微型固體推力器陣列尋址點火控制系統研究①

劉旭輝,方蜀州

(北京理工大學航天學院,北京 100081)

0 引言

隨著微型衛星的發展及應用,對其高精度的姿態和軌道控制提出了挑戰,需執行機構質量及體積小、集成度高、功耗低、可靠性高,能提供小而精確的沖量,而微型固體推力器陣列,能滿足微型衛星姿軌控系統的要求[1]。微型固體推力器陣列可采用MEMS技術,制造出具有高度集成化特征的微型推力器組合,每個推力器單元產生微小的沖量,可實現任意的點火組合方式,這種推力器的突出優點就是可用于kg級的皮衛星或納衛星上,是一種新型的衛星控制動力裝置[2-3]。

為了分擔星載計算機的工作量,微型固體推力器陣列需集成低功耗、高可靠性的尋址點火控制系統和點火電路,文中針對100×100的推力器陣列進行研究。推力器陣列采用三明治結構(噴管陣列層、集成點火電路層、推進劑貯腔陣列層)。文中設計了尋址控制系統硬件及軟件模塊,研究了點火電路。尋址系統基于FPGA控制芯片,應用USB接口進行通信,用VC在PC機上編寫應用程序,模擬星載上位機發送控制指令,使上位機能夠控制陣列中任意一個微型固體推力器點火,或控制任意組合的推力器同時點火。對USB固件程序及FPGA程序進行了仿真,符合設計要求,為微型衛星的姿軌控系統控制策略算法的實現提供了良好的硬件基礎[4]。點火電路分層垂直布置導線,減少了導線數量,提高了可靠性,并適用于尋址系統行列尋址的控制方式。

1 尋址控制系統硬件設計

對于微型固體推力器陣列的控制,由于需控制的發動機數量大,數目多達幾萬個,傳輸數據量大,并要求系統通信速度快,多個推力器點火的同時性好,故選用FPGA作為主控制芯片[5];USB2.0在高速模式下可達到480 Mbit/s,完全可滿足傳輸要求,傳輸時間極短,且USB在設備供電方面具有靈活性,因此使用較為先進的USB2.0[6]實現與上位機的通信。

在皮納衛星控制系統中,該系統作為衛星姿軌控系統中執行機構模塊中的尋址點火控制部分,當衛星在進行穩定控制或機動控制時,控制器將需要的沖量或沖量矩以控制信號的形式輸入到執行機構模塊,根據點火算法,將所需的推力器坐標位置傳輸給尋址點火系中的USB端口緩沖區,FPGA讀取端口數據,控制點燃所需的推力器;根據不同任務需要,尋址系統能夠提供不同的推力器組合,進而實現不同沖量或沖量矩的輸出。硬件系統示意圖如圖1所示。

圖1 硬件系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the hardware system

USB芯片選擇Cypress的CY7C68013A,選擇同步Slave FIFO傳輸,該模式下,FX2作為一個USB 2.0接口,能高速傳輸數據。FPGA芯片選擇Altera公司的EP1C20F400C8。FPGA電源需1.5 V和3.3 V供電,電源芯片選擇TPS54313和TPS543136。同步Slave FIFO讀模式下FPGA同USB芯片硬件連接見圖2。

圖2 同步Slave FIFO讀模式下USB與FPGA的連接Fig.2 Inter face pins of synchronous slave FIFO reader

圖2中,IFCLK:FX2輸出的時鐘,可作為通訊的同步時鐘;FLAGB,FLAGC:FX2輸出的FIFO狀態信息,如滿、空等;SLOE:FIFO輸出使能,外部邏輯控制,當SLOE無效時,數據線不輸出有效數據;SLRD:同步讀時,FIFO指針在SLRD有效時的每個IFCLK的上升沿遞增;FD[15∶0]:數據線;FIFOADR[1∶0]:選擇4個FIFO端點的地址線,外部邏輯控制[7]。

2 尋址控制系統軟件設計

2.1 USB驅動程序設計

Cypress公司為其EZ-USB系列USB接口芯片提供了一個完整的開發包,包括通用驅動程序。用戶可直接使用其進行開發。

該驅動程序采用WDM驅動模型,兼容USB2.0設備;支持即插即用和電源管理;支持遠程喚醒;支持控制傳輸端點、塊傳輸端點、中斷傳輸端點、同步傳輸端點;支持同時連接多個USB設備;支持用戶自定義GUID,而不用重新編譯驅動程序;支持高寬帶的USB數據傳輸。

驅動程序包括2個:一個為CyLoad.sys,用于固件程序的下載;另一個為CyUSB.sys,用于主機和固件程序的通信。每個驅動程序使用INF文件進行引導安裝[7]。

2.2 USB固件程序設計

采用Cypress公司提供的固件程序開發框架,在此框架下加入系統的功能程序,就可完成程序開發,主要進行TD-Init和TD-Poll程序以及自定義請求函數的編寫[8-9]。

