CN112346092A - 卫星电源控制器的内总线***和通信方法 - Google Patents

卫星电源控制器的内总线***和通信方法 Download PDF

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张璇
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陈红
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Abstract

本发明公开了一种卫星电源控制器的内总线***和通信方法，***包括卫星电源控制器，卫星电源控制器遥测遥控***与星载计算机进行数据交互，所述卫星电源控制器内设有：遥控遥测单元，其上设有主内总线主站和备内总线主站；分流调节器，其上设有主内总线从站和备内总线从站，所述主内总线从站通过主内总线与主内总线主站交互，所述备内总线从站通过备内总线与备内总线主站交互；其中，所述主内总线和备内总线均包括两条独立的子总线。本发明可实现电源控制器分布式遥测遥控，减少模块间信号互联的数量，提高功率可扩展性。本发明可广泛应用于卫星电源控制技术领域。

Description

卫星电源控制器的内总线***和通信方法
技术领域
本发明涉及卫星电源控制技术领域，尤其是一种卫星电源控制器的内总线***和通信方法。
背景技术
全调节母线的电源控制器PCU在卫星供配电***所起的作用相当重要，无论卫星处于光照区还是地影区，功率调节***都使母线电压恒定在某一额定值。但随着卫星有效载荷功率需求不断提升，PCU功率密度和整机复杂程度越来越高。PCU的模块数量增加，并且随着卫星供配电***的不断发展与技术进步，对PCU提出了更高的要求，功能扩展与智能化的技术要求越来越高，遥测量与遥控指令相应增加，PCU整机遥测遥控***也越来越复杂。传统的集中式的遥测遥控方式，各模块的遥测遥控信号通过离散形式连接到TMTC模块，不仅造成TMTC过于复杂，而且由于模块间互联信号数量众多，EMC特性和可靠性难以保证。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种卫星电源控制器的内总线***和通信方法，其基于分布式供电方案的电源控制器设计，采用此内总线可以实现电源控制器分布式遥测遥控，从而减少模块间信号互联的数量，提高功率可扩展性。
第一方面，本发明实施例提供了：
一种卫星电源控制器的内总线***，包括卫星电源控制器，所述卫星电源控制器对应的遥测遥控***与星载计算机进行数据交互，所述卫星电源控制器内设有：
遥控遥测单元，所述遥控遥测单元上设有主内总线主站和备内总线主站，所述主内总线主站和备内总线主站用于对电源控制器内各个模块的指令输出和遥测采集；
分流调节器，所述分流调节器上设有主内总线从站和备内总线从站，所述主内总线从站通过主内总线与主内总线主站交互，所述备内总线从站通过备内总线与备内总线主站交互；所述主内总线从站和备内总线从站均用于对分流调节器、充放电调节器的控制和遥测采集；
其中，所述主内总线和备内总线均包括两条独立的子总线。
进一步地，所述卫星电源控制器内还设有：
第一辅助电源，所述第一辅助电源用于为主内总线主站和主内总线从站提供工作电源；
第二辅助电源，所述第二辅助电源用于为备内总线主站和备内总线从站提供工作电源。
第二方面，本发明实施例提供了：
一种卫星电源控制器的通信方法，所述卫星电源控制器内设有内总线主站和内总线从站；所述内总线主站通过内总线与内总线从站交互；所述通信方法用于所述内总线主站和所述内总线从站之间的交互过程，其包括：
采用20位DS编码对内总线信号进行编码；
通信协议包括5种类型字，所述5种类型字为同步字、命令字、写数据字、读数据字和状态字。
