（通信与信息系统专业论文）面向工程件的ttec控制板的设计与实现.pdf

面向工程件的t t e c 控制板的设计与实现 专业：通信与信息系统 硕士生： 冯国聪 指导教师：倪江群副教授 摘要 本论文选题来自国家科技部2 0 0 3 年“国际科技合作重点项目计划”中的“阿 尔法磁谱仪( a m s ) 轨迹探测器热控制系统( t t c s ) 的研制”项目。a m s 是由 遍布1 5 个国家的5 6 个研究机构合作承担的大型国际性科研项目，分为a m s 一叭 和a m s 0 2 两个阶段，其主要目的是寻找太空中的反物质和暗物质，并研究宇宙 射线的成分与能谱。 由中国中山大学、美国麻省理工学院、荷兰航空航天局等科研机构合作研 制的t t c s 系统对硅微条探测器三至五年的太空运行起着关键的温度保障作用。 中山大学t t c s 系统研发团队包括电子组、热工组和机械组。电子组负责t t c s 系统电子控制予系统( t t c e ) 的研制。t t e c 作为t t c e 中的主控板，承担了 t t c s 回路器件温度数据采集，与专用采集计算机( j m d c ) 建立可靠通信，对 t t c s 回路器件温度进行闭环控制及执行安全保护措施( h e a l t l l o u a r d ) 任务。 t t e c 的研制分为原型件、工程件和飞行件三个阶段。原型件是对t t e c 设 计理念的验证性实现：工程件是根据飞行件性能需求，对原型件在功能、可靠性 及稳定性等方面的进一步完善、提高：飞行件则是针对t t e c 运行的空间环境， 在防干扰、防辐射、防震动等方面对工程件设计进行改进，使t t e c 达到空间运 行要求。t t e c 原型件研制于2 0 0 5 年6 月完成。经过一系列测试后，t t e c 设计 理念得以验证，但原型件的功能并不完善，存在数据采集不准确、c a n 通信机 制不稳定、闭环控制不精确等问题。基于上述现状，本论文展开了t t e c 工程件 研制的研究。在研究中，首先分析了原型件设计的优缺点，然后分别从硬件与软 件两方面构思设计，在硬件设计方面，调整t t e c 电路设计的总体架构，改进关 键电路模块设计，提高硬件的可靠性；而在软件设计方面，重划t t e c 中主处 理芯片任务，重新设计数据采集、c a n 通信、存储器控制等功能模块，以较优 的资源配置实现软、硬协同工作，最终提出并实现较为可行的工程件设计方案。 通过多种途径的测试验证，t t e c 工程件在功能及可靠性方面较原型件有较大的 提高和改善，基本满足飞行件的功能要求。由于条件受限，目前的对t t e c 工程 件的测试验证仅局限在仿真回路环境，在真实t t c s 回路中的运行情况将有待进 一步验证。 关键词：a m s 0 2 ，t i c s ，t t e c ，c a n 通信 i i t i t l e ：t h ee n g i n e e r i n gm o d e lo r i e n t e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t t e cb o a r d m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：f e n gg u o c o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rn ij i a n g q u n a b s t r a c t t h et h e s i sb a s e so nt h ep r o j e c t “t h ed e v e l o p m e n to fa l p h a - m a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ( a m s ) t h a c k e rt h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ( t t c s ) ”，w h i c hw a so n eo ft h e “k e y p r o j e c t so fi n t e r n a t i o n a ls c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lc o o p e r a t i o n l e a d e db ym i m s t r y o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n ai n2 0 0 3 a m s ，w h i c hi n c l u d e st w op h a s e s a m s 0 1a n da m s 一0 2 ，i st h ei n t e r n a t i o n a lp r o j e c tc o l l a b o r a t e d b y5 6 r e s e a r c h i n s t i t u t e so f15n a t i o n s ，a i m i n ga ts e a r c h i n gf o r t h ea n t i - m a t t e ra n dd a r km a t t e ri nt h e s p a c ea n ds t u d y i n gt h ei n g r e d i e n t sa n de n e r g yc h a r t so fc o s m i cr a d i a l d e v e l o p e dc o o p e r a t i v e l yb ys u ny a t s e nu n i v e r s i t y ( c h i n a ) ，m a s s a c h u s e t t e s i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ( u s a ) ，n a t i o n a la e r o s p a c el a b o r a t o r y ( n