CN117492389A - 用于下一代控制系统的可配置控制器 - Google Patents

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Abstract

一种环境控制系统包括广播型控制器局域网(CAN)总线和耦接到所述CAN总线的多个可配置模块化控制器。所述多个可配置模块化控制器中的每一者包括：模块化控制器卡，所述模块化控制器卡具有微处理器；以及模块化驱动器板，所述模块化驱动器板被配置为与所述控制器卡连接和断开连接。所述环境控制系统还包括一个或多个传感器和主控制器。所述传感器被配置为感测一个或多个参数值并在所述CAN总线上提供所述一个或多个参数值。所述主控制器被配置为经由所述CAN总线与所述可配置模块化控制器中的每一者进行通信。

Description

用于下一代控制系统的可配置控制器
背景技术
示例性实施方案总体上涉及硬件控制器架构，并且更具体地涉及用于下一代控制系统的可配置控制器。
下一代环境控制和生命支持系统(ECLSS)是一种再生生命支持硬件系统，其目前正在开发中以通过人工手段为太空旅行人员和实验动物提供清洁的空气和水。ECLSS包括用于控制生活栖息地的生活环境的环境控制系统(ECS)，并且其设计目标是在空间站和/或天体上建立更多数量的长期居民，延长太空旅行者可以留在太空中的时间，并显著降低空间站或天体栖息地的操作成本。
发明内容
根据非限制性实施方案，一种环境控制系统包括广播型控制器局域网(CAN)总线和耦接到所述CAN总线的多个可配置模块化控制器。所述多个可配置模块化控制器中的每一者包括：模块化控制器卡，所述模块化控制器卡具有微处理器；以及模块化驱动器板，所述模块化驱动器板被配置为与所述控制器卡连接和断开连接。所述环境控制系统还包括一个或多个传感器和主控制器。所述传感器被配置为感测一个或多个参数值并在所述CAN总线上提供所述一个或多个参数值。所述主控制器被配置为经由所述CAN总线与所述可配置模块化控制器中的每一者进行通信。
除了本文描述的一个或多个特征以外，所述模块化控制器卡还包括微处理器。
除了本文描述的一个或多个特征以外，所述模块化驱动器板还包括专用于驱动专用负载的电子器件。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述ECS还包括大容量存储装置，所述大容量存储装置与所述CAN总线进行信号通信并且被配置为存储多种不同类型的驱动器软件，其中每个驱动器软件专用于驱动不同类型的负载。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述主控制器还响应于在所述模块化控制器卡与所述模块化驱动器板之间建立信号通信而确定所述专用负载。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述主控制器还响应于在所述模块化控制器卡与所述模块化驱动器板之间建立所述信号通信而从所述大容量存储装置获得与所述专用负载相对应的驱动器软件，并将所述驱动器软件加载到所述微控制器中。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述微控制器还驱动包括在所述模块化驱动器板上、连接到所述模块化驱动器板的专用电子器件。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述ECS还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为感测一个或多个参数值并在所述CAN总线上提供所述一个或多个参数值，并且其中所述主控制器监控所述多个可配置模块化控制器中的每一者并命令所述模块化控制器卡中的每一者的微处理器基于来自所述一个或多个传感器中的一者或多者的一个或多个参数值中的一者或多者来实施控制操作。
