专利名称：一种基于arm的星上能源控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于ARM的星上能源控制系统，适用于小卫星的星上能源控制。
背景技术：
目前小卫星能源控制模式多采用以MCS-51为核心的微处理器系统及外围电路，与软件配合构成智能控制单元的主体，来完成电源系统工作状态监视与控制、蓄电池组的充、放电控制和充电电流限流控制、蓄电池组温度控制、工程参数的采集、遥控指令的接收与执行，以及与星务中心计算机的通信等功能。在硬件上通常进行模块化设计，但是每个特定模块都需要一组相应的接口电路来完成。以CPU模块为例，该模块包括控制器、程序存储器、数据存储器、控制译码电路、上电复位电路和看门狗电路。上电复位电路产生上电复位信号，供系统复位；看门狗电路能在硬件上防止软件程序走死或走飞；控制译码电路则提供了 CPU控制器对各功能模块电路的控制地址接口，完成单片机基本系统的地址、遥测通道、间接指令、充电电流控制、总线通信的地址选择。 可以看出，整个系统资源比较浪费，而随着信息技术的发展，小卫星的硬件设备正在逐步走向小型化，传统的能源控制模式已不适用于小卫星的能源控制管理。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出了一种基于ARM的星上能源控制系统，实现了小卫星星上能源控制系统的小型化、集成化以及实时性，降低了目前小卫星星上能源控制系统的复杂程度。本发明的技术方案为一种基于ARM的星上能源控制系统，包括ARM芯片、模拟开关、测温模块、CAN总线接口模块、电源模块、看门狗、数据保存模块和数据锁存模块；电源模块为所述星上能源控制系统供电，外部模拟量输入信号通过模拟开关进行通断选择之后输入到ARM芯片，用于测量温度的测温模块将星上能源的各部分温度信号传递给ARM芯片，ARM芯片通过CAN总线接口模块与星上其他部分通信，看门狗为ARM芯片提供主动复位信号，数据保存模块用于存储临时数据，供给ARM芯片处理，ARM芯片将处理过的信号通过数据锁存模块进行数据锁存之后输出；测温模块通过I2C总线与ARM芯片通信。CAN总线接口模块通过CAN总线与ARM芯片通信。ARM芯片对数据进行处理是通过如下步骤进行(I)ARM芯片对看门狗进行牵狗操作；所述牵狗操作是指给看门狗发送连续脉冲，令看门狗开始工作；⑵ARM芯片控制模拟开关采集星上能源系统的模拟量遥测数据，所述星上能源系统的模拟量遥测数据包括蓄电池组电压、充电电流、放电电流、星箭分离信号、方阵电流、负载电流、通信DC/DC 5V遥测；
(3) ARM芯片通过测温模块采集星上能源系统的温度遥测数据，所述温度遥测数据包括温度TNl和温度TN2 ；(4) ARM芯片根据采集到的充电电流判断蓄电池组是否处于充电状态，当充电电流大于预设的充电阈值时，则蓄电池组处于充电状态，之后ARM芯片再根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要停止给蓄电池组充电，若蓄电池组电压高于预设的充电电压阈值，则停止继续给蓄电池组充电，若蓄电池组电压低于预设的充电电压阈值，则继续充电；所述蓄电池组包括主份加热回路和备份加热回路；(5)ARM芯片根据采集到的放电电流判断蓄电池组是否处于放电状态，当放电电流大于预设的放电阈值时，则蓄电池组处于放电状态，之后ARM芯片再根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要停止蓄电池组放电，若蓄电池组电压低于预设的放电电压阈值，则停止蓄电池组放电，若蓄电池组电压高于预设的放电电压阈值，则继续放电；(6) ARM芯片根据采集到的星箭分离信号判断卫星是否处于星箭分离状态，若采集到的星箭分离信号为0，则处于星箭分离状态，之后ARM芯片通过CAN总线接口模块对星务主机的轮询进行检查，如果星务主机无轮询时间超过预设的主机无轮询时间门限，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上通信系统供电；(7) ARM芯片根据采集到的星箭分离信号判断卫星是否处于星箭分离状态，若采集到的星箭分离信号为0，则处于星箭分离状态，之后ARM芯片根据采集到的蓄电池组电压、方阵电流和负载电流判断是否需要给星上载荷供电，若蓄电池组电压 > 充电电压阈值、方阵电流-负载电流-充电电流> OA并且通信DC/DC 5V遥测彡4. OV时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上载荷供电；(S)ARM芯片根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要给星上通信系统和星上载荷断电，若蓄电池组电压低于预设的蓄电池组电压报警门限，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上载荷和星上通信系统断电；(9) ARM芯片根据采集到的温度TNl和温度TN2判断蓄电池组是否需要给主份加热回路和备份加热回路供电，若温度TNl < Tminl时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路供电，所述Tminl是指预设的主份加热回路开启门限温度值；当温度TNl > Tmaxl时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路断电，所述Tmaxl是指预设的主份加热回路关闭门限温度值；若温度TN2 < Tmin2时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的备份加热回路供电，所述Tmin2是指预设的备份加热回路开启门限温度值；；当温度TN2 > Tmax2时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的备份加热回路断电，所述Tmax2是指预设的备份加热回路关闭门限温度值；(IO)ARM芯片根据采集到的温度TNl和温度TN2判断低温时蓄电池组是否需要充电，若温度TNl和TN2均小于预设的低温门限设定值且持续时间彡60s时，则停止给蓄电池组充电；若温度TNl和TN2均大于预设的低温门限设定值且持续时间彡60s时，则给蓄电池组充电；(Il)ARM芯片根据采集到放电电流判断放电时主份加热回路和备份加热回路是否、需要停止供电，当放电电流大于预设的放电阈值且持续时间> 60s时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路和备份加热回路断电；当充电电流大于预设的充电阈值且持续时间> 60s时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路和备份加热回路供电，从而给蓄电池组加热；(12) ARM芯片将模拟量遥测数据和温度遥测数据组帧之后通过CAN总线接口模块将数据发送到星上CAN总线上。发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明由于在卫星能源管理模式中，嵌入片上资源集成度高、体积小、功耗低的ARM微控制器，使其形成智能部件，作为能源管理的核心处理模块，利用ARM处理器集成的模/数转换器及CAN总线控制器等多种片上资源，勿需另外建立相应的外围电路，来实现 小卫星能源管理过程中的控制功能。因此，简化了小卫星能源管理系统的复杂度，降低了小卫星能源管理系统的成本，提高了能源管理的实时性和集成度。(2)在本发明设计的能源管理模式中，对负载进行了动态管理卫星在轨运行期间，周期性监测“蓄电池组电压”、“方阵电流”、“负载电流”等遥测参数，对能源空间进行分片管理，然后划分给不同载荷使用，以保障卫星能源使用合理、安全、有效，进而提高能源利用率。(3)本发明对卫星在轨运行期间的通信情况进行周期性的检查，如果在一定时间范围内能源管理单元没有与星务主机进行通信，则主动发送指令，对星上通信系统供电，实现了卫星在轨期间与星务主机握手通信的动态管理。
图I本发明能源控制系统组成框图；图2本发明ARM中操作执行流程具体实施例方式本发明提供了一种基于ARM的星上能源控制系统，如图I所示，包括ARM芯片、模拟开关、测温模块、CAN总线接口模块、电源模块、看门狗、数据保存模块和数据锁存模块；电源模块为所述星上能源控制系统供电，外部模拟量输入信号通过模拟开关进行通断选择之后输入到ARM芯片，用于测量温度的测温模块将星上能源的各部分温度信号传递给ARM芯片，ARM芯片通过CAN总线接口模块与星上其他部分通信，看门狗为ARM芯片提供主动复位信号，数据保存模块用于存储临时数据，供给ARM芯片处理，ARM芯片将处理过的信号通过数据锁存模块进行数据锁存之后输出；测温模块通过I2C总线与ARM芯片通信，CAN总线接口模块通过CAN总线与ARM芯片通信。本发明采用的芯片型号为ARM处理器采用NXP公司32位微控制器LPC2294HBD144/01、电源模块采用了继电器TL5P、计数器CC4024和4060等、模拟开关采用CC4067和CC4051芯片、测温模块采用DS2482芯片、指令模块采用了译码器74HC4514、晶体管阵列ULN2803、D触发器74HC374、总线收发器74HC245等芯片、CAN总线接口模块采用了 PHILIPS公司的TJA1040T芯片。
如图2所示，ARM芯片对数据进行处理是通过如下步骤进行(I)ARM芯片对看门狗进行牵狗操作；所述牵狗操作是指给看门狗发送连续脉冲，令看门狗开始工作；(2)ARM芯片控制模拟开关采集星上能源系统的模拟量遥测数据，所述星上能源系统的模拟量遥测数据包括蓄电池组电压、充电电流、放电电流、星箭分离信号、方阵电流、负载电流、通信DC/DC 5V遥测； (3) ARM芯片通过测温模块采集星上能源系统的温度遥测数据，所述温度遥测数据包括温度TNl和温度TN2 ；