本設計應用同步Slave FIFO模式,進行bulk傳輸數據,使用16位總線接口;用戶自定義請求,進行握手操作,當PA7置1時,開始讀取數據。使用內部時鐘48 MHz,配置2端點為4緩沖,每個緩沖區為512字節,FLAGA～FLAGD反映FIFOADR[1∶0]當前所指端點的狀態,其中,FLAGA反映“可編程極限”,FLAGB反映“滿”標志,FLAGC反映“空”標志,FLAGD不存在;2端點選擇自動傳輸方式。

2.3 FPGA程序設計

FPGA程序設計,采用Verilog編寫,本系統進行通信時,當上位機發送請求代碼80,進行握手操作,防止誤發指令,FPGA檢測到PA7為1時,FPGA開始讀取數據,否則處于等待狀態;當PA7置于0時,停止數據發送。

當開始通信時,USB芯片選擇Slave FIFO模式,FPGA實現同步從屬FIFO的讀操作,有限狀態機的編寫如圖3所示。

圖3 狀態機Fig.3 State machine

由圖3可知,狀態機時序如下:

(1)IDLE:對相關的寄存器進行初始化,然后轉入READ-BEGIN狀態,開始讀SLAVE FIFO操作。

(2)READ-BEGIN:指向輸出FIFO(對應端點2),然后轉入OUT-FIFO狀態。

(3)OUT-FIFO:判斷u-flagc是否為高,如果為高,則啟動讀過程,把u-sloe置為低,轉入DATA-READ狀態;否則說明輸出FIFO中無數據,等待。

(4)DATA-READ:判斷u-flagc是否為高,如果為高,把u-slrd拉低,繼續讀取下16 bit數據。同時為把上16 bit數據寫入寄存器中。轉入WAIT狀態,否則轉入OUT-FIFO,等待下一次讀取過程。

(5)WAIT:把u-slrd拉高,判斷是否仍然有數據,如果有,則轉入DATA-READ狀態,繼續讀操作;否則轉入READ-END狀態,讀操作結束。

(6)READ-END:把相關寄存器置為初始態。

微型固體推力器陣列多個推力器進行點火時,需具有良好的同時性。因此,設計FPGA程序在讀完所有的推力器位置坐標數據后才進行輸出。本設計控制100×100陣列,橫坐標和縱坐標只需7位二進制數即可控制。因此,在讀取到的16 bit數據中,使R-ARRAY=data[13∶7]、C-ARRAY=data[6∶0];第15位作為軟復位,14位作為輸出使能位:soft-rst=data[15]、output-en=data[14]。

3 點火電路設計

點火電路是微型固體推力器中最重要同時也是制備工藝最復雜、難度最大的組成部分,微推力器能否正常工作也主要取決于點火電路。文中提出了一種適應陣列行列尋址的點火電路設計方式,采用電阻橋絲作為發熱元件,對點火藥進行加熱,串聯二極管,保證電流單向性,防止發生誤點火。

點火電路采用微機電加工技術,在推力器陣列頂層沉結二極管和電阻,從而構成點火電路陣列。點火電路采用如圖4所示的布線方式,以5×5陣列為例,當需點燃R1、C2導線交叉點處的推力器,位置編號為(1,2),經尋址控制系統和驅動開關電路將C2與電源正極相連,R1與負極相連,其他導線浮空。采用這樣的設計降低了電路的復雜程度。如果每個推力器采用獨立點火回路,就需10 000個,布線極為困難。但是采用該陣列形式,只需200條導線,提高了點火的穩定性及可靠性。

圖4 點火電路Fig.4 Ignition circuit

4 設計仿真

4.1 USB實驗仿真

固件程序調試:采用Cypress公司的EZ-USB FX 2LP工具EZ-USB Control Panel軟件測試固件程序。設置與控制程序相符的請求碼AB80,AB為請求的操作碼,80表示通過該請求發送給USB固件的數據,固件程序將該數據輸出到端口PA,則PA7置1,FPGA開始讀取數據。以點燃坐標為(1,1)、(3,3)、(5,5)的推力器為例,在Pipe選擇0:Endpoint 2 OUT,Hex Bytes設置數據為0081018302854000(該數據設置根據2.3節內容,以(3,3)為例,十六進制0183在二進制為0000000110000011,R-ARRAY=0000011、C-ARRAY=0000011;最后輸出4000,使output-en=1),進行傳輸。經過仿真,固件程序能夠達到設計要求,仿真結果如圖5所示。

4.2 FPGA程序仿真

采用ModelSim進行推力器組合點火仿真,點燃100×100固體推力器陣列位置編號為(1,1)、(3,3)、(5,5)的推力器,仿真時初始化PA7為1,FPGA開始讀取數據。以FPGA控制點燃坐標為(1,1)推力器為例,說明程序運行過程。初始化u-slrd、u-sloe、u-addr0、u-addr1均置1(u-slrd、u-sloe低電平有效);當FPGA讀取到0000000010000001數據時(第15位作為軟復位,14位作為輸出使能位,13～0位為推力器位置坐標位),flag-c則置1,根據狀態機時序,READ-BEGIN狀態u-addr0、u-addr1置為0;OUT-FIFO狀態,usloe置0;DATA-READ狀態u-slrd置0;之后程序在WAIT狀態和DATA-READ狀態之間循環,直到數據讀完;最后將14位置1進行輸出。c-out[99]、r-out[99]為行坐標和列坐標10 0位寄存器,仿真波形如圖6所示,符合設計要求。

