真空熱試驗程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)設計與實現(xiàn)吳東亮;馮堯;廖韜;梁碩【摘要】為了滿足我國大型真空熱試驗任務中單個加熱回路對大電流或大電壓的綜合測試要求，解決當前程控電源串并聯(lián)操作復雜、串并聯(lián)電源負載失衡、串并聯(lián)實施后安全隱患突出的問題，設計并實現(xiàn)了一種真空熱試驗程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng);在現(xiàn)有真空熱試驗控制系統(tǒng)架構與程控電源型號基礎上，將輸入輸出電連接器按2:1的比例設計，基于雙IP雙電源自由組合控制輸出的方式，采用單片機與繼電器控制單元進行程控電源輸入輸出狀態(tài)檢測，通過繼電器矩陣實現(xiàn)電源輸出自由配置從而實現(xiàn)程控電源的串并聯(lián)快速配置;實踐表明，該程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)可以在3分鐘內實現(xiàn)15路的程控電源串并聯(lián)快速輸出，不僅簡化了目前復雜的電源串并聯(lián)操作，大大提高了程控電源串并聯(lián)操作實施效率，而且加強了程控電源串并聯(lián)后工作的安全性.％InordertomeettherequirementsofcomprehensivetestoflargecurrentorlargevoltageforsingleheatingcircuitinChina'slargevacuumthermaltesttask,arapidconfigurationsystemofprogrammablepowersupplyforvacuumheattestisdesignedandconstructed,whichcansolvetheproblemsofthecurrentcomplicatedprogram-controlledpowersupplyseriesparalleloperation,theimbalanceseriesparallelpowersupplyloadserialandtheoutsandingsecurityrisksafterseriesparallelimplementation.Basedontheexistingvacuumthermaltestcontrolsystemarchitectureandprogram-controlledpowersupplymodel,theinputandoutputelectricalconnectoraredesignedaccordingtotheratioof2:1.Usingdual-1Pdualpowersupplyfreecombinationofcontroloutput,theprogramcontrolledpowerinputandoutputstatusaredetectedthroughthemicrocontrollerandrelaycontrolunit,thefreepoweroutputconfigurationisachievedwiththeuseofrelaymatrix,thustheserialandparallelquickconfigurationisrealizedforprogrammablepowersupply.Theresultsshowthat,throughtheserialandparallelrapidconfigurationsystemofprogram-controlledpowersupply,theserialandparallelfastoutputof15-wayprogrammablepowersupplycanbeachievedwithin3minutes,whichindicatesthatthecurrentcomplexpowersupplystringparalleloperationissimplified,theprogram-controlledpowersupplystringparalleloperationefficiencyisgreatlyimproved,andtheworkofsecurityisstrengthenedaftertheprogram-controlledpowersupplystringinparallel.