基于CAN總線的航天電源控制系統設計

洪小駿 胡明華 施雯 戴志晃 查曉晨

摘要：近年來，我國航天事業的迅猛發展，使越來越多的現代化技術被應用于航天航空領域，CAN總線作為諸多現代化技術中的一種，在航天電源控制系統設計中發揮著至關重要的作用，有效保障了航天設備控制與通信功能的順利實現。為此，本文對基于CAN總線的航天電源控制系統設計進行相應的分析。

關鍵詞：CAN總線；航天電源；控制系統

引言

在航天航空領域中，大部分系統都采用總線型拓撲網絡，對于CAN總線來說，其不僅在通信網絡上具有開放性，而且其自身也相當于全分布式的控制系統。相比于普通的串行通信總線來說，CAN總線要具備更高的數據可靠性以及更強的實時強，這也使其能夠靈活運用于航天航空領域的系統設計工作中。在ATE電源控制系統中，通過CAN總線可使485、232等串行通信中出現的問題得到有效解決，進而使網絡具有更高的可靠性與實時性，從而使系統運行要求得到有效滿足。

一、航天電源控制系統的開發

通過對航天電源控制系統的開發需求來進行分析，結合ATE系統的開發要求，其電源控制系統的功能應包括以下幾點：其一，系統能夠實時選擇合適的電源模塊；其二，系統能夠控制電源模塊的實際輸出；其三，系統能夠實時監測電源模塊的運行狀態；其四，系統出現緊急情況時能夠自動采取應急處理措施。基于CAN總線的航天電源控制系統在結構上，其電源系統需要利用PC機來進行控制，在系統結構中，其電源控制系統主要包括電源控制節點、CAN適配卡以及PC機等組成部分，工作人員可利用PC機來發揮電源控制系統的相關功能，其功能實現是在電源控制節點和CAN通信適配卡的輔助下完成的。基于CAN總線的航天電源控制系統在工作原理上，其控制核心便是CAN通信適配卡，并借助于PC擴展槽，通過PC機來達到控制目的，PC機會將數據或控制命令利用CAN總線來進行傳輸，然后以此檢測與控制對應節點。這些電源控制節點是執行命令的主要單位，控制功能都需要利用控制節點來發揮。這些接點會對適配卡發送的控制指令進行接收，然后根據控制指令來完成對應的操作，并將具體的控制狀態量以及測量參數反饋給PC機，由工作人員對PC機的顯示結果進行觀察和判斷，然后通過相應的控制功能，進而形成了具有高度完整性的控制網絡。

二、航天電源控制系統的硬件開發

在基于CAN總線的航天電源控制系統中，其主控芯片為C8051F040，該主控芯片的工作電壓為3.3V，其被嵌入到系統中，并配置有MCS-51內核，微型控制器能夠對指令集進行全面兼容，在主控芯片中還集成了大量經常可以用到的功能部件，此外，主控芯片中還集成了CAN控制器，其能夠支持CAN協議來進行串行通信，最大通信速度為1Mbit/s。利用特殊寄存器，能夠通過CIP-51來配置CAN控制器，并對獲取的數據進行訪問，從而使數據能夠及時傳輸至控制器。CAN控制器可對全部的CAN協議進行控制，不會和單機片中的內核建立關聯。在基于CAN總線的航天電源控制系統的CAN通信適配卡中，其主要由中斷申請電路、雙口RAM控制電路、復位電路以及F040CAN控制電路這四個部分組成，CAN通信適配卡在開發中所涉及到的各種技術可從PCI技術說明中查找。

在基于CAN總線的航天電源控制系統中，電源控制命令的實施是由各個電源控制節點所完成的，以下便對這些電源控制節點進行相應的分析，以此探討航天電源控制系統中相關功能的具體實現。在航天電源控制系統中，其電流為220V/50Hz的電路往往多達幾十路，而且需要能夠對不同設備的供電電源進行實時控制，如果是以單路220V/50Hz來供電，則往往是無法實現的。在系統開發過程中，機箱應進行統一，使各個控制節點能夠在系統中采取冗余控制的方式來進行分別控制，其又被叫做電源控制器。在這些電源控制器中，其輸出控制方式主要包括兩種，一種是Local控制，即本地手動控制方式，另一種為Remote控制，即程序控制方式，當這兩種輸出控制方式中的任意一種出現故障時，則可采用另一種輸出控制方式來發揮其控制功能，進而使系統的電源控制可靠性得到有效保證。通常來說，單控制方式可以從上述兩種中任意選擇一種，并通過鍵盤來自動切換控制方式。

在電源控制器開發中，其主要包括CPU、顯示器電路、輸出控制電路、輸出檢測電路、CAN通信電路以及鍵盤電路這六個組成部分，其中CAN通信電路能夠實現下位機和上位機之間的通信，使上位機下達的控制指令得到有效接收，并在上位機中反饋各個電源控制器在運行過程中的狀態參量。CAN收發器與CAN控制器是其主要組成部分，其中F040在控制器中集成，并利用SN65HVD230收發器作為CAN收發器，使其能夠和系統的運行電壓進行有效匹配。

對于鍵盤與顯示電路來說，其控制方式的實現以及手動控制在進行單路或多路輸出控制時，可通過8279來檢測按鍵，利用中斷控制來達到控制目的。在輸出控制電路中，各個電源控制器輸出均具有10路220V/50Hz，這些電源控制器在F040主控芯片中采用3.3V供電系統來進行供電。要想使高電壓大電流控制得以實現，設計時需要利用光電隔離來控制信號輸出，然后采用繼電器來達到交流電輸出控制。在輸出電路中，交流電輸出控制在系統可靠性上存在一定欠缺，因此為了強化系統可靠性，需要增設輸出檢測電路，由輸出檢測電路來檢測各路輸出，然后對比輸出控制，從而使系統具備更高的要靠性。對于系統的抗干擾能力來說，考慮到電源控制器相當于混合電平系統，其內部既包含CAN網絡接口電平，又包含10路220V/50Hz輸出電平以及3.3V直流電平，因此需要通過光電隔離技術的有效應用，借助于繼電器來實現利用小信號來控制大信號，從而使系統具備更高的可靠性。

結語

總而言之，在基于CAN總線的航天電源控制系統設計中，CAN總線憑借其較強的經濟性與可靠性，可使系統的電源實時控制能力得到大幅提高，并可實現對航天電源控制系統的標準化與模塊化設計，從而使航天電源控制系統得到進一步的完善。

參考文獻

[1]梁妍，原立格，郝洋洲. 基于STM32的CAN總線接口控制系統設計[J]. 河南科技，2016（11）：95-98.

[2]武曉玥. 機載控制系統的CAN總線設計與應用[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2017，17（06）：43-46.

[3]吳冬. 基于DSP和CAN的航空發動機分布式控制系統設計與實現[J]. 電子設計工程，2018，26（18）：59-63.

第一作者簡介：洪小駿（1979.9）男，漢族，江蘇如東人，南京航空航天大學本科，上海航天計算機技術研究所，工程師，研究方向：軟件。

（作者單位：上海航天計算機技術研究所）