e t h e r l a n d s ) ，t t c s ， p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nk e e p i n gt h et e m p e r a t u r ea tac e r t a i nl e v e ls ot h a tt h et r a c k e r c a no p e r a t ee f f e c t i v e l yf o r3 - 5y e a r si nt h es p a c e a so n eo ft h em e m b e r si nt t c s d e v e l o p m e n t ，s u ny a t s e nu n i v e r s i t yh a st h r e et e a m sw o r k i n gc o l l a b o r a t i v e l y , n a m e l y , t h ee l e c t r o n i cg r o u p ，t h et h e r m a lg r o u pa n dm e c h a n i c a lg r o u p s p e c i f i c a l l y , t h e e l e c t r o n i cg r o u pi sr e s p o n s i b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft r a c k e rt h e r m a lc o n t r o l e l e c t r o n i c s ( t t c e ) ，o n eo ft h es u b s y s t e m si nt t c s a st h em a i nc o n t r o lb o a r do f t t c e ，t t e ci ss e r v e dt oa c q u i r ed a t ao ft h et e m p e r a t u r eo ft t c sl o o pc o m p o n e n t s ， e s t a b l i s hr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nw i t hj m d c ( j o i n tm a i nd a t a a c q u s i t i o n c o m p u t e r ) a n do p e r a t ec l o s e dl o o pc o n t r o la n dh e a l t hg u a r dc o n t r o lf o rt h e t e m p e r a t u r eo f t h ec o m p o n e n t s t h ed e v e l o p m e n to ft t e ci sd i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s p t o t o t y p em o d e l ( p m ) ， e n g i n e e r i n gm o d e l ( e m ) a n df l y i n gm o d e l ( f m ) p m i sd e s i g n e dt ov e r i f yt t e c p h i l o s o p h y ；e mi st h e nd e s i g n e dt oh a v et h es a m ef u n c t i o na sf mb u tm a n u n c t u r e d i i i w i t h o u tf u l ls p a c eq u a l i f i e dp a r t s ；f mi sm a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt os p a c eq u a l i f i e d s t a n d a r d s t t e cp md e v e l o p m e n tw a sc o m p e l e t e di nj u n e2 0 0 5 t h r o u g has e r i e so f t e s t s ，t t e cp h i l o s o p h yh a sb e e nv a l i d a t e d h o w e v e lt h e r ew e r es o m ed r a w b a c k so n t t e cp m ，s u c ha st h ei n e x a c td a t aa c q u i s i t i o n ，u n s t a b l ec a nc o m m u n i c a t i o na n d t h ei n a c c u r a t ec l o s e dl o o pc o n t r 0 1 b a s e do nt h eg a i n sa n dl o s so ft h et t e cp m d e s i g n ，t h ec u r r e n tr e s e a r c ht h u sc o n c e i v e st h et t e ce md e s i g nf r o mh a r d w a r ea n d s o f t w a r e i nr e s p e c to ft h eh a r d w a r ed e s i g n ，t t e cc i r c u i tf r a m e w o r kh a sb e e n r e g u l a t e da n dt h ek e yc i r c u i tb l o c kh a sb e e ni m p o v e ds oa st oe n a h n c et h er e l i a b i l i t y o f t h eh a r d w a r e w i t hr e g a r dt