任意扩展至多路多类别电压输出，以适合不同的CPLD/FPGA器件电源应用。

其中，分压电路包括电阻R1和R2，将外部DC直流电源7V通过R1、R2分压电路后接入U1的P5端口的SL状态变更锁存线，作为U1的输入端口激励信号。SL状态变更锁存线的作用为：内部锂电池通断控制必须受制于外部是否接入DC直流电源，若外部未接入DC直流电源，则内部锂电池的供电状态不改变，只有系统检测到接入了DC直流电源后，程控系统才可根据外部输入指令决定锂电池的输出是打开还是关闭，且可任意切换，否则锁定锂电池保持当前工作状态，不受外界干扰影响。

其中，二极管D1为功率二极管用于隔离外部DC直流电源7V与内部锂电池的供电，即使用外部直流电源供电时，内部锂电池不供电。

所述控制模块包括控制芯片U1，电源芯片U2输出3.3V电压作为控制芯片U1的VCCIO电压，以及输出1.8V电压作为控制芯片U1的VCCINT内核电压；控制芯片U1的P3端口的SL状态变更锁存线与所述分压电路连接，P6端口与所述内外部供电转换模块连接，通过输出锂电池开关控制信号来控制是否接入锂电池进行供电。

进一步地，控制芯片U1为CPLD或FPGA器件，其输入为时钟信号GCLK、内核电压CPLD_1V8、IO电压CPLD_3V3、GND地线、JTAG编程接口信号TMS、TDI、TDO、TCK以及P1~P6电源程控IO端口信号；其中，P1~P6 IO端口信号又包括内部信号：P5-SL状态变更锁存线、P6-POWER_CON锂电池开关控制信号，外部交互信号：P1-IN0指令输入线、P2-IN1指令输入线、P3-STS状态反馈线三种。U3为晶振，可以为有源晶振，也可为无源晶振。

所述内外部供电转换模块包括三极管Q1、mos管Q2、电阻R3和R4；所述三极管Q1的基极通过电阻R3与控制芯片U1的P6端口连接，集电极与mos管Q2的栅极连接；在三极管Q1的集电极和mos管Q2的栅极之间连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接锂电池的正极；mos管Q2的漏极与电源芯片U2连接，源极连接锂电池的正极；通过控制输入到三极管Q1基极信号的电平高低来控制三极管Q1和mos管Q2的开/闭状态，进而控制是否接入锂电池进行供电。

所述外部供电模块还包括一储能电容C1，其容值根据不同应用需求，选择为0.33F~1.5F之间，电容C1与二极管D1的输出端并联，实现锂电池在异常环境作用下掉电时通过储存的电能进行续电几秒钟，并对DC直流电源进行滤波。

本发明为减少电路板的面积以及系统低功耗控制要求，U1的CPLD/FPGA可编程逻辑控制器件选择为ALTERA公司生产的EPM570ZM型CPLD，其内核电压VCCIO为1.8V，IO电压为3.3V，时钟频率达100MHz以上；U2选择为LDO模块ADP7104-3.3V和ADP7104-1.8V，其输入电压为3.3V~20V范围，纹波为μV级，PSRR达60dB以上，封装为微型LFCSP，电流为500mA，特别适合高精度的大电流输出应用。U3为晶振，选择为4MHz的有源晶振，其封装为2016型，采用3.3V供电；Q1为三极管，选择为常用的9013型贴片三极管；Q2为PMOS管，选择为KD2301型PMOS管，其门限电压为2.5V，特别适合嵌入式电源开关控制应用，D1为功率二极管，选择为IN4148型，其负载电流达1A，响应时间为ns级；C1为法拉电容，选择为STARCAP公司生产的DCL 5R5 105型法拉电容，其操作电压为5.5V，容量为1F。

本发明的工作原理为：初始状态：首先在存储测试系统外部接入DC直流电源7V信号，则DC直流电源7V信号通过二极管D1后降低至6.4V电压为U2提供输入电压，此时POWER_IN=6.4V左右，U2输出为CPLD_3.3V和CPLD_1.8V为U1的CPLD/FPGA可编程逻辑控制组件供电，U1初始上电置P6-POWER_CON锂电池开关控制信号为低电平，STS状态反馈线为高电平，则Q1的三极管处于关闭状态，此时Q2的PMOS管也处于关闭状态，P+锂电池正极线上的电压不输出给存储测试系统，同时C1的法拉电容处于持续充电状态，直到充满为止，初始状态下采用外部DC直流电源供电，内部锂电池不供电，确保锂电池电量不变化。

外部DC直流电源供电转为内部锂电池供电状态：当连接外部DC直流电源7V供电时，SL状态变更锁存线上产生2.3V的高电平，将IN0指令输入线和IN1指令输入线同时与GND地线相连，U1检测到IN0指令输入线和IN1指令输入线同时为低电平，同时SL状态变更锁存线为高电平，立即置P6-POWER_CON锂电池开关控制信号为高电平，则Q1三极管和Q2 PMOS管同时开启，内部锂电池电压为6.5V左右，则PMOS管的栅极和源极出现6.5V的压差大于门限电压2.5V，则PMOS管导通，P+锂电池正极线电压输出给POWER_IN，则系统采用内部锂电池供电，此时断开外部DC直流稳压电源，系统的STS状态反馈线依然为3.3V输出，证明内部锂电池供电正常。