⑷ARM芯片根据采集到的充电电流判断蓄电池组是否处于充电状态，当充电电流大于预设的充电阈值(本发明采用0. 5A)时，则蓄电池组处于充电状态，之后ARM芯片再根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要停止给蓄电池组充电，若蓄电池组电压高于预设的充电电压阈值(本发明采用14. 4V)，则停止继续给蓄电池组充电，若蓄电池组电压低于预设的充电电压阈值，则继续充电；所述蓄电池组包括主份加热回路和备份加热回路；(5)ARM芯片根据采集到的放电电流判断蓄电池组是否处于放电状态，当放电电流大于预设的放电阈值(本发明采用1A)时，则蓄电池组处于放电状态，之后ARM芯片再根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要停止蓄电池组放电，若蓄电池组电压低于预设的放电电压阈值(本发明采用12. 7V)，则停止蓄电池组放电，若蓄电池组电压高于预设的放电电压阈值，则继续放电；(6) ARM芯片根据采集到的星箭分离信号判断卫星是否处于星箭分离状态，若采集到的星箭分离信号为0，则处于星箭分离状态，之后ARM芯片通过CAN总线接口模块对星务主机的轮询进行检查，如果星务主机无轮询时间超过预设的主机无轮询时间门限，(本发明采用20min)，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上通信系统供电；(7) ARM芯片根据采集到的星箭分离信号判断卫星是否处于星箭分离状态，若采集到的星箭分离信号为0，则处于星箭分离状态，之后ARM芯片根据采集到的蓄电池组电压、方阵电流和负载电流判断是否需要给星上载荷供电，若蓄电池组电压 > 充电电压阈值、方阵电流-负载电流-充电电流> OA并且通信DC/DC5V遥测彡4. OV时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上载荷供电；(S)ARM芯片根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要给星上通信系统和星上载荷断电，若蓄电池组电压低于预设的蓄电池组电压报警门限(本发明采用12V)，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上载荷和星上通信系统断电；(9) ARM芯片根据采集到的温度TNl和温度TN2判断蓄电池组是否需要给主份加热回路和备份加热回路供电，若温度TNl < Tminl (本发明采用10°C )时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路供电，所述Tminl是指预设的主份加热回路开启门限温度值；当温度TNl > Tmaxl (本发明采用15°C )时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路断电，所述Tmaxl是指预设的主份加热回路关闭门限温度值；
若温度TN2 < Tmin2 (本发明采用15°C )时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的备份加热回路供电，所述Tmin2是指预设的备份加热回路开启门限温度值；当温度TN2 > Tmax2 (本发明采用20°C )时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的备份加热回路断电，所述Tmax2是指预设的备份加热回路关闭门限温度值；(IO)ARM芯片根据采集到的温度TNl和温度TN2判断低温时蓄电池组是否需要充电，若温度TNl和TN2均小于预设的低温门限设定值(本发明采用0°C)且持续时间彡60s时,则停止给蓄电池组充电；若温度TNl和TN2均大于预设的低温门限设定值且持续时间彡60s时，则给蓄电池组充电；
(Il)ARM芯片根据采集到放电电流判断放电时主份加热回路和备份加热回路是否需要停止供电，当放电电流大于预设的放电阈值且持续时间>60s时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路和备份加热回路断电；当充电电流大于预设的充电阈值且持续时间> 60s时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路和备份加热回路供电，从而给蓄电池组加热；(12) ARM芯片将模拟量遥测数据和温度遥测数据组帧之后通过CAN总线接口模块将数据发送到星上CAN总线上。通过上述步骤实现了一个周期内对星上能源系统的控制。本发明说明书中其他未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种基于ARM的星上能源控制系统，其特征在于包括ARM芯片、模拟开关、测温模块、CAN总线接口模块、电源模块、看门狗、数据保存模块和数据锁存模块； 电源模块为所述星上能源控制系统供电，外部模拟量输入信号通过模拟开关进行通断选择之后输入到ARM芯片，用于测量温度的测温模块将星上能源的各部分温度信号传递给ARM芯片，ARM芯片通过CAN总线接口模块与星上其他部分通信，看门狗为ARM芯片提供主动复位信号，数据保存模块用于存储临时数据，供给ARM芯片处理，ARM芯片将处理过的信号通过数据锁存模块进行数据锁存之后输出；
2.根据权利要求I所述的一种基于ARM的星上能源控制系统，其特征在于测温模块通过I2C总线与ARM芯片通信。
3.根据权利要求I所述的一种基于ARM的星上能源控制系统，其特征在于CAN总线接口模块通过CAN总线与ARM芯片通信。