根据另一个非限制性实施方案，一种可配置模块化控制器包括：模块化控制器卡，所述模块化控制器卡包括微处理器；以及模块化驱动器板，所述模块化驱动器板被配置为与所述控制器卡连接和断开连接。所述模块化驱动器板包括专用于驱动与其连接的负载的电子器件。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述微处理器还被配置为存储多种不同类型的驱动器软件，其中每种类型的驱动器软件专用于驱动连接到所述模块化驱动板的负载。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述模块化驱动板还包括引导加载程序模块，所述引导加载程序模块被配置为响应于将所述模块化驱动器板连接到所述模块化控制器卡而确定驱动器软件的类型。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述引导加载程序模块还与主控制器进行通信并且响应于将所述模块化驱动器板连接到所述模块化控制器卡而请求所述类型的驱动器软件。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述引导加载程序模块还响应于所述请求而从所述主控制器接收所述类型的驱动器软件，并将所述类型的驱动器软件加载到包括在所述模块化控制器卡上的微控制器中。
除了所描述的一个或多个特征之外，其中包括在所述模块化控制器卡上的微控制器还根据由所述引导加载程序模块加载的驱动器软件的类型来控制包括在所述模块化驱动器板上的电子器件。
根据又一个非限制性实施方案，一种对可配置模块化控制器进行编程的方法包括在包括于模块化控制器卡上的微处理器与存储多种不同类型的驱动器软件的大容量存储装置之间建立信号通信。每个驱动器软件专用于专用于驱动不同类型的负载的多个不同模块化驱动器板中的专用于驱动负载的不同类型的模块化驱动器板。所述方法还包括：在所述模块化控制器卡与给定的模块化驱动板之间建立信号通信；将专用于所述给定的模块化驱动器板的驱动器软件从非易失性存储器递送到所述模块化控制器卡；以及将所述驱动器软件加载到所述微处理器中以对所述可配置模块化控制器进行编程。
除了本文描述的一个或多个特征之外，所述方法还包括使用所述编程的可配置模块化控制器来操作所述给定的模块化驱动器板以驱动所述负载。
附图说明
以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相似元件的编号相似：
图1是根据非限制性实施方案的能够实施一个或多个可配置模块化控制器的下一代环境控制和生命支持系统(ECLSS)的框图；
图2A描绘了根据非限制性实施方案的可配置的模块化控制器，其被配置为接收各种类型的模块化驱动器板以建立用于控制图1中所示的ECLSS的不同子系统的各种控制器；
图2B和图2C描绘了可以更换图2A中所示的模块化驱动器板的附加类型的模块化驱动器板；
图3描绘了根据非限制性实施方案的专用模块化马达驱动器板，其连接到加载的模块化控制器卡并且被配置为操作模块化马达驱动器板以建立可配置模块化控制器；
图4描绘了根据非限制性实施方案的被配置为接收专用模块化马达驱动器板的通用可配置模块化控制器卡；
图5描绘了根据非限制性实施方案的可配置模块化控制器卡响应于连接专用模块化马达驱动器板而与主转换控制单元交换数据；以及
图6描绘了根据非限制性实施方案的可配置模块化控制器卡根据与模块化马达驱动器板相对应的专用软件编程而编程以建立可配置模块化控制器。
具体实施方式
本文参考附图通过举例而非限制的方式呈现了所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。
如前所述，下一代ECLSS将包括用于控制生活栖息地的生活环境的环境控制系统(ECS)。传统的ECS包括一个或多个控制器，其专用于或被构造为根据特定应用(例如，120V马达驱动、28V阀门驱动等)进行操作。因此，包括在传统ECS中的控制器通常作为集成模块提供。也就是说，控制器包括微控制器以及与微控制器集成的各种电气部件，以建立单个集成控制器来驱动对应的特定系统或负载。然而，如果微控制器和/或一个或多个电气部件发生故障，则必须更换整个控制器(例如，微控制器和所有集成电气部件)。
本教导的各种非限制性实施方案提供了ECLSS的ECS，其中ECS包括可配置模块化控制器。可配置模块化控制器包括：模块化控制器卡，所述模块化控制器卡安装有微处理器；以及模块化驱动器板，所述模块化驱动器板被配置为与所述模块化控制器卡连接和断开连接。所述模块化驱动器板包括专用于驱动负载的电子器件。