【期刊名稱】《計算機測量與控制》【年(卷)，期】2017(025)009【總頁數(shù)】4頁(P51-54)【關鍵詞】真空熱試驗;程控電源;串并聯(lián);快速配置【作者】吳東亮;馮堯;廖韜;梁碩【作者單位】北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094;北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094;北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094;北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094【正文語種】中文【中圖分類】TP273真空熱試驗是航天器研制過程中一項耗資巨大而又必不可缺的試驗項目，在冷黑背景下通過紅外模擬器（如加熱片、紅外籠、紅外燈等）對航天器在軌的外熱流進行模擬來驗證航天器熱設計的正確性［1-2］。目前，航天器在真空熱試驗中吸收外熱流的大小主要是通過控制計算機利用上位軟件驅動程控電源控制紅外模擬器來實現(xiàn)的，程控電源輸出電流（或電壓）的范圍直接決定了紅外模擬器輻射熱流的大小。隨著我國航天技術的飛速發(fā)展，東四平臺、深空探測等系列衛(wèi)星在真空熱試驗中對紅外模擬器的輻射熱流有了更高的要求，試驗中單個加熱回路對大電流或大電壓的需求日益增加，而當前測控系統(tǒng)程控電源的配置尚有許多不足：首先，當前單臺程控電源無法滿足部分試驗對加熱回路的電流或電壓要求；其次，程控電源內部器件有一定的耐壓值，人工在輸出接線端對電源進行串并聯(lián)（尤其是串聯(lián)）容易造成兩臺電源分擔電壓失衡，從而造成串聯(lián)電源超過器件耐壓值導致程控電源工作失效，對試驗造成影響；另外，送試方經(jīng)常會臨時提出電源串并聯(lián)要求，電源輸出接線端串并聯(lián)操作復雜不易實施，且實施后現(xiàn)場電纜電線交錯，存在安全隱患。本文從現(xiàn)有真空熱試驗控制系統(tǒng)架構與程控電源型號（主要為N5750）出發(fā)，制定了快速安全的程控電源串并聯(lián)方案，設計并實現(xiàn)了一套程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)，簡化了現(xiàn)有操作，提高了了程控電源串并聯(lián)實施的工作效率，確保串并聯(lián)后程控電源工作的安全性［3］。真空熱試驗控制系統(tǒng)主要由上位機控制軟件和程控電源陣列組成。其中，程控電源陣列又以機柜組的形式存在，每30臺電源為一個機柜組，每一個機柜組出兩個輸出電連接器從而實現(xiàn)30路的電流或電壓輸出。每個程控電源對應唯一的IP地址，在上位機控制軟件中得到的是一個程控電源的IP地址陣列，控制系統(tǒng)通過IP地址陣列驅動儀器實現(xiàn)電連接器端的電流電壓輸出，由于程控電源額定輸出功率（4A，150V）的限制，當星上電連接器端有大電流或大電壓的要求時，需要對程控電源陣列單個電源的輸出接線端子進行串并聯(lián)操作來實現(xiàn)。根據(jù)當前真空熱試驗控制系統(tǒng)架構和程控電源陣列的配置情況，對程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)進行整體設計如圖1所示，系統(tǒng)把一個程控電源組的機柜作為一個操作控制單元，輸入輸出電連接器采用2:1的方式設計，即機柜的兩個原始輸出電連接器作為系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)僅出一個電連接器作為整體輸出，具體操作過程為：參試人員在試驗準備現(xiàn)場將程控電源機柜的兩個電纜輸出插頭(Y2-36ZJ)和電源串并聯(lián)快速配置儀的轉接電纜插頭(Y2-36TK)相連接，然后在電源串并聯(lián)快速配置儀的人機交互界面進行參數(shù)設置，設置完成后，該配置柜的輸出電纜插頭(Y2-36ZJ)與紅外模擬器插頭連接。