4.根据权利要求I所述的一种基于ARM的星上能源控制系统，其特征在于ARM芯片对数据进行处理是通过如下步骤进行 (1)ARM芯片对看门狗进行牵狗操作；所述牵狗操作是指给看门狗发送连续脉冲，令看门狗开始工作； (2)ARM芯片控制模拟开关采集星上能源系统的模拟量遥测数据，所述星上能源系统的模拟量遥测数据包括蓄电池组电压、充电电流、放电电流、星箭分离信号、方阵电流、负载电流、通信DC/DC 5V遥测； (3)ARM芯片通过测温模块采集星上能源系统的温度遥测数据，所述温度遥测数据包括温度TNl和温度TN2 ； ⑷ARM芯片根据采集到的充电电流判断蓄电池组是否处于充电状态，当充电电流大于预设的充电阈值时，则蓄电池组处于充电状态，之后ARM芯片再根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要停止给蓄电池组充电，若蓄电池组电压高于预设的充电电压阈值，则停止继续给蓄电池组充电，若蓄电池组电压低于预设的充电电压阈值，则继续充电；所述蓄电池组包括主份加热回路和备份加热回路； (5)ARM芯片根据采集到的放电电流判断蓄电池组是否处于放电状态，当放电电流大于预设的放电阈值时，则蓄电池组处于放电状态，之后ARM芯片再根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要停止蓄电池组放电，若蓄电池组电压低于预设的放电电压阈值，则停止蓄电池组放电，若蓄电池组电压高于预设的放电电压阈值，则继续放电； (6)ARM芯片根据采集到的星箭分离信号判断卫星是否处于星箭分离状态，若采集到的星箭分离信号为O，则处于星箭分离状态，之后ARM芯片通过CAN总线接口模块对星务主机的轮询进行检查，如果星务主机无轮询时间超过预设的主机无轮询时间门限，，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上通信系统供电； (7)ARM芯片根据采集到的星箭分离信号判断卫星是否处于星箭分离状态，若采集到的星箭分离信号为O，则处于星箭分离状态，之后ARM芯片根据采集到的蓄电池组电压、方阵电流和负载电流判断是否需要给星上载荷供电，若蓄电池组电压 > 充电电压阈值、方阵电流-负载电流-充电电流> OA并且通信DC/DC 5V遥测彡4. OV时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上载荷供电； (S)ARM芯片根据采集到的蓄电池组电压判断是否需要给星上通信系统和星上载荷断电，若蓄电池组电压低于预设的蓄电池组电压报警门限，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，控制执行机构给星上载荷和星上通信系统断电； (9)ARM芯片根据采集到的温度TNl和温度TN2判断蓄电池组是否需要给主份加热回路和备份加热回路供电，若温度TNl < Tminl时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路供电，所述Tminl是指预设的主份加热回路开启门限温度值； 当温度TNl > Tmaxl时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路断电，所述Tmaxl是指预设的主份加热回路关闭门限温度值； 若温度TN2 < Tmin2时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的备份加热回路供电，所述Tmin2是指预设的备份加热回路开启门限温度值；； 当温度TN2 > Tmax2时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄 电池组的备份加热回路断电，所述Tmax2是指预设的备份加热回路关闭门限温度值； (10)ARM芯片根据采集到的温度TNl和温度TN2判断低温时蓄电池组是否需要充电，若温度TNl和TN2均小于预设的低温门限设定值且持续时间彡60s时，则停止给蓄电池组充电； 若温度TNl和TN2均大于预设的低温门限设定值且持续时间彡60s时，则给蓄电池组充电； (11)ARM芯片根据采集到放电电流判断放电时主份加热回路和备份加热回路是否需要停止供电，当放电电流大于预设的放电阈值且持续时间> 60s时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路和备份加热回路断电； 当充电电流大于预设的充电阈值且持续时间> 60s时，则ARM芯片通过数据锁存模块和指令输出模块输出指令，给蓄电池组的主份加热回路和备份加热回路供电，从而给蓄电池组加热； (12)ARM芯片将模拟量遥测数据和温度遥测数据组帧之后通过CAN总线接口模块将数据发送到星上CAN总线上。
全文摘要
一种基于ARM的星上能源控制系统，使用片上资源集成度高、体积小、功耗低的ARM微控制器，使其形成智能部件，作为能源管理的核心处理模块，利用ARM处理器集成的模/数转换器及CAN总线控制器等多种片上资源，勿需另外建立相应的外围电路，来实现小卫星能源管理过程中的控制功能。因此，简化了小卫星能源管理系统的复杂度，降低了小卫星能源管理系统的成本，提高了能源管理的实时性和集成度。另外，对负载进行了动态管理卫星在轨运行期间，周期性监测“蓄电池组电压”、“方阵电流”、“负载电流”等遥测参数，对能源空间进行分片管理，然后划分给不同载荷使用，以保障卫星能源使用合理、安全、有效，进而提高能源利用率。
文档编号G05B19/042GK102749869SQ20121020365
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者张艳萍, 李志壮, 梁天, 段宝罡, 郭文彬 申请人:航天东方红卫星有限公司