CN116243738A - 一种平流层飞艇吊舱温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平流层飞艇吊舱温度控制系统，包括吊舱环境采集控制器，以及分别与其连接的温度探头、加热装置、散热装置和电源，吊舱环境采集控制器接收温度探头采集的温度数据，根据上位机设置的目标位置温度控制范围，自动控制加热装置或散热装置进行加热或散热，或者通过上位机发送的命令控制加热或散热，保持吊舱内工作环境温度稳定；还包括与吊舱环境采集控制器连接的电路板温度监控模块，电路板温度监控模块采集吊舱环境采集控制器内电路板的工作温度，并通过加热或散热保证电路板工作温度处于正常温度范围内。本发明提供了一种结构简单、可控性好的飞艇吊舱温度控制系统，能使飞艇吊舱设备工作在一个恒定的温度范围内。

Description

一种平流层飞艇吊舱温度控制系统

技术领域

本发明涉及飞艇控制领域，具体涉及一种平流层飞艇吊舱温度控制系统。

背景技术

随着航空航天技术的快速发展，平流层飞艇的战略价值引起了世界各国的高度重视。平流层飞艇不同于传统航空器和航天器，可在特定区域、特定高度、长期抗风驻留，具有一些独特优点，可为众多应用提供高价值搭载平台。

吊舱主要用于安装飞艇的仪器设备以及有效载荷，其一般分为仪器设备舱和有效载荷舱。为保障仪器设备和有效载荷的正常工作要求，必须提供合适的温度条件。

在20km高空，环境温度过低，如果不采取一些适当的措施，吊舱中的设备，包括通信设备，大都无法正常工作，尤其是一些对温度比较敏感的光电设备。另外，在20km高空，空气密度只有地面标准状况下的1/14，对流换热效果较差，很容易在载荷舱或者设备的局部位置形成热量集中，出现温度过高或过低的情形，影响设备的使用性能。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种平流层飞艇吊舱温度控制系统，使飞艇吊舱内对温度敏感的设备工作在一个恒定的温度范围内，且满足平流层飞舱吊舱设备在不同工况使用的条件。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种平流层飞艇吊舱温度控制系统，包括吊舱环境采集控制器，以及分别与吊舱环境采集控制器连接的温度探头、加热装置、散热装置和电源，吊舱环境采集控制器接收温度探头采集的温度数据，根据设置的目标位置温度控制范围，自动控制加热装置或散热装置进行加热或散热，或者通过接收到的命令控制加热或散热，保持吊舱内工作环境温度稳定；还包括与吊舱环境采集控制器连接的电路板温度监控模块，电路板温度监控模块采集吊舱环境采集控制器内电路板的工作温度，并通过加热或散热保证电路板工作温度处于正常温度范围内。

进一步的，所述吊舱环境采集控制器包括FPGA主控模块，以及分别与FPGA主控模块连接的至少一个温度数据采集模块、至少一个加热驱动模块、至少一个散热驱动模块、通讯模块和电源管理模块；温度数据采集模块采集目标位置温度数据，并将数据传递给FPGA主控模块；加热驱动模块，驱动加热装置加热目标环境；散热驱动模块，驱动散热装置运行降低目标温度；通讯模块，用于FPGA主控模块对外建立通讯连接；电源管理模块，用于输出多种规格电压，为整个设备提供电源；FPGA主控模块，用于接收发来的目标位置温度数据，同时将温度数据以及当前设备信息上传，并根据设定的自主模式或手动模式，判断是否创建加热和散热任务。

进一步的，所述吊舱环境采集控制器还包括与FPGA主控模块连接的电路板电压检测模块和指示灯显示模块；所述电路板电压检测模块，用于对温度控制设备运行状态监测，并将当前电压状态发送；所述指示灯显示模块，用于显示FPGA主控模块、以及通讯模块的运行状态。

