基于CAN总线的航天电源控制系统设计

洪小骏 胡明华 施雯 戴志晃 查晓晨

摘要：近年来，我国航天事业的迅猛发展，使越来越多的现代化技术被应用于航天航空领域，CAN总线作为诸多现代化技术中的一种，在航天电源控制系统设计中发挥着至关重要的作用，有效保障了航天设备控制与通信功能的顺利实现。为此，本文对基于CAN总线的航天电源控制系统设计进行相应的分析。

关键词：CAN总线；航天电源；控制系统

引言

在航天航空领域中，大部分系统都采用总线型拓扑网络，对于CAN总线来说，其不仅在通信网络上具有开放性，而且其自身也相当于全分布式的控制系统。相比于普通的串行通信总线来说，CAN总线要具备更高的数据可靠性以及更强的实时强，这也使其能够灵活运用于航天航空领域的系统设计工作中。在ATE电源控制系统中，通过CAN总线可使485、232等串行通信中出现的问题得到有效解决，进而使网络具有更高的可靠性与实时性，从而使系统运行要求得到有效满足。

一、航天电源控制系统的开发

通过对航天电源控制系统的开发需求来进行分析，结合ATE系统的开发要求，其电源控制系统的功能应包括以下几点：其一，系统能够實时选择合适的电源模块；其二，系统能够控制电源模块的实际输出；其三，系统能够实时监测电源模块的运行状态；其四，系统出现紧急情况时能够自动采取应急处理措施。基于CAN总线的航天电源控制系统在结构上，其电源系统需要利用PC机来进行控制，在系统结构中，其电源控制系统主要包括电源控制节点、CAN适配卡以及PC机等组成部分，工作人员可利用PC机来发挥电源控制系统的相关功能，其功能实现是在电源控制节点和CAN通信适配卡的辅助下完成的。基于CAN总线的航天电源控制系统在工作原理上，其控制核心便是CAN通信适配卡，并借助于PC扩展槽，通过PC机来达到控制目的，PC机会将数据或控制命令利用CAN总线来进行传输，然后以此检测与控制对应节点。这些电源控制节点是执行命令的主要单位，控制功能都需要利用控制节点来发挥。这些接点会对适配卡发送的控制指令进行接收，然后根据控制指令来完成对应的操作，并将具体的控制状态量以及测量参数反馈给PC机，由工作人员对PC机的显示结果进行观察和判断，然后通过相应的控制功能，进而形成了具有高度完整性的控制网络。

二、航天电源控制系统的硬件开发

在基于CAN总线的航天电源控制系统中，其主控芯片为C8051F040，该主控芯片的工作电压为3.3V，其被嵌入到系统中，并配置有MCS-51内核，微型控制器能够对指令集进行全面兼容，在主控芯片中还集成了大量经常可以用到的功能部件，此外，主控芯片中还集成了CAN控制器，其能够支持CAN协议来进行串行通信，最大通信速度为1Mbit/s。利用特殊寄存器，能够通过CIP-51来配置CAN控制器，并对获取的数据进行访问，从而使数据能够及时传输至控制器。CAN控制器可对全部的CAN协议进行控制，不会和单机片中的内核建立关联。在基于CAN总线的航天电源控制系统的CAN通信适配卡中，其主要由中断申请电路、双口RAM控制电路、复位电路以及F040CAN控制电路这四个部分组成，CAN通信适配卡在开发中所涉及到的各种技术可从PCI技术说明中查找。

在基于CAN总线的航天电源控制系统中，电源控制命令的实施是由各个电源控制节点所完成的，以下便对这些电源控制节点进行相应的分析，以此探讨航天电源控制系统中相关功能的具体实现。在航天电源控制系统中，其电流为220V/50Hz的电路往往多达几十路，而且需要能够对不同设备的供电电源进行实时控制，如果是以单路220V/50Hz来供电，则往往是无法实现的。在系统开发过程中，机箱应进行统一，使各个控制节点能够在系统中采取冗余控制的方式来进行分别控制，其又被叫做电源控制器。在这些电源控制器中，其输出控制方式主要包括两种，一种是Local控制，即本地手动控制方式，另一种为Remote控制，即程序控制方式，当这两种输出控制方式中的任意一种出现故障时，则可采用另一种输出控制方式来发挥其控制功能，进而使系统的电源控制可靠性得到有效保证。通常来说，单控制方式可以从上述两种中任意选择一种，并通过键盘来自动切换控制方式。

在电源控制器开发中，其主要包括CPU、显示器电路、输出控制电路、输出检测电路、CAN通信电路以及键盘电路这六个组成部分，其中CAN通信电路能够实现下位机和上位机之间的通信，使上位机下达的控制指令得到有效接收，并在上位机中反馈各个电源控制器在运行过程中的状态参量。CAN收发器与CAN控制器是其主要组成部分，其中F040在控制器中集成，并利用SN65HVD230收发器作为CAN收发器，使其能够和系统的运行电压进行有效匹配。

对于键盘与显示电路来说，其控制方式的实现以及手动控制在进行单路或多路输出控制时，可通过8279来检测按键，利用中断控制来达到控制目的。在输出控制电路中，各个电源控制器输出均具有10路220V/50Hz，这些电源控制器在F040主控芯片中采用3.3V供电系统来进行供电。要想使高电压大电流控制得以实现，设计时需要利用光电隔离来控制信号输出，然后采用继电器来达到交流电输出控制。在输出电路中，交流电输出控制在系统可靠性上存在一定欠缺，因此为了强化系统可靠性，需要增设输出检测电路，由输出检测电路来检测各路输出，然后对比输出控制，从而使系统具备更高的要靠性。对于系统的抗干扰能力来说，考虑到电源控制器相当于混合电平系统，其内部既包含CAN网络接口电平，又包含10路220V/50Hz输出电平以及3.3V直流电平，因此需要通过光电隔离技术的有效应用，借助于继电器来实现利用小信号来控制大信号，从而使系统具备更高的可靠性。

结语

总而言之，在基于CAN总线的航天电源控制系统设计中，CAN总线凭借其较强的经济性与可靠性，可使系统的电源实时控制能力得到大幅提高，并可实现对航天电源控制系统的标准化与模块化设计，从而使航天电源控制系统得到进一步的完善。

参考文献

[1]梁妍，原立格，郝洋洲. 基于STM32的CAN总线接口控制系统设计[J]. 河南科技，2016（11）：95-98.

[2]武晓玥. 机载控制系统的CAN总线设计与应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2017，17（06）：43-46.

[3]吴冬. 基于DSP和CAN的航空发动机分布式控制系统设计与实现[J]. 电子设计工程，2018，26（18）：59-63.

第一作者简介：洪小骏（1979.9）男，汉族，江苏如东人，南京航空航天大学本科，上海航天计算机技术研究所，工程师，研究方向：软件。

（作者单位：上海航天计算机技术研究所）