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衛星電源系統主要用來為整個衛星的正常運行提供穩定的電源。它是衛星電能產生、儲存、變換、調節、傳輸分配和管理的重要分系統。其基本功能是通過物理和化學過程將太陽的光能、核能或化學能轉化為電能，并根據需要對電能進行存儲、調節和變換，然后向衛星其它各分系統不間斷供電。我國的衛星大都采用太陽能／蓄電池供電系統。蓄電池充電終壓控制采用電壓-溫度補償法，即V-T曲線控制。蓄電池溫度傳感器傳統上一般選用熱電耦或鉑電阻。模擬電路硬件控制是溫度補償的常用方法，已經在我國各種型號的衛星上獲得成功應用。 為加快我國衛星電源分系統的數字化設計。充分體現數字電路體積小、重量輕、功耗低、適應性強和可靠性高等優點，提高電源分系統的電能重量比，本文以DS18B20作為溫度傳感器，并采用單片機控制系統進行數據的采集、計算、調節及V-T曲線控制。 1 V-T曲線控制原理 V-T曲線的控制關系為：V=N(Vs-kT) 式中：Vs為電壓狀態值；T為溫度；k為溫度系數；N為補償系數。 如溫度T上升，電壓V下降，這表明此時蓄電池升高，需要調節充電電壓使溫度降低，這就是V-T曲線補償。其具體方法是采用V-T曲線跟蹤補償方案來控制蓄電池的充電終止電壓，然后通過測量蓄電池組的端電壓和單體溫度，以預設的溫度補償電壓曲線確定充電結束狀態。同時在充電器內部設置保護性充電終止電壓控制，以在電源控制計算機出現故障時停止對蓄電池充電，從而保證蓄電池組的安全。 2 數字溫度傳感器DS18B20 2.1 DS18B20的主要特點 DS18B20是美國DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強型單總線數字溫度傳感器。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面都比DS1820有所改進。DS18B20的主要特點如下： ◇采用單總線方式，僅需一根信號線與CPU連接即可傳送串行數據，且不需要外部元件； ◇每個芯片都有惟一編碼，多個DS18B20芯片可以并聯在一根總線上，故可實現多點測溫； ◇測溫范圍為-55～125℃，分辨率為12位； ◇測溫結果的數字量位數為9～12位，并可編程選擇； ◇可用數據線供電，也可用外部電源。 2.2 DS18B20的結構及功能 DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其管腳排列如圖1所示。圖中，GND為地；I／O為數據輸入／輸出端(即單線總線)，該腳為漏極開路輸出，常態下呈高電平；VDD是外部+5 V電源端，不用時應接地。 DS18B20的內部結構主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM、高速暫存器、用于存儲用戶設定的溫度上下限值的TH和TL觸發器、存儲與控制邏輯、8位循環冗余校驗碼發生器等七部分。其中ROM由64位二進制數字組成，它由生產廠家光刻而成，共分為8個字節，字節0的內容是該產品的廠家代號28H，字節1～6的內容是48位器件序列號，字節7是ROM前56位校驗碼。每個DS18B20的64位序列號均不相同，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣，就可以在一根總線上掛接多個DS18B20。 DS18B20溫度傳感器主要用于對溫度進行測量，數據可用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，并以0.0625℃／LSB形式表示。具體的溫度和數字量的關系如表1所列。 2.3 DS18B20的工作時序 根據DS18B20的通信協議，用主機控制DS18B20以完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。每一步操作必須嚴格按照時序規定進行。DS18B20的工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。 2.4 DS18B20使用注意事項 主機控制DS18B20完成溫度轉換時，在每一次讀寫之前，都要對DS18B20進行復位，而且該復位要求主CPU要將數據線下拉500μs，然后釋放。DS18B20收到信號后將等待16～60μs左右，之后再發出60～240μs的低脈沖。主CPU收到此信號即表示復位成功。實際上，較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償。由于DS18B20與微處理器間采用串行數據傳送方式，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格地保證讀寫時序，否則，將無法正確讀取測溫結果。 對于在單總線上所掛DS18B20的數量問題，一般人們會誤認為可以掛任意多個DS18B20，而在實際應用中并非如此。若單總線上所掛DS18B20超過8個時，則需要解決微處理器的總線驅動問題，因此，在進行蓄電池單體多點測溫系統設計時該問題要加以注意。 連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜且其傳輸長度超過50 m時，讀取的測溫數據將發生錯誤。而將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150 m，如采用帶屏蔽層且每米絞合次數更多的雙絞線電纜，則正常通信距離還可以進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產生畸變造成的，因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 在DS18B20測溫程序設計中，當向DS18B20發出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返同信號。這樣，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，在程序讀該DS18B20時就沒有返回信號，從而使程序進入死循環。因此，在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時，應當給予足夠的重視。 3 數字V-T曲線控制系統 3.1 硬件設計 本設計選用美國Atmel公司的增強型Flash單片機AT89S52作為主處理器來完成主要的測控任務，A999S52內嵌的8 KB Flash ROM可在軟硬件上兼容AT89C52，但其最大的特點是集成了ISP接口，因而可直接在目標板上進行在線編程。另外，設計中選用DALLAS公司的DS18B20作為溫度測量單元，其單總線上掛接的DS18B20采用外接VCC方式(而未用寄生供電)，進行多點測量；模數轉換采用ADI公司的AD574，精度為12 bit。其系統硬件組成如圖2所示。 3.2 軟件設計 本系統程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉換命令子程序、計算溫度子程序、顯示數據刷新子程序等。編程時必須嚴格按照DS18B20的時序規定進行。尤其需要注意的是，在多點溫度測量中，由于多個DS18B20掛在一條總線上，為識別不同的器件，在系統安裝之前，應將主機逐個與DS18B20掛接，以讀出其序列號。具體是由主機先給DS18B20發一個復位脈沖，在DS18B20發回響應脈沖給主機后，主機再發讀ROM命令(代碼33H)，并發一個15μs左右的脈沖，接著再讀取DS18B20序列號的一位，并用同樣方法讀取序列號的每一位。其V-T曲線控制系統主程序和測溫子程序分別如圖3和圖4所示。 4 系統抗干擾設計 為了該系統能夠穩定可靠地工作，本系統還應對其進行抗干擾設計。具體應從以下幾個方面人手進行設計： (1) 電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開。使用完全光耦隔離方法來提高抗干擾能力，減少互感振蕩，光耦應選擇高速器件； (2) CPU、RAM、ROM等主芯片應在VCC和GND間接電解及瓷片電容，以去掉高低頻干擾； (3) 應采用獨立系統結構，并減少接插件與連線，以提高可靠性，減少故障率； (4) 在外部供電的輸入口應加二極管橋抑制電路，以防止逆向電流的出現，同時也使得內外電路的地線隔離，從而起到抗干擾作用； (5) 加復位電壓檢測電路可防止復位不充分從而CPU就工作的現象，尤其在有EEPROM器件時，復位不充分會改變EEPROM的內容； (6) 在單片機空單元寫上00H，并在最后放跳轉指令到ORG 0000H，可防止程序跑飛。 5 結束語 應用AT89S52單片機和DS18B20嵌入式數字溫度傳感器等設計的V-T曲線控制補償系統，可以方便地進行數據采集、計算和調節。試驗結果表明，該控制系統完全可以達到設計要求，以實現數字化的數據采集、數據處理和控制要求。該方法與傳統的模擬硬件控制系統相比，可以很好地解決衛星電源分系統的小型化、高精度、高可靠性和低功耗等問題。可以預見，該設計方案在我國的航天領域將有很大的作為。 |