參試人員啟動電源串并聯(lián)快速配置軟件對串并聯(lián)通道進行固化，然后通過外熱流控制軟件對紅外模擬器進行控制。程控電源串并聯(lián)快速配置柜的硬件組成示意圖如圖2所示，該儀器采用市電供電，內置在線編程和繼電器控制模塊，通過中央控制單元對繼電器單元進行控制，通過繼電器切換輸入加熱通道的接線方式完成不同通道的串并聯(lián)快速配置。人機界面采用觸摸液晶屏，參試人員可以靈活的設定系統(tǒng)參數(shù)來配置不同通道間的串并聯(lián)關系，并且將加熱通道配置關系數(shù)據(jù)記錄到儀器內的存儲器內，在試驗完畢之后可以將配置關系數(shù)據(jù)上傳至PC機進行分析歸檔。程控電源串并聯(lián)快速配置軟件安裝在配置儀工控主機上，通過軟件對配置柜30路輸入加熱通道串并聯(lián)關系的配置組合來實現(xiàn)15路加熱通道的輸出，加熱通道間串并聯(lián)配置操作簡單，方便現(xiàn)場參試人員的操作；若試驗過程中有臨時串并聯(lián)需求可隨時進行配置，無需對硬件連接進行更改；軟件可以對接入電源進行網(wǎng)絡通信，具有對串并聯(lián)程控電源的電壓分擔調節(jié)功能；程控電源串并聯(lián)快速配置軟件功能框圖如圖3所示。程控電源串并聯(lián)配置輸出原理［4］如圖4所示，兩個電源1、2為一組，實現(xiàn)串并聯(lián)及單臺輸出：當1、2并聯(lián)輸出時：控制線A對應的繼電器向下閉合，以打開電源1、2的輸入通道；控制線C、D對應的繼電器向下閉合，以打開整合后的電壓、電流的輸出；控制線B對應的繼電器向下閉合，以實現(xiàn)電源1的正極和電源2的正極相連，電源1的負極與電源2的負極相連。當1、2串聯(lián)輸出時：控制線A對應的繼電器向下閉合，以打開電源1、2的輸入通道；控制線C、D對應的繼電器向下閉合，以打開整合后的電壓、電流的輸出；控制線B對應的繼電器向上閉合，以實現(xiàn)電源1的正極和電源2的負極相連，電源1的負極與電源2的正極相連。當需要1、2單獨輸出時：控制線A對應的繼電器向下閉合，以打開電源1、2的輸入通道；如果需要電源1單獨輸出，控制線D對應的繼電器向下閉合，以打開電源1的輸出通道；控制線C對應的繼電器向上閉合，以斷開電源2的輸出通道，控制線2對應的繼電器與輸出無關。狀態(tài)檢測：狀態(tài)線1、2、3、4、5可以將所在繼電器的狀態(tài)（向上、下閉合的狀態(tài)）反饋給單片機，可以使主機知道電源的輸入、輸出情況。當繼電器向上閉合時，狀態(tài)線上為低電平。否則該繼電器可能有故障。當繼電器向下閉合時，狀態(tài)線上為高電平，否則該繼電器可能有故障。輸出切換：當有需要切換輸出通道時，在這里使用多向開關控制其輸出通道號的切換，如圖，即把控制線A、C、D對應的繼電器向上閉合。整個系統(tǒng)的中央控制單元采用了嵌入式工控板EMB-3930作為控制的核心部分，EMB-3930是一款基于IntelCedarTrail平臺的嵌入式主板，板載IntelAtomN2800/D2550處理器具備1條SO-DIMM插槽，支持DDR3800/1066MHz，系統(tǒng)內存最大支持4GB，IntelGMA3650集成顯卡，支持VGA+LVDS顯示輸出，支持獨立雙顯示，提供2個SATAH,6個USB2.0,4個COM和2個千兆網(wǎng)卡,1個MiniPCIe,1個PC-104Plus。EMB-3930的兩個雙網(wǎng)卡，一個用來控制程控電源組機柜，通過LAN端口配置每一個電源的輸入輸出狀態(tài)參數(shù)，另一個網(wǎng)口用來連接上位控制計算機，接收上位機配置軟件指令和上位控制系統(tǒng)發(fā)出的負載均衡控制指令。本課題使用單片機作為繼電器驅動控制和觸點監(jiān)測部分，單片機和嵌入式工控板之間通過RS232進行數(shù)據(jù)傳輸，單片機控制繼電器譯碼電路如圖5所示，其中圖中1組、2組?“15組。每組有4根電源輸入線，兩根電源輸出線，5根狀態(tài)線，4根控制線。