在一个或多个非限制性实施方案中，在包括于模块化控制器卡上的微处理器与存储多种不同类型的驱动器软件的非易失性存储器之间建立信号通信。每个驱动器软件专用于专用于驱动不同类型的负载的多个不同模块化驱动器板中的专用于驱动负载的不同类型的模块化驱动器板。还在模块化控制器卡与给定的模块化驱动板之间建立信号通信。专用于给定的模块化驱动器板的驱动器软件从非易失性存储器递送到模块化控制器卡，并被加载到微处理器中以对可配置模块化控制器进行编程。
因此，通用模块化控制器卡可以基于要控制的期望负载接收(例如，连接)各种不同类型的模块化驱动器板，然后用专用于控制所连接的模块化驱动器板的软件进行编程。通过这种方式，如果包括在模块化控制器卡上的微控制器出现故障，则可以方便地用新的通用模块化控制器卡更换出现故障的模块化控制器卡，然后对新的通用模块化控制器卡进行编程以继续控制和操作由模块化驱动器板驱动的负载。如果包括在模块化驱动器板上的一个或多个电气部件发生故障，则可以方便地用新的或起作用的模块化驱动器板来更换发生故障的模块化驱动器板，以继续控制和操作由模块化驱动器板驱动的负载。在任一情况下，都不需要更换整个模块化配置，由此减少成本和/或电气部件浪费。
现在参考图1，示出了根据非限制性实施方案的包括在下一代环境控制和生命支持系统(ECLSS)中的控制系统200(例如，ECS)。尽管控制系统200的一个示例在本文中被描述为ECS，但是应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，控制系统200可以在包括于ECLSS中的其他类型的系统中实施。控制系统200包括主控制单元225、传感器模块221、一个或多个可配置模块化控制器210a至210n(统称为可配置模块化控制器210)，以及一个或多个系统负载400a至400n(统称为负载400)。传感器模块221、每个可配置模块化控制器210以及每个负载400可以经由CAN总线215彼此交换数据。控制系统200还可以包括电源总线217，以向主控制单元225、传感器模块221、可配置模块化控制器210、负载400中的一者或其组合供电。在一个或多个非限制性实施方案中，电源总线217与CAN总线215并联布置。
主控制单元225包括大容量存储装置232和主控制器230、辅助控制器231以及电源管理和分配(PMAD)单元233。大容量存储装置232可以包括被配置为存储多种不同类型的驱动器软件的非易失性存储器。每个驱动器软件专用于驱动不同类型的负载400。辅助控制器231可以用于控制(ECLSS)的辅助系统。例如，辅助控制器231可以包括被配置为控制加热系统的加热器控制器。PMAD单元233被配置为使用可以从大容量存储装置232存储、更新和获得的各种主动调整和学习的模型来执行电源和/或热管理。
图1中所示的控制系统200包括一个或多个可配置模块化控制器210a至210n(通常称为210)。如前所述，可配置模块化控制器210a至210n可以包括相同的软件设计，但是每个可配置模块化控制器可以提供不同功能(即，在不同的子系统上实施不同的控制操作)。
在一个或多个非限制性实施方案中，每个可配置的模块化控制器210包括可以与模块化驱动器板260连接或断开连接的模块化控制器卡250。模块化控制器卡250和模块化驱动器板260中的一者或两者可以用例如备用模块化控制器卡250′、备用模块化驱动器板260′、重新利用的模块化控制器卡、重新利用的模块化驱动器板或被配置为控制不同类型的负载400的不同类型的模块化控制器卡251/模块化驱动器板261更换。如前所述，示例性可配置模块化控制器210不限制替代布置。例如，一个或多个控制操作可以进一步细分以由两个或更多个可配置模块化控制器210控制。作为附加示例，可以包括冗余可配置模块化控制器210以用于控制操作中的一者或多者。
