真空热试验程控电源串并联快速配置系统设计与实现

， ， ，

(北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

真空热试验程控电源串并联快速配置系统设计与实现

吴东亮，冯尧，廖韬，梁硕

(北京卫星环境工程研究所，北京100094)

为了满足我国大型真空热试验任务中单个加热回路对大电流或大电压的综合测试要求，解决当前程控电源串并联操作复杂、串并联电源负载失衡、串并联实施后安全隐患突出的问题，设计并实现了一种真空热试验程控电源串并联快速配置系统；在现有真空热试验控制系统架构与程控电源型号基础上，将输入输出电连接器按2：1的比例设计，基于双IP双电源自由组合控制输出的方式，采用单片机与继电器控制单元进行程控电源输入输出状态检测，通过继电器矩阵实现电源输出自由配置，从而实现程控电源的串并联快速配置；实践表明，该程控电源串并联快速配置系统可以在3分钟内实现15路的程控电源串并联快速输出，不仅简化了目前复杂的电源串并联操作，大大提高了程控电源串并联操作实施效率，而且加强了程控电源串并联后工作的安全性。

真空热试验；程控电源；串并联；快速配置

0 引言

真空热试验是航天器研制过程中一项耗资巨大而又必不可缺的试验项目，在冷黑背景下通过红外模拟器(如加热片、红外笼、红外灯等)对航天器在轨的外热流进行模拟来验证航天器热设计的正确性[1-2]。目前，航天器在真空热试验中吸收外热流的大小主要是通过控制计算机利用上位软件驱动程控电源控制红外模拟器来实现的，程控电源输出电流(或电压)的范围直接决定了红外模拟器辐射热流的大小。随着我国航天技术的飞速发展，东四平台、深空探测等系列卫星在真空热试验中对红外模拟器的辐射热流有了更高的要求，试验中单个加热回路对大电流或大电压的需求日益增加，而当前测控系统程控电源的配置尚有许多不足：首先，当前单台程控电源无法满足部分试验对加热回路的电流或电压要求；其次，程控电源内部器件有一定的耐压值，人工在输出接线端对电源进行串并联(尤其是串联)容易造成两台电源分担电压失衡，从而造成串联电源超过器件耐压值导致程控电源工作失效，对试验造成影响；另外，送试方经常会临时提出电源串并联要求，电源输出接线端串并联操作复杂不易实施，且实施后现场电缆电线交错，存在安全隐患。

本文从现有真空热试验控制系统架构与程控电源型号(主要为N5750)出发，制定了快速安全的程控电源串并联方案，设计并实现了一套程控电源串并联快速配置系统，简化了现有操作，提高了了程控电源串并联实施的工作效率，确保串并联后程控电源工作的安全性[3]。

1 系统总体设计

1.1 总体架构

真空热试验控制系统主要由上位机控制软件和程控电源阵列组成。其中，程控电源阵列又以机柜组的形式存在，每30台电源为一个机柜组，每一个机柜组出两个输出电连接器从而实现30路的电流或电压输出。每个程控电源对应唯一的IP地址，在上位机控制软件中得到的是一个程控电源的IP地址阵列，控制系统通过IP地址阵列驱动仪器实现电连接器端的电流电压输出，由于程控电源额定输出功率(4A，150 V)的限制，当星上电连接器端有大电流或大电压的要求时，需要对程控电源阵列单个电源的输出接线端子进行串并联操作来实现。

根据当前真空热试验控制系统架构和程控电源阵列的配置情况，对程控电源串并联快速配置系统进行整体设计如图1所示，系统把一个程控电源组的机柜作为一个操作控制单元，输入输出电连接器采用2:1的方式设计，即机柜的两个原始输出电连接器作为系统的输入，系统仅出一个电连接器作为整体输出，具体操作过程为：参试人员在试验准备现场将程控电源机柜的两个电缆输出插头(Y2-36ZJ)和电源串并联快速配置仪的转接电缆插头(Y2-36TK)相连接，然后在电源串并联快速配置仪的人机交互界面进行参数设置，设置完成后，该配置柜的输出电缆插头(Y2-36ZJ)与红外模拟器插头连接。参试人员启动电源串并联快速配置软件对串并联通道进行固化，然后通过外热流控制软件对红外模拟器进行控制。

图1 程控电源串并联快速配置系统结构图

1.2 软硬件组成

程控电源串并联快速配置柜的硬件组成示意图如图2所示，该仪器采用市电供电，内置在线编程和继电器控制模块，通过中央控制单元对继电器单元进行控制，通过继电器切换输入加热通道的接线方式完成不同通道的串并联快速配置。人机界面采用触摸液晶屏，参试人员可以灵活的设定系统参数来配置不同通道间的串并联关系，并且将加热通道配置关系数据记录到仪器内的存储器内，在试验完毕之后可以将配置关系数据上传至PC机进行分析归档。