进一步地，所述命令字、写数据字、读数据字和状态字之间通过类型字段区分；所述命令字、写数据字、读数据字和状态字的有效位为16位，通过校验位对16位有效位进行奇偶校验。
进一步地，所述内总线上的数据通过所述5种类型字为单位进行接收和发送，多个所述类型字的收发构成消息。
进一步地，所述通信协议包括两种消息格式，所述两种消息格式分别为写从站消息和读从站消息，所述从站与主站交互，其中，所述从站为内总线从站，所述主站为内总线主站。
进一步地，所述写从站消息，包括：
主站发送同步字；
当所有从站接收到所述同步字后，从站开始进入接收状态；
主站发送命令字；
从站判断所述命令字的地址字段，若地址字段与对应从站的地址字段相同且读写状态位为1，则继续接收数据，反之，退出接收状态；
主站根据所述命令字内的长度字段所设定的长度发送对应数量的写数据字，对应的从站依次接收所述写数据字；
当从站接收的写数据字长度等于所述长度字段所设定的长度，主站释放总线且从站驱动总线；
从站发送同步字，主站根据所述同步字进入接收状态。
从站发送状态字；
当主站接收到所述状态字后，从站释放总线。
进一步地，所述读从站消息，包括：
主站发送同步字；
当所有从站接收到所述同步字后，所有从站进入接收状态；
当主站发送命令字后，主站释放总线；
所有从站判断所述命令字的地址字段，若所述命令字的地址字段与从站的地址字段相同且读写状态位为0，则从站进入发送状态；
从站发送同步字；
当主站接收到所述同步字后，主站进入数据接收状态；
从站根据所述命令字的长度字段发送读数据字；
主站接收所述读数据字；
当从站的读数据字发送完成后，从站发送状态字；
当主站接收到所述状态字后，从站释放总线。
进一步地，所述命令字的10位地址位包括从站地址位数和从站内子地址位数。
进一步地，所述内总线信号采用全差分方式进行传输。
本发明的有益效果是：本发明实施例通过功能改进在卫星电源控制器内实现分布式供电，并在遥控遥测单元上设置主内总线主站和备内总线主站，以及在分流调节器模块上设置主内总线从站和备内总线从站，接着将主内总线从站通过主内总线与主内总线主站交互，将备内总线从站通过备内总线与备内总线主站交互，同时将主内总线和备内总线均设置为两条独立的子总线，从而避免发生因单个子站损坏导致主备站之间切换的情况。采用此内总线可以实现电源控制器分布式遥测遥控，从而减少模块间信号互联的数量，提高功率可扩展性。
附图说明
图1为一种具体实施例的电源控制器的集中式供电示意图；
图2为一种具体实施例的电源控制器的分布式供电示意图；
图3为一种具体实施例的采用双总线***的电源控制器示意图；
图4为图3内双总线***的实现示意图；
图5为一种具体实施例的总线拓扑示意图；
图6为一种具体实施例的编码过程示意图；
图7为一种具体实施例的通信协议内字定义示意图；
图8为一种具体实施例的写从站消息示意图；
图9为一种具体实施例的读从站消息示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
在本发明实施例的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
首先，对本申请出现的名词进行解释：
PCU：全调节母线的电源控制器。MEA：母线误差放大器。BUS：母线。IPBUS：内总线***。IPBUS_N：主TMTC总线。IPBUS_R：备TMTC总线。MST：内总线主站。PSST和TSST：内总线从站。BDR：放电调节器。BCR：充电调节器。BCDR：放电调节器BDR+充电调节器BCR。S3R：分流调节器。PSR：供电***，由1个分流调节器S3R+2个BCDR。CAP：电容阵。CONN：连接器单元。TMTC：遥测遥控单元。TMTC_N：主遥测遥控单元。TMTC_R：备遥测遥控单元。RTN：功率地。VBUS：母线正极。VBAT1：蓄电池1正极。VBAT2：蓄电池2正极。SA1：南太阳阵。SA2：北太阳阵。LOAD：整星负载。GND：整星地。BCM：电池管理。LOAD：PSR模块负载。APS：辅助电源。