传感器模块221包括驱动电子器件和信号调节，以与一个或多个单独的传感器220对接和/或交换数据。由传感器220收集和测量的数据可以与模块化可配置模块化控制器210、负载400和/或主控制单元225交换。在一个或多个非限制性实施方案中，由可配置模块化控制器210执行的控制操作可以基于来自一个或多个传感器220的数据。例如，可配置模块化控制器210a可以使用来自包括在传感器模块221中的二氧化碳传感器220的二氧化碳(CO2)测量值。传感器模块221可以包括其他类型的传感器220，诸如，例如压力和温度(PT)传感器220、差压(dP)传感器220和压力(P)传感器220。来自所有传感器220的数据可通过CAN总线215供可配置模块化控制器210中的任一者和主控制器230使用。
主控制器230可以为可配置模块化控制器210中的每一者提供冗余。在主控制器230中的冗余功能性的情况中，可以基于CAN总线215的故障来指定主控制器230或每个可配置模块化控制器210是否以无数据模式操作以防止主控制器230和可配置模块化控制器210中的每一者试图对系统中的每一者执行无数据控制。另外，如果主控制器230发生故障，则可配置模块化控制器210中的一者或多者可以进行本地控制。例如，当主控制器230发生故障时，ECLSS可能失去对受管理状态机的总体控制。作为响应，可配置模块化控制器210中的一者或多者可以发起本地控制模式并基于从连接到CAN总线215的其他装置交换的信息做出决策。由于所述架构促进每个装置(例如，每个可配置模块化控制器210、主控制器230)访问CAN总线215上的所有通信，因此可以通过多种方式建立容错或冗余。也就是说，由广播型总线(例如，CAN总线)上的多个可配置模块化控制器210、主控制器230和传感器220定义的架构提供了稳健且灵活的解决方案来承受装置中的一者或多者中的故障。
现在转向图2A至图2C，示出了根据非限制性实施方案的用于建立可配置模块化控制器的模块化控制器卡250和一种或多种不同类型的模块化驱动器板260a、260b、260c和260d(统称为260)。如本文所述，模块化控制器卡250和模块化驱动器板260中的一者或两者可以被例如图2B和2C中所示的被配置为控制不同类型的负载400的备用模块、重新利用的模块或不同类型的模块更换。
模块化控制器卡250包括微控制器302、一个或多个控制器电子部件304、电源接口306、通信总线接口308和驱动器板接口310。控制器电子部件304包括但不限于电压调节器电路、直流-直流(DC/DC)转换器、电磁干扰(EMI)滤波器电路，以及电流浪涌控制/调节器电路。电源接口306被配置为与电源总线217建立信号通信。通信总线接口308被配置为与CAN总线215建立信号通信。驱动器板接口310被配置为与所连接的模块化驱动器板260建立信号通信。
在图2A至图2C中所示的示例中，微控制器302被示出为通用微控制器302，其包括引导加载程序模块303(简称为“引导加载程序”)，但是不包括专用于控制或操作模块化驱动器板260a、260b、260c和260d中的任一者的任何专用软件。引导加载程序303可以被实施为由微控制器302执行的软件，并且被配置为在模块化控制器卡250上加载操作系统和/或应用程序。当模块化控制器卡250最初通电和/或检测到模块化驱动器板260a、260b、260c和260d中的一者与驱动器板接口310的初始连接时，引导加载程序303可以促进与主控制单元225的数据交换。对模块化控制器卡250的识别也可以由微控制器302检测以确定专用软件也可以通过经由通信总线接口308获得的离散ID来促进。通过这种方式，引导加载程序303可以从大容量存储装置232获取专用于给定的模块化驱动器板的驱动器软件，并将专用驱动器软件和/或专用应用程序加载到模块化控制器卡250上。因此，模块化控制器卡250和/或微控制器302可以被编程为执行专用于模块化驱动器板260的操作，以建立如本文所述的可配置模块化控制器210。
每个模块化驱动器板260包括卡接口262、负载接口264和专用驱动器电子器件266。卡接口262被配置为与模块化控制器卡250建立连接和信号通信。负载接口264被配置为与所连接的系统负载400建立信号通信。
专用驱动器电子器件266专用于操作和驱动特定类型的系统负载。例如，120伏(V)驱动器板260a可以包括被配置为驱动120V负载(诸如，例如120V马达)的专用驱动器电子器件266a。28V驱动器板260b可以包括被配置为驱动28V负载(诸如，例如28V电池)的专用驱动器电子器件266b。28V螺线管驱动器板260c可以包括被配置为驱动一个或多个28V螺线管的专用驱动器电子器件266c。传感器驱动器板260d可以包括被配置为驱动一个或多个传感器220的专用驱动器电子器件266d。