进一步的，所述温度数据采集模块采用三线式接法与温度探头连接，通过模数转换器进行模数采样转换，换算得到温度。

进一步的，所述电路板温度监控模块包括板卡温度监测模块和板卡加热驱动电路，板卡温度监测模块包括在板卡上分散放置的至少一个温度传感器。

进一步的，所述加热驱动模块包括电阻R65，电阻R65的一端与FPGA主控模块的输出管脚相连，另一端连接光耦U19，光耦U19连接电机驱动芯片U20输入端，电机驱动芯片U20的输出端与加热装置的正负极相连，驱动加热装置；所述散热驱动模块包括电阻R19，电阻R19的一端与FPGA主控模块的输出管脚相连，另一端连接光耦U11，光耦U11连接电机驱动芯片U12，电机驱动芯片U12的输出端与散热装置的正负极相连,驱动散热装置；电机驱动芯片U12的输出端之间设置有一个二极管D54。

进一步的，所述电路板电压检测模块为板卡电压采样电路，板卡电压采样电路包括24V、9V、5V、3.3V前端采样电路，9V、5V、3.3V前端采样电路分别包括前端两个采样电阻分压，直接接入FPGA主控模块的ADC输入管脚上；24V前端采样电路包括芯片前端模拟输入和隔离ADC芯片U27，芯片前端模拟输入采用两个电阻分压，前端模拟采用5V供电，通过电容、磁珠和0Ω电阻进行隔离。

进一步的，所述指示灯显示模块包括发光二极管D5和发光二极管D6，发光二极管D5的正极串接电阻R111后与电源输出端DVCC_3V3相连，负极与数字地DGND相连；发光二极管D6的正极串联电阻R4后与电源输出端DVCC_3V3相连，负极与FPGA主控模块的输出管脚相连。

进一步的，所述电源管理模块包括防护及滤波电路和隔离电源；所述隔离电源包括24V转9V隔离电源、9V转5V隔离电源、9V转3.3V隔离电源和3.3隔离电源；所述防护及滤波电路包括PCB连接器，PCB连接器的两个接线端子分别连接24V电压和地BGND，24V电源和地之间依次连接有TVS管D1、储能电容C33和储能电容C34，TVS管D1的负极和储能电容C33的正极分别连接二极管D2的正极和负极。

进一步的，所述吊舱环境采集控制器通过五个航空连接器与外部进行连接，其中，一个2芯航空连接器用于供电连接，三个10芯航空连接器用于散热驱动输出、加热驱动输出、通信连接，一个61芯航空连接器用于温度探头。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过对吊舱环境温度进行采集，并通过加热或散热，保证吊舱内对温度较为敏感的设备工作在一个恒定的温度范围内，且能满足平流层飞舱吊舱设备在不同工况使用的条件。

2、本发明具有多个环境温度采集探头、多个散热驱动和多个加热驱动，可通过上位机灵活搭配配置，具有较强的灵活性和实用性。

3、本发明设置有电路板温度监控模块，避免温度控制设备因外界环境温度干扰，引发的运行异常，进一步避免因温度控制模块陷入停滞状态带来的损失。

4、本发明无需携带大量制冷剂，重量轻。

5、本发明结构简单，体积较小，而且能够满足不同环境下的制冷或加热需求，适用范围广。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明一种平流层飞艇吊舱温度控制系统的结构示意图。

