CN218848638U - 一种平流层飞艇吊舱温度控制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，包括吊舱环境采集控制器，以及与吊舱环境采集控制器分别连接的温度探头、加热装置、散热装置和电源，所述吊舱环境采集控制器包括壳体，壳体内安装有FPGA主控芯片，以及分别与FPGA主控芯片连接的至少一个温度数据采集电路、至少一个加热驱动电路、至少一个散热驱动电路、通讯模块和电源模块，FPGA主控芯片通过通讯模块与上位机进行通信，温度数据采集电路将温度探头的电压转换成温度，加热驱动电路驱动加热装置进行加热，散热驱动电路驱动散热装置进行散热，电源模块将电源转换成不同工作电压。本实用新型满足平流层飞艇吊舱设备在不同工况下使用。

Description

一种平流层飞艇吊舱温度控制设备

技术领域

本实用新型涉及飞艇吊舱，具体涉及一种平流层飞艇吊舱温度控制设备。

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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对上述存在的问题，提供了一种平流层飞艇吊舱温度控制设备，通过对温度进行采集，并进行加热和散热控制，解决吊舱内设备易受温度影响的问题，提供一个恒定工作温度范围，满足平流层飞舱吊舱设备在不同温度下的使用。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型公开了一种平流层飞艇吊舱温度控制设备，包括吊舱环境采集控制器，以及与吊舱环境采集控制器分别连接的温度探头、加热装置、散热装置和电源，所述吊舱环境采集控制器包括壳体，壳体内安装有FPGA主控芯片，以及分别与FPGA主控芯片连接的至少一个温度数据采集电路、至少一个加热驱动电路、至少一个散热驱动电路、通讯模块和电源模块，FPGA主控芯片通过通讯模块进行通信，温度数据采集电路将温度探头的电压转换成温度，加热驱动电路驱动加热装置进行加热，散热驱动电路驱动散热装置进行散热，电源模块将电源转换成不同工作电压。

进一步的，所述FPGA主控芯片上还分别连接有板卡温度采集电路和板卡加热驱动电路，板卡加热驱动电路还连接板卡加热片，驱动板卡加热片进行加热。

进一步的，所述壳体内还安装有分别与FPGA主控芯片连接的板卡电压监测电路和指示灯显示电路。

进一步的，所述温度数据采集电路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成温度，包括20路ADC复用时钟和数据线，通过20个片选CS信号进行控制。

进一步的，所述加热驱动电路包括电阻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。

进一步的，所述散热驱动电路包括电阻R19，电阻R19的一端与FPGA主控芯片的输出管脚相连，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，所述板卡温度采集电路包括温度传感器U52，温度传感器U52的输入输出引脚DQ连接FPGA主控芯片，温度传感器U52的电源引脚VDD连接3V电源和接地，接地线路上设有电容C347，输入输出引脚和电源引脚之间连接有电阻R360。

进一步的，板卡电压监测电路包括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主控芯片的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，ADC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。

进一步的，所述指示灯显示电路包括包括发光二极管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主控芯片的输出管脚相连。

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，包括一个与电源连接的2芯航空连接器，三个用于散热驱动输出、加热驱动输出、通信连接的10芯航空连接器，一个与温度探头连接的61芯航空连接器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型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、本实用新型采用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、本实用新型设置有对控制器本身电路板温度的监控模块，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、本实用新型结构简单，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