现在转向图3，示出了遵循模块化控制器卡250与模块化驱动器板260之间的连接的可配置模块化控制器210。尽管120V模块化驱动器板260a被示出为连接到可配置模块化控制器210，但是应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，专用于驱动不同负载的其他模块化驱动器板260可以连接到模块化控制器卡250。
如本文所述，在引导加载程序303经由CAN总线215从大容量存储装置232获得与所连接的120V模块化驱动器板260a相对应的专用驱动器软件和/或应用程序320并将其加载到微控制器302中之后，建立可配置模块化控制器210。在该示例中，专用驱动器软件和/或应用程序320包括但不限于模数(A/D)驱动器软件、通信软件、输入/输出(I/O)控制软件和过流保护软件。因此，微控制器302可以控制可配置模块化控制器210来执行专用于操作和控制120V模块化驱动器板260a的操作，并且120V模块化驱动器板260a可以驱动连接到负载接口264a的120V负载。
现在转向图4、图5和图6，示出了建立可配置模块化控制器210的过程流。在图4中，通用模块化控制器卡250连接到电源总线217以接收电力并连接到CAN总线215以与主控制单元交换数据。如本文所述，模块化控制器卡250在该阶段处被称为“通用”模块化控制器卡，因为微控制器302不包括专用于控制或操作特定模块化驱动器板260的任何专用软件。
继续参考图4，选择120V模块化驱动器板260a来建立可配置模块化控制器210以用于最终控制120V负载，诸如，例如120V马达。在该示例中，120V模块化驱动器板260a包括专用于驱动120V负载的各种120V驱动器电子器件266a。120V驱动器电子器件266a包括但不限于光隔离电子器件、高侧栅极驱动器电路、低侧栅极驱动器电路、高压桥式整流器、峰值过流保护电路、平均过流保护电路和水平电偶极子(HED)激励电路。
转向图5，示出了遵循与120V模块化驱动器板260a电连接的通用模块化控制器卡250。响应于建立电连接，引导加载程序303引导通用模块化控制器卡250与主控制单元215进行通信并请求存储在大容量存储装置232中的专用驱动器软件和/或应用程序。
在一个或多个非限制性实施方案中，主控制器单元225可以识别出所连接的模块化驱动器板是120V模块化驱动器板260a，从大容量存储装置232获得专用于操作120V模块化驱动器板260a的驱动器软件和/或应用程序，并将专用驱动器软件和/或应用程序递送到通用模块化控制器卡250。在一些实施方案中，通用模块化控制器卡250通知主控制单元225所连接的模块化驱动器板是120V模块化驱动器板260a。因此，主控制单元225可以将对应的专用驱动器软件和/或应用程序递送到通用模块化控制器卡250，如本文所述。
参考图6，示出了在加载了专用于120V模块化驱动器板260a的驱动器软件和/或应用程序320之后的模块化控制器卡250。也就是说，在该阶段处，模块化控制器卡250不再被认为是“通用的”，而是被认为是专用于控制120V模块化驱动器板260a的专用模块化控制器卡250。因此，建立了专用于控制120V负载的可配置模块化控制器210a。
本文中所使用的术语仅是为了描述特定实施方案，而不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文另有明确指明，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”意图也包括复数形式。还将理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其组合的存在或添加。