圖5 固件程序調試Fig.5 Firmware debugging

圖6 FPGA程序仿真Fig.6 Simulation of FPGA program

在進行多個推力器組合點火時,要求點火具有同步性。FPGA程序在讀取完所有點火推力器坐標數據后先將其儲存在c-reg[99]、r-reg[99]寄存器中,如果flag-c為0,表示沒有要讀取的數據,所有點火坐標數據已發送完,通過將第14位置1,將儲存所有需點火的推力器坐標的c-reg、r-reg寄存器中數據傳輸到c-out[99]、r-out[99]中,即發送到輸出管腳上,進行一次性輸出,這樣就保證了點火同時性,使所要點燃的推力器同時點燃,從控制方面上避免了點火不同步。通過波形圖可看到,程序設計符合要求,仿真結果見圖7。

4.3 推力響應分析

當皮納衛星需進行控制時,控制指令經由USB接口傳輸到FPGA中,FPGA對數據進行處理分析,經點火電路對點火藥加熱,進而點燃推力器主裝藥。因此,推力響應時間主要包括數據傳輸時間、FPGA數據分析處理時間和點火電路加熱點火藥的時間。

圖7 點火同時性驗證Fig.7 Ignition synchronism o f three thrusters

4.3.1 尋址系統的時間延遲分析

據陣列結構特點及點火功率限制,每次最多點火推力器數量設計為100個,而每個推力器坐標由16位數據決定。因此,最多傳輸數據為200 byte,運用USB2.0高速傳輸,速度為480 Mbit/s。根據USB2.0協議,在數據傳輸時要進行事務處理。除了傳輸數據包外,還要傳輸同步字段、包標識字段、地址字段及循環冗余校驗等總共83 bit,經計算進行1次完整傳輸,時間約為3.5μs。

當FPGA接受到數據進行處理后,發送到輸出端口,根據編寫的程序及有限狀態機工作特點,接受處理1個推力器指令在FPGA中所要運行的時間為5個周期,FPGA時鐘選用USB內部時鐘,工作頻率為48 MHz。因此,點燃1個推力器在FPGA中所需時間約為0.104μs,如果點燃100個推力器,則所需時間為0.104×100=10.4μs。

因為USB接口在進行數據傳輸時,FPGA已在進行數據分析處理。因此,在點燃100個推力器時,數據傳輸和尋址系統所需總時間為兩者中最大值,即約為10.4μs。

4.3.2 點火延遲時間分析

電阻橋絲加熱點火藥產生的點火延遲時間影響因素眾多,如點火電阻的設計、點火藥的選擇、隔熱結構的設計及傳熱特性等。

在微推力器單元中,點火藥、薄膜電阻點火橋絲和SiO2層構成了三明治結構,電阻橋絲是發熱元件。可把點火藥和SiO2層看作2個一維半無界熱傳導體,電阻橋絲的生熱率作為2個物體公共邊界的對流邊界條件。

根據一維熱傳導模型以及邊界關系,經推導得到點火藥邊界溫度變化函數[10]:

式中 ap、aSiO2分別為點火藥和SiO2的熱擴散率;λp、λSiO2分別為點火藥和SiO2的熱傳導率。

點火藥發火溫度為573 K,點火電阻橋絲材料采用Pt,T0=273 K,RS=235Ψ,L=470μm,經過計算,當點火電壓U=30 V時,點火時間僅為1.7ms,點火延遲時間為ms級。

經過分析可知,電阻橋絲點燃點火藥的點火延遲時間是整個推力響應的主要影響因素,數據傳輸和尋址系統所用時間可忽略不計。因此,對于以微型固體推力器陣列作為執行機構的皮納衛星來說,尋址系統本身對推力響應時間影響極小。

如果控制系統需提供大于100個推力器所產生的沖量或沖量矩時,則需進行分批點燃,每批推力器點火數量少于100個,點火時間間隔由點火延遲時間決定。

5 結論

(1)運用有限狀態機設計了FPGA程序,通過Slave FIFO模式,充分利用了USB2.0高速傳輸特性進行通信,有效解決了對大規模的微型固體推力器陣列的快速尋址問題。經過仿真,能對100×100的推力器陣列中任意一個及多種組合的推力器尋址點火,快速有效,符合設計要求。

(2)提出了一種適用于大規模推力器陣列的點火電路設計思路,提高了點火可靠性,更具實用性。

(3)分析了點火延遲時間,對數據傳輸、FPGA程序執行以及點火延遲進行了分析。結果表明,設計的尋址系統延時很短,基本上可忽略不計。

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