基于DSP的抗辐照控制系统的设计与实现*

吴 松，顾 林，孙晓冬，宋晨阳

(中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072）

1 引言

航天环境需要元器件具备一定的抗辐照指标，防止因高能粒子的轰击出现控制和通信指令等错误。电机作为动作部件的运动核心，需要控制器提供脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）作为电机驱动模块的控制信号，为了准确实现对电机转速、转矩的控制，需要采集电机供电线路中的电流，同时控制系统还需与外界系统可靠通信，接收或上传信息[1]。

本文针对航天用动作部件的控制与通信系统，设计了基于数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）的抗辐照控制系统，该系统以DSP为主控制器实现对以电机为核心的动作部件的控制，并通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）、RS422等总线与外部系统进行通信。

2 系统架构设计

本控制系统的抗辐照性能主要通过3种方法进行保证：1）选用具有可靠抗单粒子与总剂量指标的元器件；2）核心控制数据依靠具备较高抗辐照性能的反熔丝可编程只读存储器（Programmable Read-only Memory，PROM）进行硬件三模冗余保证可靠性；3）在软件上进行三模冗余。该系统主要由主控模块、通信模块、电流信号采集模块和电源模块构成。主控模块由DSP及相关配置电路组成，通信模块由CAN通信总线与RS422通信总线两部分组成，电流采集模块由运放组成的电压采集与调理电路组成，电源模块由直流变换器（Direct Current，DC/DC）和低压差线性稳压源（Low Dropout Regulator，LDO）2种电源组成。为了增加抗辐照控制系统核心控制指令的可靠性，将核心数据分别放置在3片反熔丝PROM中，实现硬件三模冗余的功能，DSP通过比对3片反熔丝PROM中的数据，并采用2片及以上反熔丝PROM中相同的数据作为执行指令，达到更加可靠的抗辐照性能[2-4]。抗辐照控制系统架构如图1所示。

图1 抗辐照控制系统架构

3 硬件设计

3.1 主控制模块硬件电路设计

抗辐照控制系统的主控制模块由DSP及其配置电路组成，DSP工作主频为100 MHz，内部集成16位XINTF总线接口、PWM控制模块、CAN控制器、模拟量采集模块等功能，具有良好的抗单粒子和抗闩锁指标。DSP作为主控制器，实现电流信号采集处理、PWM控制信号输出、串口与CAN通信等功能，并将16位XINTF总线与中断信号通过高速电连接器引到板外，可与外部处理器通过16位XINTF总线进行数据交互，XINTF总线挂一片16位宽、256 kb地址容量的具有可靠抗辐照指标的静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM），当与外部控制器进行高速率通信时用来缓存XINTF总线上接收到的通信数据[5-7]。为了保证主控制模块在空间环境中的可靠运行，DSP的配置程序放置在两片具有高可靠抗辐照性能的256 kb反熔丝PROM中，通过片外启动方式加载运行程序。一片反熔丝PROM保存DSP的低8位配置程序，另一片保存DSP的高8位配置程序。DSP片外配置PROM原理如图2所示。

图2 DSP片外配置PROM原理

3.2 通信模块硬件电路设计

CAN总线通信因具有抗干扰能力强、自动重发、可靠的错误处理和检错机制等优点，除了在车载系统中大量应用，在航空航天系统中也有应用。本系统CAN通信总线的控制器用DSP自带的模块实现，CAN收发器82C250实现CAN通信。CAN通信电路原理如图3所示。

图3 CAN通信电路原理

3.3 电流采集模块硬件电路设计

电流采集模块的模拟量采集部分使用DSP自带的采集模块，具有12位分辨率。电机线圈电流信号通过功率采样电阻转换为电压信号后，经由两级运放组成的采样与调理电路转换成不大于3 V的电压信号输入到DSP的采集模块，并通过3.3 V稳压管对DSP的模拟量采样端口进行过压保护，DSP将电压信号转换为对应的电流值[6]。运放组成的采样调理电路如图4所示。

图4 采样电路原理

3.4 电源模块硬件电路设计

电源部分选用DC/DC和LDO混合搭配使用，DC/DC电源控制电路50601具有较高的转换效率，最大带载能力可达6 A，LDO芯片23797的最大输出电流可到3 A，具有低压差、过流过温保护等功能。DSP的模拟量采集模块因对电源质量要求较高，由LDO供电，剩余3.3 V和1.8 V电源由DC/DC电源提供。DC/DC电源电路原理如图5所示。

图5 DC/DC电源电路原理

4 软件设计

4.1 DSP主程序设计

DSP作为抗辐照控制系统的主控制器，需要处理采集的电压信号，串口、CAN通信总线和XINFT总线的交互数据，执行PWM输出指令等功能。上电后先对定时器、模数转换器、串口和CAN等功能模块进行初始化，然后根据3片反熔丝PROM中的数据设置各功能模块的初值，外部控制系统通过CAN总线下发电机控制命令，DSP根据该命令输出PWM控制信号，完成控制指令后，DSP通过CAN总线上报系统当前各参数，主程序启动流程如图6所示。

图6 主程序流程

4.2 模拟量采样程序设计

DSP的模拟数字转换模块分辨率为12 bit，有效位为9 bit，电压输入范围为0～3 V，共有16路采集通道，可配置为2个独立的8通道单独使用。模拟量采样速率为1 MHz，采用中位值法进行数据处理，每5组数据去掉最大值和最小值，剩余3组取平均值作为实测电流值[8]。DSP比较电流实测值和计算值，根据结果调整PWM的占空比，实现电机转速的闭环控制。模拟量采样程序流程如图7所示。

图7 模拟量采样程序流程

4.3 CAN总线通信程序设计

CAN通信总线作为控制系统与外部系统的主要数据交互总线，在程序内部享有中断最高优先级。本系统CAN总线采用标准帧，通信速率为500 kbps。DSP通过CAN总线收到指令后，执行控制指令，实现对PWM通断和占空比的控制、开关量信号的采集与输出、上报模拟量采样值等功能[9-10]。CAN通信程序流程如图8所示。

图8 CAN总线通信程序流程

5 试验测试与结果

抗辐照控制系统的试验测试分为地面电性能测试和在轨功能验证2个部分，电性能指标主要在地面通过实验仪器辅助测试各项指标，抗辐照性能通过在轨进行验证，搭载星向本系统发送各项控制与通信指令，通过观察1个月内本控制系统的控制与通信指令的执行情况判断抗辐照性能。工作情况控制系统验证板卡的5 V电源由外部提供，试验板上通过直流电机和步进电机验证PWM控制功能，XINTF总线通过高速电连接器与外部系统进行通信，CAN总线通过CAN盒模拟发送指令，并验证通信可靠性。抗辐照控制系统实物如图9所示。

图9 抗辐照控制系统试验板实物

抗辐照控制系统通过选用抗辐照电路保证了航天抗辐照环境的适用性，通过对该系统试验板的测试，该控制系统满足动作部件的控制与通信功能。抗辐照控制系统具体的测试数据如表1所示。

表1 抗辐照控制系统测试数据

6 结束语

本文基于抗辐照DSP电路，设计了以DSP作为主控制器的抗辐照控制系统，通过对硬件和软件部分的设计，完成了该系统的功能试验板的设计，实现了该系统设定的控制和通信功能。试验结果表明，此系统可以满足对基于电机为驱动的动作部件的控制要求，并能够实现与外部系统的可靠通信。