虽然已经参考一个或多个示例性实施方案描述了本公开，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种改变并可用等效物取代本公开的元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可进行许多修改以使特定情形或材料适应本公开的教导。因此，本公开无意限于作为预期用于实施本公开的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种环境控制系统(ECS)，其包括：
广播型控制器局域网(CAN)总线；
耦接到所述CAN总线的多个可配置模块化控制器，所述多个可配置模块化控制器中的每一者包括模块化控制器卡和模块化驱动器板，所述模块化驱动器板被配置为与所述控制器卡连接和断开连接；以及
主控制器，所述主控制器被配置为经由所述CAN总线与所述多个可配置模块化控制器进行通信。
2.如权利要求1所述的ECS，其中所述模块化控制器卡包括微处理器。
3.如权利要求2所述的ECS，其中所述模块化驱动器板包括专用于驱动专用负载的电子器件。
4.如权利要求3所述的ECS，其还包括大容量存储装置，所述大容量存储装置与所述CAN总线进行信号通信并且被配置为存储多种不同类型的驱动器软件，其中每个驱动器软件专用于驱动不同类型的负载。
5.如权利要求4所述的ECS，其中所述主控制器响应于在所述模块化控制器卡与所述模块化驱动器板之间建立信号通信而确定所述专用负载。
6.如权利要求5所述的ECS，其中所述主控制器响应于在所述模块化控制器卡与所述模块化驱动器板之间建立所述信号通信而从所述大容量存储装置获得与所述专用负载相对应的驱动器软件，并将所述驱动器软件加载到所述微控制器中。
7.如权利要求6所述的ECS，其中所述微控制器驱动包括在所述模块化驱动器板上、连接到所述模块化驱动器板的专用电子器件。
8.如权利要求2所述的ECS，其中所述ECS还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为感测一个或多个参数值并在所述CAN总线上提供所述一个或多个参数值，
其中所述主控制器监控所述多个可配置模块化控制器中的每一者并命令所述模块化控制器卡中的每一者的所述微处理器基于来自所述一个或多个传感器中的一者或多者的一个或多个参数值中的一者或多者来实施控制操作。
9.一种可配置模块化控制器，其包括：
模块化控制器卡，所述模块化控制器卡包括微处理器；以及
模块化驱动器板，所述模块化驱动器板被配置为与所述控制器卡连接和断开连接，所述模块化驱动器板包括专用于驱动与其连接的负载的电子器件。
10.如权利要求9所述的可配置模块化控制器，其中所述微处理器被配置为存储多种不同类型的驱动器软件，其中每种类型的驱动器软件专用于驱动连接到所述模块化驱动板的负载。
11.如权利要求10所述的可配置模块化控制器，其中所述模块化驱动板还包括引导加载程序模块，所述引导加载程序模块被配置为响应于将所述模块化驱动器板连接到所述模块化控制器卡而确定驱动器软件的类型。
12.如权利要求11所述的可配置模块化控制器，其中所述引导加载程序模块与主控制器进行通信并且响应于将所述模块化驱动器板连接到所述模块化控制器卡而请求所述类型的驱动器软件。
13.如权利要求12所述的可配置模块化控制器，其中所述引导加载程序模块响应于所述请求而从所述主控制器接收所述类型的驱动器软件，并将所述类型的驱动器软件加载到包括在所述模块化控制器卡上的微控制器中。
14.如权利要求13所述的可配置模块化控制器，其中包括在所述模块化控制器卡上的所述微控制器根据由所述引导加载程序模块加载的驱动器软件的类型来控制包括在所述模块化驱动器板上的电子器件。
15.一种对可配置模块化控制器进行编程的方法，所述方法包括：
在包括于模块化控制器卡上的微处理器与存储多种不同类型的驱动器软件的大容量存储装置之间建立信号通信，每个驱动器软件专用于专用于驱动不同类型的负载的多个不同模块化驱动器板中的专用于驱动负载的不同类型的模块化驱动器板；
在所述模块化控制器卡与给定的模块化驱动板之间建立信号通信；
将专用于所述给定的模块化驱动器板的所述驱动器软件从所述大容量存储装置递送到所述模块化控制器卡；以及
将所述驱动器软件加载到所述微处理器中以对所述可配置模块化控制器进行编程。
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