内部锂电池供电转为外部DC直流电源供电状态：当连接外部DC直流电源7V供电时，SL状态变更锁存线上产生2.3V的高电平，将IN0指令输入线和IN1指令输入线中的任意一根与GND地线相连，U1检测到IN0指令输入线或IN1指令输入线为低电平，同时SL状态变更锁存线为高电平，立即置P6-POWER_CON锂电池开关控制信号为低电平，则Q1三极管和Q2PMOS管同时关闭，内部锂电电池的P+锂电池正极线电压与POWER_IN断开，则系统采用外部DC直流电源供电，系统的STS状态反馈线依然为3.3V输出，证明外部DC直流供电正常。

内部锂电池供电状态维持不变状态（正式试验测试状态）：只要系统不接入外部DC直流电源，则SL状态变更锁存线为低电平，U1始终检测到SL状态变更锁存线为低电平，则维持当前P6的电平状态，从而保持锂电池的供电不收外部意外干扰影响，保持稳定供电。

本发明以存储测试系统外壳为参考物，锂电池盒内部程控电路板封装于存储测试系统内部，并采用环氧树脂进行灌封处理，灌封前，锂电池的正极、负极已与内部程控电路板上的电源正、负极相连，但是由于受外部指令控制，锂电池的输出处于关闭状态。在存储测试系统外部只包括五个信号，即IN0指令输入线、IN1指令输入线、STS状态反馈线、外部直流电源正极、外部直流电源负极。外部直流电源负极与存储测试装置内部的锂电池负极在内部程控电路板上直接相连，实现共地处理。

本发明将锂电池的电极隐藏安装在存储测试系统内部，并可事先将电极线与内部电路板上的供电线相连，并进行了环氧树脂的灌封处理，这种方式可避免以往将锂电池线缆外露于存储测试系统外部，在高速冲击模式或高温火烧环境下导致锂电池电极电缆断裂失效的问题，也可解决深水压情况下试验对象渗漏导致锂电池电极短路引起爆燃爆炸的安全问题；采用外部IN0、IN1的指令输入程控内部锂电池输出和关闭输出操作，可实现试验任意待机，适应试验现场复杂多变的工况模式；采用法拉级大容量法拉电容作为续电器件，可有效消除高速撞击环境、火烧环境下锂电池瞬时掉电的问题，一旦电池掉电，法拉电容将自动放电，放电持续时间达数秒，可有效避免电池掉电引起的测试失效问题；该电源程控技术使用的器件数少，通过选择合适的微型封装器件，可大幅减少电路板的尺寸占用空间，却能显著提高存储测试系统中的电源供电可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，其特征在于：它包括控制模块、电源模块、外部供电模块、锂电池、内外部供电转换模块；所述控制模块内写入有电源程控软件；所述外部供电模块与所述电源模块和控制模块连接，控制模块与所述内外部供电转换模块连接，内外部供电转换模块分别与所述电源模块和锂电池连接；所述控制模块根据写入的电源程控软件的控制逻辑向所述内外部供电转换模块发出不同的控制信号，控制内外部供电转换模块内部的开关管的导通状态，进而选择外部供电模块供电或者锂电池供电。

2.根据权利要求1所述的一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，其特征在于：所述电源模块包括电源芯片U2，所述外部供电模块包括分压电路、DC直流电源和二极管D1；所述DC直流电源分别与二极管D1和分压电路连接，分压电路与所述控制模块连接，二极管D1的另一端与电源芯片U2和所述内外部供电转换模块连接；通过二极管D1将输入的DC直流电源降压后对电源芯片U2进行供电。

3.根据权利要求2所述的一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，其特征在于：所述控制模块包括控制芯片U1，电源芯片U2输出3.3V电压作为控制芯片U1的VCCIO电压，以及输出1.8V电压作为控制芯片U1的VCCINT内核电压；控制芯片U1的P3端口的SL状态变更锁存线与所述分压电路连接，P6端口与所述内外部供电转换模块连接，通过输出锂电池开关控制信号来控制是否接入锂电池进行供电。

4.根据权利要求3所述的一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，其特征在于：所述内外部供电转换模块包括三极管Q1、mos管Q2、电阻R3和R4；所述三极管Q1的基极通过电阻R3与控制芯片U1的P6端口连接，集电极与mos管Q2的栅极连接；在三极管Q1的集电极和mos管Q2的栅极之间连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接锂电池的正极；mos管Q2的漏极与电源芯片U2连接，源极连接锂电池的正极；通过控制输入到三极管Q1基极信号的电平高低来控制三极管Q1和mos管Q2的开/闭状态，进而控制是否接入锂电池进行供电。

5.根据权利要求2所述的一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，其特征在于：所述外部供电模块还包括一储能电容C1，电容C1与二极管D1的输出端并联，实现锂电池在异常环境作用下掉电时通过储存的电能进行续电一点时间，并对DC直流电源进行滤波。

6.根据权利要求2所述的一种异常环境试验用存储测试系统的电源供电程控装置，其特征在于：所述控制模块中的电源程控包括初始状态、外部DC直流电源供电转为内部锂电池供电状态、内部锂电池供电转为外部DC直流电源供电状态和内部锂电池供电维持不变状态四种控制逻辑。

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