图2 程控电源串并联快速配置系统硬件功能框图

程控电源串并联快速配置软件安装在配置仪工控主机上，通过软件对配置柜30路输入加热通道串并联关系的配置组合来实现15路加热通道的输出，加热通道间串并联配置操作简单，方便现场参试人员的操作；若试验过程中有临时串并联需求可随时进行配置，无需对硬件连接进行更改；软件可以对接入电源进行网络通信，具有对串并联程控电源的电压分担调节功能；程控电源串并联快速配置软件功能框图如图3所示。

图3 程控电源串并联快速配置系统硬件功能框图

2 系统硬件设计

2.1 电源串并联配置原理

程控电源串并联配置输出原理[4]如图4所示，两个电源1、2为一组，实现串并联及单台输出：

当1、2并联输出时：控制线A对应的继电器向下闭合，以打开电源1、2的输入通道；控制线C、D对应的继电器向下闭合，以打开整合后的电压、电流的输出；控制线B对应的继电器向下闭合，以实现电源1的正极和电源2的正极相连，电源1的负极与电源2的负极相连。

当1、2串联输出时：控制线A对应的继电器向下闭合，以打开电源1、2的输入通道；控制线C、D对应的继电器向下闭合，以打开整合后的电压、电流的输出；控制线B对应的继电器向上闭合，以实现电源1的正极和电源2的负极相连，电源1的负极与电源2的正极相连。

当需要1、2单独输出时：控制线A对应的继电器向下闭合，以打开电源1、2的输入通道；如果需要电源1单独输出，控制线D对应的继电器向下闭合，以打开电源1的输出通道；控制线C对应的继电器向上闭合，以断开电源2的输出通道，控制线2对应的继电器与输出无关。

状态检测：状态线1、2、3、4、5可以将所在继电器的状态(向上、下闭合的状态)反馈给单片机，可以使主机知道电源的输入、输出情况。当继电器向上闭合时，状态线上为低电平。否则该继电器可能有故障。当继电器向下闭合时，状态线上为高电平，否则该继电器可能有故障。

输出切换：当有需要切换输出通道时，在这里使用多向开关控制其输出通道号的切换，如图，即把控制线A、C、D对应的继电器向上闭合。

图4 程控电源串并联配置输出原理图

2.2 中央控制单元

整个系统的中央控制单元采用了嵌入式工控板EMB-3930作为控制的核心部分，EMB-3930是一款基于Intel Cedar Trail平台的嵌入式主板，板载Intel Atom N2800/D2550处理器,具备1条SO-DIMM插槽,支持DDR3 800/1066MHz，系统内存最大支持4 GB，Intel GMA 3650集成显卡,支持VGA+LVDS显示输出，支持独立双显示，提供2个SATAⅡ,6个USB2.0,4个COM和2个千兆网卡,1个Mini PCIe,1个PC-104 Plus。EMB-3930的两个双网卡，一个用来控制程控电源组机柜，通过LAN端口配置每一个电源的输入输出状态参数，另一个网口用来连接上位控制计算机，接收上位机配置软件指令和上位控制系统发出的负载均衡控制指令。

2.3 继电器控制模块设计

本课题使用单片机作为继电器驱动控制和触点监测部分，单片机和嵌入式工控板之间通过RS232进行数据传输，单片机控制继电器译码电路如图5所示，其中图中1组、2组···15组。每组有4根电源输入线，两根电源输出线，5根状态线，4根控制线。

单片机[5][6]通过74LS138芯片选址，经选之后，某一引脚为低电平，其相连的左边74LS373锁存器被选中，控制总线发送相应的控制命令，74LS373输出控制命令，配置箱根据命令作出相应的变化；右边的74LS373也被选中，其输出数据随配置箱单元组的状态变化而变化，单片机检查其状态。当操作人员没有其他操作时，单片机处于检查状态，但检查某一组时，需要先将该组的控制信号写到控制总线上，以免在选中该组时原来的信号和控制总线上的信号不同，造成损害。

开机初始化单片机及其他模块，初始化后所有的电源控制线A、C、D对应继电器均向上闭合，此时单片机可检测继电器状态，如有错，发出错误警告，且提示出是哪一组的故障，但不允许进行电源的串并联配置，直到故障排除。进行电源配置的时候，操作人员在触控屏上进行操作，需要选好要进行配置的电源和要输出的通道，当操作人员所选的参数不符合条件时，比如没有输出通道的选择，单片机会进行提醒，直到所选参数符合要求，选好后，须确认后才可完成配置。进行参数选择的时候，如果某一电源或输出通道已经被占用，则单片机不会允许选择本电源或输出通道。选好参数以后，单片机先保存参数，然后根据参数，确定好所选电源及输出通道对应的地址，然后选中该组地址，将控制信号输出到该组的控制线上，同时该组的锁存器74LS373将控制信号锁存，之后单片机可以进行其他操作，等待下一个命令。