图2是实施例中pt100探头的A/D采样电路图。

图3是实施例中板卡温度采样电路示意图。

图4是实施例中板卡电压采样电路示意图。

图5是实施例中指示灯显示模块的电路示意图。

图6是实施例中加热驱动模块的电路示意图。

图7是实施例中散热驱动模块的电路示意图。

图8是实施例中通讯模块的电路示意图。

图9是实施例中电源管理模块的电源树的示意图。

图10是实施例中电源防护及滤波电路的电路示意图。

图11是实施例中吊舱环境采集控制器的结构示意图。

附图标记：101为FPGA主控模块，101-1为FPGA的片上flash，101-2为FPGA的片上ADC，102为温度数据采集模块，103为pt100探头，104为板卡温度监测模块，105为电压检测模块，106为指示灯显示模块，107为电源管理模块，108为加热驱动模块，109为加热片，110为散热驱动模块，111为散热风扇，112为板卡加热模块，113为通讯模块，201为上位机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明公开了一种平流层飞艇吊舱温度控制系统，包括吊舱环境采集控制器，以及分别与吊舱环境采集控制器连接的温度探头、加热装置、散热装置和电源，吊舱环境采集控制器接收温度探头采集的温度数据，根据设置的目标位置温度控制范围，自动控制加热装置或散热装置进行加热或散热，或者通过接收到的命令控制加热或散热，保持吊舱内工作环境温度稳定；还包括与吊舱环境采集控制器连接的电路板温度监控模块，电路板温度监控模块采集吊舱环境采集控制器内电路板的工作温度，并通过加热或散热保证电路板工作温度处于正常温度范围内。电路板温度监控模块包括板卡温度监测模块和板卡加热模块，板卡温度监测模块包括在板卡上分散放置的至少一个温度传感器，板卡加热模块为板卡加热驱动电路。温度探头优选pt100探头，加热装置采用加热片，散热装置采用散热风扇。板卡加热模块为板卡加热驱动电路，板卡加热驱动电路的设计与图6中的外部加热驱动电路相同。

在一个实施例中，吊舱环境采集控制器包括FPGA主控模块，以及分别与FPGA主控模块连接的至少一个温度数据采集模块、至少一个加热驱动模块、至少一个散热驱动模块、通讯模块和电源管理模块；温度数据采集模块采集目标位置温度数据，并将数据传递给FPGA主控模块；加热驱动模块，驱动加热装置加热目标环境；散热驱动模块，驱动散热装置运行降低目标温度；通讯模块，用于FPGA主控模块和上位机之间建立通讯连接；电源管理模块，用于输出多种规格电压，为整个设备提供电源；FPGA主控模块，用于接收发来的目标位置温度数据，同时将温度数据以及当前设备信息传递给上位机，并根据上位机设定的自主模式或手动模式，判断是否创建加热和散热任务。FPGA主控模块包含一个FPGA片上flash，能够存储一些上位机设置的关键参数，如：工作模式、目标位置温度控制范围、设备工作温度范围等。

在另一个实施例中，吊舱环境采集控制器还包括与FPGA主控模块连接的电路板电压检测模块和指示灯显示模块；所述电路板电压检测模块，用于对温度控制设备运行状态监测，并将当前电压状态发送至上位机；所述指示灯显示模块，用于显示FPGA主控模块、以及通讯模块的运行状态。

如图2所示，实施例中公开了一种与温度采样探头的温度数据采集模块，温度数据采集模块采用三线制铂电阻进行温度-电压转换，采用ADS114S08芯片进行电压采样，20路ADC复用时钟和数据线，通过20个片选CS信号进行控制。采用三线式接法，其阻值会随温度上升而上升。恒流源供电，对铂电阻上产生的压降通过ADS114S08芯片U28进行模数采样转换，换算得到温度。

如图3所示，实施例中公开了一个板卡温度监测模块，板卡温度监测模块采用DS18B20数字温度传感器U52对板卡温度进行采样转换，对电路板的板卡温度进行实时采样，防止温度过低或过高，影响设备工作状态。优选采用4个板卡温度监测模块，即4路采样电路，4路采样电路在板卡上分散放置，保证均匀采样。板卡温度监测模块用于对温度控制设备的运行环境监测，同时将当前温度信息发送至上位机；当温度控制设备运行的环境温度不在所设置的正常范围内时，启动设备内的加热功能，使其工作在一个恒定的温度范围内。

如图4所示，实施例中公开了一个板卡电压监测模块，板卡电压监测模块为板卡电压采样电路，包括24V、9V、5V、3.3V电压前端采样电路，其中，9V、5V、3.3V电压前端采样电路通过前端采样电阻分压到合适的电压输入范围后，直接接入主控FPGA芯片的片上ADC(101-2模块)输入管脚上，通过片上ADC进行转换读取。而24V电压前端采样电路的输入电压则需要进行隔离ADC进行采样，隔离ADC采用AD7401芯片U27，芯片前端模拟输入采用电阻249kΩ和1kΩ分压，使输入电压值与0～200mv的输入范围适配。模拟端供电采用5V电压，需用磁珠和0Ω电阻进行隔离，layout设计时进行物理分割。

如图5所示，实施例中公开了一个指示灯显示模块，包括发光二极管D5和发光二极管D6，所述发光二极管D5的正极串接电阻R111后与电源输出端DVCC_3V3相连，负极与数字地DGND相连；所述发光二极管D6的正极串联电阻R4后与电源输出端DVCC_3V3相连，负极与FPGA主控模块的输出管脚相连。