ot h es o f t w a r ed e s i g n ，t h et a s k so f m a i np r o c e s s o r sh a v e b e e n r e a s s i g n e da n d s o m ef u n c t i o nb l o c k ss u c ha sd a t a a c q u i s i t i o n ，c a n c o m m u n i c a t i o na n dm e m o r yc o n t r o lh a v eb e e nr e d e s i g n e di na na t t e m p tt or e a l i z et h e c o o p e r a t i o no f t h eh a r d w a r ea n d s o f e w a r ew i t ho p t i m a lr e s o u r c ec o n f i g u r a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t sar e l i a b l et t e ce md e s i g n u n d e rav a r i e t yo ft e s t s f r o md i f f e r e n tp e r s e p c t i v e s ，t t e ce mh a sb e e ni m p r o v e di nt e r m so fp e r f o r m a n c e a n dr e l i a b i l i t y , m e e t i n gt h eb a s i cf u n c t i o nr e q u i r e m e n to ff m b u ts i n c et h et e s t c o n d i t i o nw a sas i m u l a t e do n e ，b e i n gl e s ss t r i n g e n t ，t h et t e ce mp e r f o r m a n c e s h o u l db ef u r t h e re x p l o r e di nt h er e a lt t c sl o o pe n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：a m s 一0 2 ，t t c s ，t t e c ，c a nc o m m u n i c a t i o n 第1 章绪论 第二代太空磁谱仪( a l p h a - m a g n e t i cs p e c t r o m e t e r - 0 2 ，a m s - 0 2 ) 的研制是 幽遍布1 5 个国家的5 6 个研究机构合作承搬的大型国际性科研项目，楚人类在 霞际空闻站上椎一的大型辩学实验。随尔法磁谱仪软迹探溅器热控箴系统 ( t r a c k e r t h e r m a l c o n t r o ls y s t e m ，t t c s ) 的研制项目则是由中国中山大学、美 圈拣省理工学院、旖兰航空髋天局、瑞士曰内嚣大学等科研机构承担的a m s 0 2 计划中的重点攻关项霞，是潮家科技部霞际辩技合作熏点立项项蠢。本论文重 点研究了t t c s 项目中主控制系统板t t e c 工程件的设计与实现，为提出可行 的t t e c 飞行 孛设计方案作镶垫。本章介绍了论文磅究鹜景、论文研究内容、 研究意义及论文的内容结构。 1 。1研究背景 1 1 1 科学意义 “字蜜太绥炸”舞嚣生袋魏筵嚣乡故爱貔囊? 是嚣么戆矮组或了字塞中豹 不可见的质量? 茫茫的宇宙中到底是否存在，存在多少反物质和暗物质? 来源 予避远星系超新星爆炸的高能粒子为我们带来哪些信息? 这是近年浓高能物理 爨一壹孜孜搽袋戆溺蓬。爱秘痰蹩由爱糠予缝残懿狻痰，爰粒子是壤极洼与莛 统粒子如质子、电子等极性相反，但带电挺与其相当的粒子，诸如反质子、反 电予等。虽然反物质与物质谯理论上已被证明成对存在，但至今仍没有从自然 器获褥大量爱狻蔟。噻褥蒺怒搴萼学家霹字舞痿量袋失豹镁设结采，攥大部分秘 学家推测，宇宙中9 0 以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着，丽反物质的 庐山真面目至今仍不能解开。 瓷了搽寻字害中兹反穆矮、港镑爱，遴一步骚究字鑫耪线，物臻擎家丁肇 中激授联合多阑科研机构，领衔主持了a m s 计划，将商能物理学家在过往三 十年获得的粒子加速器实验理论推向宇宙，耗资7 亿美元，研制首个在太空中 筏蠲粒子凌理浆精密探酒议器阿尔法太空磁谱饺。 大型空间料学实验a m s 计划有三大主要物理目标【i l ： 面向工程件的t t e c 控制板的设计与实现 ( 1 ) 探寻宇宙中的反物质。以往人们仅仅利用带超导磁铁或永久磁铁的 高空气球实验和卫星实验在空降中寻找反物质，但由于受到飞行高度、大气等 因素影响，这些实验均得出否定结论。a m s 实验利用特制精准的磁谱仪，在宇 宙中直接捕获粒子在磁场中运动轨迹，大大提高灵敏度，有可能成功寻找反氦 核、反碳核等反原子核。 ( 2 ) 探寻宇宙的暗物质。暗物质的存在可通过观测它对别的物质的引力 效果来确定。受暗物质作用，宇宙中的反质子、正电子或光子能谱会形成独特 的分布。a m s 在空间长期运行，所收集的大量反质子、正电子运动轨迹，能精 确测量其能谱，进而对暗物质的探索提供更充分的依据。 ( 3 ) 探索宇宙射线起源。a m s 在距离地球约4 0 0 k i n 的轨道上运行，设置 的六个粒子探测器，将能精确测量不与地球大气碰撞的宇宙射线，对诸如d 、 8 h e 和4 h e 、9 b e 等同位素的丰度进行精确测量。这些重要的实验数据将对研究 宇宙线的起源、宇宙线在星系的禁闭时间及其在星系间的传播行为提供更为确 切的信息。 1 1 2 h l s 简介 根据研究的时间先后，a m s 计划分为a m s 0 1 和a m s 0 2 两个阶段。 