在进行正常工作时，单片机会重复检查每一组的状态线上的信号，如果检测的信号跟操作人员所配置的参数不符合，则会停止电源配置箱的工作，并通知操作人员进行排除故障工作。

图5 单片机译码控制电路

3 上位采集软件

程控电源串并联快速配置系统的上位机软件基于Visual Basic实现，采用图形化界面设计，可以通过读取txt格式的文件与Excel格式的配置表做接口，也可以直接进行状态参数设置。主要实现远程参数设置、人机交互、实时状态检测等功能。在软件结构中，首先进行软件初始化，根据通道配置信息进行仪器初始化，然后对继电器进行状态检查，在使用过程中会根据初始配置信息对程控电源串并联及工作状态进行状态检测，并对状态数据进行处理、保存。上位机配置软件的主要功能有读取串并联配置信息、仪器初始化、串并联状态保持与检查等。软件配置模块采用双IP双电源自由控制方式，可以实现程控电源单台、串联、并联等输出方式。另外，真空热试验控制系统软件与该配置软件结合使用还可以达到分担电压均衡的功能。在控制系统软件中进行串并联电源电压或电流高低限设置，生成txt格式文件，程控电源串并联快速配置系统软件读取配置信息，从而对串并联后的电源输出电压进行调节。软件的整体流程如图6所示。

图6 上位软件流程

4 测试结果与分析

在航天器热试验电源间与总控间进行了程控电源串并联快速配置系统的组装与测试，测试使用电源间32号机柜电源，电源IP为169.254.32.1～169.254.32.30，分两个插头，其中IP为169.254.32.1～169.254.32.15的电源为A输入端，169.254.32.16～169.254.32.30的电源为B输入端，经过配置仪设置输出后组合输出15个加热回路。

设置1加热回路为A输入电源单台输出，3加热回路为B输入电源单台输出，5、9加热回路为将A、B输入电源串联输出，7、11加热回路为将A、B输入电源并联输出，其他回路处于关闭状态，测试记录如表1所示。

表1 测试A、B串并联混合输出设置时测试记录

在测试过程中，从开始设置到得到实际输出结果时间在3分钟以内，且可以同时得到最多15路程控电源串并联输出的加热通道。

从测试记录可以看出，回路号1和3均为单台电源输出设置，其输出电压及电流均为正常值；回路号5和9分别为两台程控电源串联输出，可以看出回路号5对应的两台程控电源输出电流一致，输出电压之和与单台电源输出电压基本一致，9号回路测试结果与5号回路一致；回路号7和11分别为两台程控电源并联输出，可以看出7号回路对应的两台程控电源输出电压一致，输出电流之和为单台程控电源输出的2倍，11号回路测试结果与7号回路一致。

5 结论

本文从目前真空热试验控制系统架构与程控电源阵列配置现状出发，基于EMB-3930工控板、单片机与继电器组合控制模式，采用双IP双电源自由控制方式，设计了程控电源串并联快速配置系统，该系统能够在3分钟内实现15路程控电源串并联组合输出。实践表明，该系统不仅解决了大型航天器对大电流或大电压的临时测试需求，提高了热试验中程控电源串并联操作的实施效率，而且提高了程控电源串并联使用的可靠性，对于保证热试验的顺利进行有着积极的意义。

[1] 张景川，等.航天器真空热试验测控系统应用现状及发展趋势[J].航天器环境工程,2012,29(3):263-267.

[2]孙兴华，等.真空热试验测控仪器驱动器通用化设计[J].航天器环境工程,2010,27(4):452-455.

[3]杨 柳.程控直流电源灵活应用研究[J].仪器仪表标准化与计量,2014(5):46-48.

[4]潘传勇，等.基于LM2596的不间断直流电源设计[J].现代电子技术,2013(17):107-109.

[5]李 丹.基于单片机的程控电源硬件设计[J].控制工程,2013.

[6]毕 涛.基于单片机的程控电源硬件设计研究[J].数字通信世界，2015(7).

DesignandImplementationofSerialandParallelRapidConfigurationSystemforProgramControlPowerSupplyinVacuumThermalTest

Wu Dongliang, FengYao, LiaoTao, Liang Shuo

(Beijing Institute of Spacecraft Environment and Engineering, Beijing 100094, China)

In order to meet the requirements of comprehensive test of large current or large voltage for single heating circuit in China's large vacuum thermal test task, a rapid configuration system of programmable power supply for vacuum heat test is designed and constructed, which can solve the problems of the current complicated program-controlled power supply series parallel operation, the imbalance series-parallel power supply load serial and the outsanding security risks after series parallel implementation. Based on the existing vacuum thermal test control system architecture and program-controlled power supply model, the input and output electrical connector are designed according to the ratio of 2:1. Using dual-IP dual power supply free combination of control output, the program-controlled power input and output status are detected through the microcontroller and relay control unit, the free power output configuration is achieved with the use of relay matrix, thus the serial and parallel quick configuration is realized for programmable power supply. The results show that, through the serial and parallel rapid configuration system of program-controlled power supply, the serial and parallel fast output of 15-way programmable power supply can be achieved within 3 minutes, which indicates that the current complex power supply string parallel operation is simplified, the program-controlled power supply string parallel operation efficiency is greatly improved, and the work of security is strengthened after the program-controlled power supply string in parallel.

vacuum thermal test; program control power supply; serial and parallel flexible; rapid configuration;

2017-02-21；

2017-02-21。

吴东亮(1985-)，男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事航天器热试验温度测量与控制方向的研究。

1671-4598(2017)09-0051-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.014

TP273

A