如图6所示，实施例中公开了一个加热驱动模块，加热驱动模块为加热驱动电路，电阻R65的一端与FPGA主控模块的输出管脚相连，采用光耦TLP521 U19将FPGA输出的控制信号进行隔离，然后通过电机驱动芯片DRV8870DDAR U20进行控制输出24V，通过主控FPGA控制加热的启动和关闭，电机驱动芯片DRV8870DDAR的输出端与加热片正负极相连，通过驱动电路驱动加热片。

如图7所示，实施例中公开了一个散热驱动模块，散热驱动模块为散热驱动电路，电阻R19的一端与FPGA主控模块的输出管脚相连，采用光耦TLP521 U11将FPGA输出的控制信号进行隔离，然后通过电机驱动芯片DRV8870DDAR U12进行控制输出24V。通过主控FPGA控制散热的启动和关闭，芯片U12的输出端与散热风扇正负极相连,通过驱动电路驱动散热风扇。输出端放置一个二极管D54,降低方向电动势带来的电路损伤。驱动电路设计中的3.3V采用隔离电源3.3V。

如图8所示，实施例中公开了一个通讯模块，是串口通信模块，采用ADM2587E U50搭建全双工RS422电路，用于数据回传，与上位机或其他设备进行数据传输和指令传输动作。

如图9所示，实施例中公开了电源管理模块的电源树，电源树包括防护及滤波电路、外部驱动输出电路和隔离电源；外部驱动输出电路为11路24电源电压，包括板卡加热的1路电源、外部加热的5路电源、散热风扇的5路电源。

隔离电源包括24V转9V隔离电源、9V转5V隔离电源、9V转3.3V隔离电源和3.3隔离电源。24V转9V隔离电源采用VRB2409S-6WR3；9V转5V隔离电源采用TPS76801将9V转为5V，5V专给ADC模拟端供电，用0Ω电阻将数字地和模拟地隔开，layout设计时将DGND和AGND进行物理分割；9V转3.3V隔离电源采用TPS54260将9V转为3.3V；3.3隔离电源采用B0303S-1WR2将3.3V进行隔离，隔离后的电源为加热和散热输出驱动电路进行供电。

如图10所示，防护及滤波电路包括PCB连接器P1，PCB连接器的两个接线端子分别连接24V电压和地BGND，24V电源和地之间依次连接有TVS管D1、储能电容C33和储能电容C34，TVS管D1的负极和储能电容C33的正极分别连接二极管D2的正极和负极。

如图11所示，在一个实施例中，吊舱环境采集控制器主要包含20路实时温度采集、2路RS422通信、5路加热输出、5路散热输出、4路板卡温度采集、1路板卡加热。吊舱环境采集控制器通过5个航空连接器与外部进行连接。其中1个2芯航空连接器用于供电连接，3个10芯航空连接器用于散热驱动输出、加热驱动输出、通信连接，1个61芯航空连接器用于铂电阻温度探头。

在实施例中，本发明具备两种工作模式：自主模式和手动模式。所述上位机能够通过通讯模块选择切换不同的模式。

自动模式下，上位机需要将设置加热/散热对象、工作模式、环境温度参考路、温度下限值、温度上限值发送给吊舱环境采集控制器。吊舱环境采集控制器在接收参数后，会根据参数所选用的外部环境温度进行比较得到温度最大值(散热)和最小值(加热)，然后与温度上下限值进行比较，进而控制驱动输出。上位机设置目标位置温度控制范围，FPGA主控模块能够根据目标位置的测量温度，自动控制加热或散热任务的启动和关闭。

手动模式下，可直接通过上位机发送工作状态将输出设置为开启或关断状态，FPGA主控模块直接根据接收到的参数控制加热/散热输出。

此外，FPGA主控模块还需实时监控设备的电路板卡温度，通过上位机设定温度范围，根据测量的板卡温度，自主控制加热片进行板卡加热，例如，当检测到板卡温度降低到-50℃，启动加热电阻工作，加热到-40℃停止。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，包括吊舱环境采集控制器，以及分别与吊舱环境采集控制器连接的温度探头、加热装置、散热装置和电源，吊舱环境采集控制器接收温度探头采集的温度数据，根据设置的目标位置温度控制范围，自动控制加热装置或散热装置进行加热或散热，或者通过接收到的命令控制加热或散热，保持吊舱内工作环境温度稳定；还包括与吊舱环境采集控制器连接的电路板温度监控模块，电路板温度监控模块采集吊舱环境采集控制器内电路板的工作温度，并通过加热或散热保证电路板工作温度处于正常温度范围内。