参照图1，全调节母线的电源控制器PCU包括分流调节器S3R、充电调节器BCR、放电调节器BDR、电容阵CAP、连接单元CONN、遥测遥控单元TMTC共6个模块。各模块的功率端口通过汇流条进行互联，其中，汇流条包括功率地RTN、母线正极VBUS、蓄电池1正极VBAT1、蓄电池2正极VBAT2共4根。这4根汇流条与各模块的功率端口连接，并通过连接器单元CONN与南太阳阵SA1、北太阳阵SA2、南蓄电池BAT1、北蓄电池BAT2、整星负载LOAD、整星地GND连接到一起。遥测遥控单元TMTC是PCU的遥测遥控单元，其用于对整机各模块的遥测遥控，此外，遥测遥控单元TMTC还包含主误差放大器MEA功能、电池管理BCM功能及母线过压保护等功能。根据图1可知，遥测遥控单元TMTC采用集中遥控遥测设计，S3R、BCR、BDR和CONN个模块的遥测遥控信号通过离散形式连接到TMTC_N和TMTC_R主、备两个模块。
而为了实现对越来越复杂的PCU整机控制，如图2所示，把BCR和BDR合成一个单元BCDR，S3R则被分成几个分立的单元，每个S3R模块与2个BCDR模块组成一个独立的单元PSR，每个PSR都可以看成一个独立的供电***，与蓄电池BAT、太阳阵SA和整星负载LOAD独立连接，母线电容阵CAP和遥测遥控单元TMTC是共用的，为适应可能出现的各PSR模块负载LOAD输出不均衡的情况，各PSR模块的母线BUS通过背板连接到一起。
为了实现遥测遥控单元TMTC对多个PSR的遥测遥控功能，如图3所示，TMTC主、备模块内部各包括一个内总线主站，用于对PCU内部各模块的指令输出和遥测采集；每个S3R模块包含主、备两个内总线从站，分别用于接收TMTC模块从主、备内总线输出的指令数据，每个S3R模块的内总线从站可实现对S3R模块和2个BCDR模块的控制和遥测采集，并将遥测数据上传至TMTC模块。TMTC采用冷备份工作模式，通常TMTC主、备两个模块仅有一个模块处于开机状态，其对应的内总线主站和从站也处于开机状态，如当前遥测遥控***失效，启用另一遥测遥控***。通过上述内总线的设计，实现了PCU分布式遥测遥控，分布式遥测遥控是以PSR为基本单元实现的，因此本实施例中把此内总线称之为IPBUS。
如图4所示，本实施例提供了一种PCU内总线IPBUS的示意图，其中，内总线主站MST可采用FPGA实现，内总线从站PSST和TSST可采用ASIC实现，PSST实现PSR单元的遥测遥控，TSST实现TMTC模块自身的遥测遥控，PCU通过内总线IPBUS实现内部各模块总线遥测遥控功能。TMTC模块接收到1553B总线输入的控制指令后，经过指令解析转换为PCU内部IPBUS控制指令，由内总线从站PSST和TSST完成指令执行，同时PSST和TSST通过状态量和模拟量采集接口完成对S3R模块、2个BCDR模块及TMTC模块的状态遥测和模拟量遥测后，由内总线输出至TMTC模块，经TMTC模块组帧后通过1553B总线接口上传。整个PCU遥测遥控***分为主份和备份，互为冷备份，相应的IPBUS也采用互为冷备份的双总线设计，即IPBUS_N是主TMTC总线，对应的主内总线主站为MST_N，主内总线从站为TSST_N和PSST_N，由辅助源APS_N独立供电；IPBUS_R是备TMTC总线，对应的备内总线主站为MST_R，备内总线从站为TSST_R和PSST_R，由辅助源APS_R独立供电。当APS_N开机时，星载计算机可通过主遥测遥控***对PCU进行访问；当APS_R开机时，星载计算机可通过备遥测遥控***对PCU进行访问。