單片機[5][6]通過74LS138芯片選址，經(jīng)選之后，某一弓I腳為低電平，其相連的左邊74LS373鎖存器被選中，控制總線發(fā)送相應的控制命令，74LS373輸出控制命令，配置箱根據(jù)命令作出相應的變化；右邊的74LS373也被選中，其輸出數(shù)據(jù)隨配置箱單元組的狀態(tài)變化而變化，單片機檢查其狀態(tài)。當操作人員沒有其他操作時，單片機處于檢查狀態(tài)，但檢查某一組時，需要先將該組的控制信號寫到控制總線上，以免在選中該組時原來的信號和控制總線上的信號不同，造成損害。開機初始化單片機及其他模塊，初始化后所有的電源控制線A、C、D對應繼電器均向上閉合，此時單片機可檢測繼電器狀態(tài)，如有錯，發(fā)出錯誤警告，且提示出是哪一組的故障，但不允許進行電源的串并聯(lián)配置，直到故障排除。進行電源配置的時候，操作人員在觸控屏上進行操作，需要選好要進行配置的電源和要輸出的通道，當操作人員所選的參數(shù)不符合條件時，比如沒有輸出通道的選擇，單片機會進行提醒，直到所選參數(shù)符合要求，選好后，須確認后才可完成配置。進行參數(shù)選擇的時候，如果某一電源或輸出通道已經(jīng)被占用，則單片機不會允許選擇本電源或輸出通道。選好參數(shù)以后，單片機先保存參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)，確定好所選電源及輸出通道對應的地址，然后選中該組地址，將控制信號輸出到該組的控制線上，同時該組的鎖存器74LS373將控制信號鎖存，之后單片機可以進行其他操作，等待下一個命令。在進行正常工作時，單片機會重復檢查每一組的狀態(tài)線上的信號，如果檢測的信號跟操作人員所配置的參數(shù)不符合，則會停止電源配置箱的工作，并通知操作人員進行排除故障工作。程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)的上位機軟件基于VisualBasic實現(xiàn)，采用圖形化界面設計，可以通過讀取txt格式的文件與Excel格式的配置表做接口，也可以直接進行狀態(tài)參數(shù)設置。主要實現(xiàn)遠程參數(shù)設置、人機交互、實時狀態(tài)檢測等功能。在軟件結構中，首先進行軟件初始化，根據(jù)通道配置信息進行儀器初始化，然后對繼電器進行狀態(tài)檢查，在使用過程中會根據(jù)初始配置信息對程控電源串并聯(lián)及工作狀態(tài)進行狀態(tài)檢測，并對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理、保存。上位機配置軟件的主要功能有讀取串并聯(lián)配置信息、儀器初始化、串并聯(lián)狀態(tài)保持與檢查等。軟件配置模塊采用雙IP雙電源自由控制方式，可以實現(xiàn)程控電源單臺、串聯(lián)、并聯(lián)等輸出方式。另外，真空熱試驗控制系統(tǒng)軟件與該配置軟件結合使用還可以達到分擔電壓均衡的功能。在控制系統(tǒng)軟件中進行串并聯(lián)電源電壓或電流高低限設置，生成txt格式文件，程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)軟件讀取配置信息，從而對串并聯(lián)后的電源輸出電壓進行調節(jié)。軟件的整體流程如圖6所示。在航天器熱試驗電源間與總控間進行了程控電源串并聯(lián)快速配置系統(tǒng)的組裝與測試，測試使用電源間32號機柜電源，電源IP為169.254.32.1~169.254.32.30，分兩個插頭，其中IP為169.254.32.1~169.254.32.15的電源為A輸入端，169.254.32.16~169.254.32.30的電源為B輸入端，經(jīng)過配置儀設置輸出后組合輸出15個加熱回路。設置1加熱回路為A輸入電源單臺輸出，3加熱回路為B輸入電源單臺輸出，5、9加熱回路為將A、日輸入電源串聯(lián)輸出，7、11加熱回路為將A、日輸入電源并聯(lián)輸出，其他回路處于關閉狀態(tài)，測試記錄如表1所示。在測試過程中，從開始設置到得到實際輸出結果時間在3分鐘以內，且可以同時得到最多15路程控電源串并聯(lián)輸出的加熱通道。從測試記錄可以