2.根据权利要求1所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述吊舱环境采集控制器包括FPGA主控模块，以及分别与FPGA主控模块连接的至少一个温度数据采集模块、至少一个加热驱动模块、至少一个散热驱动模块、通讯模块和电源管理模块；温度数据采集模块采集目标位置温度数据，并将数据传递给FPGA主控模块；加热驱动模块，驱动加热装置加热目标环境；散热驱动模块，驱动散热装置运行降低目标温度；通讯模块，用于FPGA主控模块对外建立通讯连接；电源管理模块，用于输出多种规格电压，为整个设备提供电源；FPGA主控模块，用于接收发来的目标位置温度数据，同时将温度数据以及当前设备信息上传，并根据设定的自主模式或手动模式，判断是否创建加热和散热任务。

3.根据权利要求2所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述吊舱环境采集控制器还包括与FPGA主控模块连接的电路板电压检测模块和指示灯显示模块；所述电路板电压检测模块，用于对温度控制设备运行状态监测，并将当前电压状态发送；所述指示灯显示模块，用于显示FPGA主控模块、以及通讯模块的运行状态。

4.根据权利要求2所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述温度数据采集模块采用三线式接法与温度探头连接，通过模数转换器进行模数采样转换，换算得到温度。

5.根据权利要求2所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述电路板温度监控模块包括板卡温度监测模块和板卡加热驱动电路，板卡温度监测模块包括在板卡上分散放置的至少一个温度传感器。

6.根据权利要求2所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述加热驱动模块包括电阻R65，电阻R65的一端与FPGA主控模块的输出管脚相连，另一端连接光耦U19，光耦U19连接电机驱动芯片U20输入端，电机驱动芯片U20的输出端与加热装置的正负极相连，驱动加热装置；所述散热驱动模块包括电阻R19，电阻R19的一端与FPGA主控模块的输出管脚相连，另一端连接光耦U11，光耦U11连接电机驱动芯片U12，电机驱动芯片U12的输出端与散热装置的正负极相连,驱动散热装置；电机驱动芯片U12的输出端之间设置有一个二极管D54。

7.根据权利要求3所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述电路板电压检测模块为板卡电压采样电路，板卡电压采样电路包括24V、9V、5V、3.3V前端采样电路，9V、5V、3.3V前端采样电路分别包括前端两个采样电阻分压，直接接入FPGA主控模块的ADC输入管脚上；24V前端采样电路包括芯片前端模拟输入和隔离ADC芯片U27，芯片前端模拟输入采用两个电阻分压，前端模拟采用5V供电，通过磁珠和0Ω电阻进行隔离。

8.根据权利要求3所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述指示灯显示模块包括发光二极管D5和发光二极管D6，发光二极管D5的正极串接电阻R111后与电源输出端DVCC_3V3相连，负极与数字地DGND相连；发光二极管D6的正极串联电阻R4后与电源输出端DVCC_3V3相连，负极与FPGA主控模块的输出管脚相连。

9.根据权利要求2所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述电源管理模块包括防护及滤波电路和隔离电源；所述隔离电源包括24V转9V隔离电源、9V转5V隔离电源、9V转3.3V隔离电源和3.3隔离电源；所述防护及滤波电路包括PCB连接器，PCB连接器的两个接线端子分别连接24V电压和地BGND，24V电源和地之间依次连接有TVS管D1、储能电容C33和储能电容C34，TVS管D1的负极和储能电容C33的正极分别连接二极管D2的正极和负极。

10.根据权利要求1所述的平流层飞艇吊舱温度控制系统，其特征在于，所述吊舱环境采集控制器通过五个航空连接器与外部进行连接，其中，一个2芯航空连接器用于供电连接，三个10芯航空连接器用于散热驱动输出、加热驱动输出、通信连接，一个61芯航空连接器用于温度探头。

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