为了进一步提高上述双总线设计的可靠性，如图5所示，每一份总线又设计的两条独立的子总线，即A总线和B总线，以防止单个总线接口失效导致主、备遥测遥控***切机。其中，内总线采用一主多从的通信模式，可基于MLVDS等差分通信实现，包括IP_D、和IP_S两对差分信号，主站和从站之间的数据传输是双向的。
基于上述的内总线***，本实施例提供了一种卫星电源控制器的通信方法，该通信方法用于内总线主站和内总线从站之间的交互过程，其中，交互过程采用20位DS编码，即Data Strobe编码，如图6所示的20位数据的编码过程，IP_D为Data信号，IP_S为Strobe信号，如果相邻两个BIT的Data信号值相同，则此时的Strobe信号就要发生改变，否则它的值保持不变。在交互过程中，通信协议定义为5种类型字，除同步字外，各个类型字以类型字段TYPE进行区分，有效位数为16位，校验位P对16位有效字进行奇校验。具体地，如图7所示：
同步字：SYNC WORD，可由主站或从站发起，接收端需要识别整帧的起始位才能正确接收数据，同步字的设计是为了标识整帧起始位，当接收端连续收到不少于20个逻辑1的位且下一位为0时，则该0值为整帧接收的第一位，开始整帧接收。
命令字：CMD WORD，由主站发送，TYPE标志字段为‘000’，包括10位地址位ADDRESS，该10个地址位可根据需要划分从站地址和从站内子地址位数，具***数根据***需要确定；1位读写位W/R，当读写位为1时，表示对从站写操作，当读写位为0时，表示对从站读操作；5位字长度位LENGTH，其表示读或写的字数。
写数据字：WR WORD，由主站发送给从站，TYPE标志字段为‘001’，有效位数为16位。
读数据字：RD WORD，由从站发送给主站，TYPE标志字段为‘010’，有效位数为16位。
状态字：STS WORD，由从站发送给主站，TYPE标志字段为‘011’，有效位数为16位，代表从站状态。
在上述实施例中，从站可以为内总线从站，主站为内总线主站。
而总线数据则是以图1所示字的定义为单位进行接收和发送，多个字的收发构成消息，通信协议定义包括两个消息格式，第一种是写从站消息，第二种是读从站消息。
其中，如图8所示，写从站消息的具体过程包括：
主站发送同步字，各从站接收到同步字后开始进入接收状态；
主站发送写命令字，各从站判断命令字的地址字段，如果命令字的地址字段与本从站地址对应且读写状态位为1，则继续接收数据，否则退出接收状态；
主站按照写命令字中长度字段所设定的长度发送对应数量的写数据字，对应从站依次接收，直到达到长度字段所设定的长度；
主站写数据字发送完毕后释放总线，对应从站开始驱动总线，从站发送同步字，主站进入接收状态；
从站发送状态字，主站接收状态之后，从站释放总线，写从站消息过程结束。
如图9所示，读从站消息的具体过程包括：
主站发送同步字，各从站接收到同步字后开始进入接收状态；
主站发送写命令字之后释放总线，各从站判断命令字的地址字段，如果命令字的地址字段与本从站地址对应且读写状态位为0，则进入发送状态；
对应从站发送同步字，主站接收到后进入数据接收状态；
对应从站按照命令字所设定的长度逐个发送读数据字，主站逐个接收，直到从站数据发送完毕；
从站发送状态字，主站接收状态字之后，从站释放总线，读从站消息过程结束。
综上可知，上述实施例通过设计一种DS编码同步机制，当接收端连续收到不少于20个逻辑1的位且下一位为0时，则该0值为整帧接收的第一位，开始整帧接收，可自然区分其它类型字。以及以TYPE字段为基础，定义了5种类型字和2种消息的通用型的通信协议，且命令字10位地址位可根据需要划分从站地址和从站内子地址位数，具***数根据***需要确定，灵活性好。在以上设计基础上，内总线及其对应的主站和从站采用主、备冗余设计，两套总线***工作在冷备份模式且独立供电，每一份总线上又设计了A总线和B总线进行热备份，从而保证总线通信可靠性。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种卫星电源控制器的内总线***，其特征在于，包括卫星电源控制器，所述卫星电源控制器对应的遥测遥控***与星载计算机进行数据交互，所述卫星电源控制器内设有：