图1为本实用新型一种平流层飞艇吊舱温度控制设备的结构示意图。

图2为实施例中一种平流层飞艇吊舱温度控制设备的结构示意图。

图3是实施例中pt100探头的A/D采样电路图。

图4是实施例中板卡温度采样电路示意图。

图5是实施例中板卡电压采样电路示意图。

图6是实施例中指示灯显示电路的电路示意图。

图7是实施例中加热驱动电路的电路示意图。

图8是实施例中散热驱动电路的电路示意图。

图9是实施例中通讯模块的电路示意图。

图10是实施例中电源模块的电源树的示意图。

图11是实施例中电源防护及滤波电路的电路示意图。

图12是实施例中吊舱环境采集控制器的壳体结构示意图。

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，301为壳体。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1和12所示，本实用新型公开了一种平流层飞艇吊舱温度控制设备，包括吊舱环境采集控制器，以及与吊舱环境采集控制器分别连接的温度探头、加热装置、散热装置和电源，所述吊舱环境采集控制器包括壳体，壳体内安装有FPGA主控芯片，以及分别与FPGA主控芯片连接的至少一个温度数据采集电路、至少一个加热驱动电路、至少一个散热驱动电路、通讯模块和电源模块，FPGA主控芯片通过通讯模块与上位机进行通信，温度数据采集电路将温度探头的电压转换成温度，加热驱动电路驱动加热装置进行加热，散热驱动电路驱动散热装置进行散热，电源模块将电源转换成不同工作电压。

在一个实施例中，FPGA主控芯片上还分别连接有板卡温度采集电路和板卡加热驱动电路，板卡加热驱动电路还连接板卡加热片，驱动板卡加热片进行加热。

在实施例中，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。

如图2所示，在另一个实施例中，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、上位机和电源，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。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7中的外部加热驱动电路相同。

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。

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3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电路，温度数据采集电路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4所示，实施例中公开了一个板卡温度监测电路，板卡温度监测电路采用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。

如图5所示，实施例中公开了一个板卡电压监测电路，板卡电压监测电路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6所示，实施例中公开了一个指示灯显示电路，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主控芯片的输出管脚相连。

如图7所示，实施例中公开了一个加热驱动电路，包括电阻R65，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8所示，实施例中公开了一个散热驱动电路，包括电阻R19，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9所示，实施例中公开了一个通讯模块，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10所示，实施例中公开了电源模块的电源树，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11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。

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设备，其特征在于，包括吊舱环境采集控制器，以及与吊舱环境采集控制器分别连接的温度探头、加热装置、散热装置和电源，所述吊舱环境采集控制器包括壳体，壳体内安装有FPGA主控芯片，以及分别与FPGA主控芯片连接的至少一个温度数据采集电路、至少一个加热驱动电路、至少一个散热驱动电路、通讯模块和电源模块，FPGA主控芯片通过通讯模块进行通信，温度数据采集电路将温度探头的电压转换成温度，加热驱动电路驱动加热装置进行加热，散热驱动电路驱动散热装置进行散热，电源模块将电源转换成不同工作电压。

2.根据权利要求1所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，所述FPGA主控芯片上还分别连接有板卡温度采集电路和板卡加热驱动电路，板卡加热驱动电路还连接板卡加热片，驱动板卡加热片进行加热。

3.根据权利要求1所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，所述壳体内还安装有分别与FPGA主控芯片连接的板卡电压监测电路和指示灯显示电路。

4.根据权利要求1所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，所述温度数据采集电路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成温度，包括20路ADC复用时钟和数据线，通过20个片选CS信号进行控制。

5.根据权利要求1所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，所述加热驱动电路包括电阻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。

6.根据权利要求1所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，所述散热驱动电路包括电阻R19，电阻R19的一端与FPGA主控芯片的输出管脚相连，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2所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，所述板卡温度采集电路包括温度传感器U52，温度传感器U52的输入输出引脚DQ连接FPGA主控芯片，温度传感器U52的电源引脚VDD连接3V电源和接地，接地线路上设有电容C347，输入输出引脚和电源引脚之间连接有电阻R360。

8.根据权利要求3所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，板卡电压监测电路包括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主控芯片的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，ADC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。

9.根据权利要求3所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，其特征在于，所述指示灯显示电路包括发光二极管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主控芯片的输出管脚相连。

10.根据权利要求1所述的平流层飞艇吊舱温度控制设备，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，包括一个与电源连接的2芯航空连接器，三个用于散热驱动输出、加热驱动输出、通信连接的10芯航空连接器，一个与温度探头连接的61芯航空连接器。

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