遥控遥测单元，所述遥控遥测单元上设有主内总线主站和备内总线主站，所述主内总线主站和备内总线主站用于对电源控制器内各个模块的指令输出和遥测采集；
分流调节器，所述分流调节器上设有主内总线从站和备内总线从站，所述主内总线从站通过主内总线与主内总线主站交互，所述备内总线从站通过备内总线与备内总线主站交互；所述主内总线从站和备内总线从站均用于对分流调节器、充放电调节器的控制和遥测采集；
其中，所述主内总线和备内总线均包括两条独立的子总线。
2.根据权利要求1所述的一种卫星电源控制器的内总线***，其特征在于，所述卫星电源控制器内还设有：
第一辅助电源，所述第一辅助电源用于为主内总线主站和主内总线从站提供工作电源；
第二辅助电源，所述第二辅助电源用于为备内总线主站和备内总线从站提供工作电源。
3.一种卫星电源控制器的通信方法，其特征在于，所述卫星电源控制器内设有内总线主站和内总线从站；所述内总线主站通过内总线与内总线从站交互；所述通信方法用于所述内总线主站和所述内总线从站之间的交互过程，其包括：
采用20位DS编码对内总线信号进行编码；
通信协议包括5种类型字，所述5种类型字为同步字、命令字、写数据字、读数据字和状态字。
4.根据权利要求3所述的一种卫星电源控制器的通信方法，其特征在于，所述命令字、写数据字、读数据字和状态字之间通过类型字段区分；所述命令字、写数据字、读数据字和状态字的有效位为16位，通过校验位对16位有效位进行奇偶校验。
5.根据权利要求3所述的一种卫星电源控制器的通信方法，其特征在于，所述内总线上的数据通过所述5种类型字为单位进行接收和发送，多个所述类型字的收发构成消息。
6.根据权利要求5所述的一种卫星电源控制器的通信方法，其特征在于，所述通信协议包括两种消息格式，所述两种消息格式分别为写从站消息和读从站消息，所述从站与主站交互，其中，所述从站为内总线从站，所述主站为内总线主站。
7.根据权利要求6所述的一种卫星电源控制器的通信方法，其特征在于，所述写从站消息，包括：
主站发送同步字；
当所有从站接收到所述同步字后，从站开始进入接收状态；
主站发送命令字；
从站判断所述命令字的地址字段，若地址字段与对应从站的地址字段相同且读写状态位为1，则继续接收数据，反之，退出接收状态；
主站根据所述命令字内的长度字段所设定的长度发送对应数量的写数据字，对应的从站依次接收所述写数据字；
当从站接收的写数据字长度等于所述长度字段所设定的长度，主站释放总线且从站驱动总线；
从站发送同步字，主站根据所述同步字进入接收状态；
从站发送状态字；
当主站接收到所述状态字后，从站释放总线。
8.根据权利要求6所述的一种卫星电源控制器的通信方法，其特征在于，所述读从站消息，包括：
主站发送同步字；
当所有从站接收到所述同步字后，所有从站进入接收状态；
当主站发送命令字后，主站释放总线；
所有从站判断所述命令字的地址字段，若所述命令字的地址字段与从站的地址字段相同且读写状态位为0，则从站进入发送状态；
从站发送同步字；
当主站接收到所述同步字后，主站进入数据接收状态；
从站根据所述命令字的长度字段发送读数据字；
主站接收所述读数据字；
当从站的读数据字发送完成后，从站发送状态字；
当主站接收到所述状态字后，从站释放总线。
9.根据权利要求6所述的一种卫星电源控制器的通信方法，其特征在于，所述命令字的10位地址位包括从站地址位数和从站内子地址位数。
10.根据权利要求3所述的一种卫星电源控制器的通信方法，其特征在于，所述内总线信号采用全差分方式进行传输。
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