第一阶段计划已成功完成，a m s 原型a m s 0 1 于1 9 9 8 年6 由编号 s t s 9 1 的美国“发现号”号航天飞机搭载完成了先驱飞行。a m s 一0 1 在距离地 球高度3 6 2 5 k m 3 9 0 k m 高空飞行1 0 天，连续工作1 8 4 小时，采集了数十亿数 据。虽然a m s 0 1 并没观测到任何刚度的反氦粒子，但收集了2 8 6 1 0 6 氦核 及大量近地轨道的粒子，验证了a m s 探测器的设计理念，使科学家积累了大 量在真空飞行条件下的操控a m s 的经验，也为a m s 一0 2 的设计和制造打下了 基础。 经重新设计后，科学家们提出了a m s 0 2 的研制方案。a m s 0 2 引入了超 导磁体、星系探测器等多种探测器，在灵敏度、粒子吸收统计量、刚度，3 d 建 模等方面做了较大改善。a m s 0 2 将于2 0 0 8 年进入国际空间站，并运行三至五 年，正式执行探寻反物质和暗物质的任务。 如图1 1 所示，a m s 0 2 由六大子系统构成：硅微条轨迹探测器( s i l i c o n 一绪论 t r a c k e r ，s t ) 、穿越辐射探测器( t r a n s i t i o nr a d i a t i o nd e t e c t o r ，n ) 、飞行时 霹诗数器( t i m e - o f - f l i g h tc o u n t e r ，t o f ) 、琢像弱仑可夫攘溺器( r i n g - i m a g i n g c e r e n k o vd e t e c t o r ，r i c d ) 、电磁热量机( e l e c t r o m a g n e t i cc a l o r i m e t e le c a l ) 和魇聚合否决计数器( a n t i c o i n c i d e n c ev e t oc o u n t e r ，a c c ) 2 l 。 圈1 - 1 a m s - 0 2 坌圈 其中硅徽条轨迹探测器怒a s m 一0 2 高髓准粒子磁场偏转运动轨迹搽浏器， 也怒反氦粒子探测的关键部件。硅微条探测器包含八块扁平的带状硅片，每块 硅靖上含有数酉万铝粒，带电粒子镳转进入绦测器撞击锅片对，锯片将产生电 信号，从而带电粒予的运动轨迹被精确遣记漾，精度达l o 微米，共裔2 0 万读 出倍道。电信号的强弱表明带电粒子的电量，粒子轨迹的偏转程度表明粒子的 魂豢及掇注。通j = 妻对五穗援测器戆综台数援避行分撰，遴近获取更详尽的粒子 信息。 硅微条探测嚣2 0 万信道容量，使其附带的电子设备结构复杂且产生大量 豹功栽( 约1 4 4 鬣特) ，为了搜磁葵内部大鬃瓣热量德驭数发，避免过多瀵襄蔹 超导磁体冷却的液氦含量，引入了t t c s 系统。t t c s 系统主要任务怒将探测 器内部1 9 2 个数据采集设备产生的约1 4 4 瓦热量通过两栩二氧化碳循环冷却系 统冁瓣囊空阗，维持搽溪器漫发寒疫稳定。中由大学在a m s 0 2 硬嚣承撵t t c s 的研制任务，包括建立a m s 0 2 科学运作中心( s c i e n c eo p e r a t i o nc e n t e r ，s o c ) - 面向工程件的t t e c 控制板的设计与实现 及从事相关研究工作，在该中心内建立一套t t c s 地面系统，用于对空间系统 的模拟仿真，并负责空间t t c s 运行状态的实时监测及实验数据采集，分析 t t c s 在空间运行中遇到各种问题，提出相应的解决方案3 1 。 1 2 研究现状 中山大学t t c s 系统研制团队分为电子组、热工组和机械组。t t c s 电子 组负责t t c s 系统的电子控制子系统的研发，主要包括热控制系统控制电子组 件( t r a c kt h e r m a lc o n t r o le l e c t r o n i c s ，t t c e ) ，热控制系统电源组件( t m c k t h e r m a lp o w e rd i s t r i b u t i o n ) ，数据采集计算机( j o i n tm a i nd a t aa c q u i s i t i o n c o m p u t e r ，j m d c ) 和地面支持系统( e l e c t r o n i cg r o u n ds u p p o r te q u i p m e n t ， e g s e ) 。t t c s 系统的研制，细分为t t c s 原型件( p r o t o t y p e m o d e l ) 研制、t t c s 工程件( e n g i n e e r i n gm o d e l ) 和飞行件( f l y i n gm o d e l ) 的研制三个阶段。原型 件的研制对t t c s 设计理念的验证性实现，；工程件的研制侧重于可靠性、稳定 性及实验性，根据飞行件性能需求，对原型件在功能、可靠性及稳定性等方面 的进一步完善、提高；飞行件的研制则针对t t c s 运行的空间环境，在防干扰、 防辐射、防震动等方面对工程件设计进行改进，使t t c s 达到空间运行要求。 项目启动至今，t t c s 电子组对t t c s 电子控制子系统原型件的研制已基 本完成，t t c e 的运行的仿真环境已搭建，通过测试，从功能上验证了t t c s 电子系统的设计理念。 1 3论文研究工作及意义 本论文参考a m s 0 2 系统总体设计方案，根据t t c s 系统设计需求，将目 标设定于面向工程件的t t c e 的电子核心控制系统( t r a c kt h e r m a le l e c t r o n i c c o n t r o l ，t t e c ) 的设计与实现。根据设计的总体安排，研制的工作分为两个 阶段：t t e c 改进原型件的设计与实现和t t e c 工程件的设计与实现。前者设 计侧重对原型件功能的完善与扩展，后者则在前者的设计基础上，在资源配置、 可靠性等方面进一步完善，以最终达到t t e c 工程件的设计要求。 本论文选题源于理论假设，止于工程实践，其研究内容有如下意义： 从微观的角度看，首先t t e c 是t i c s 系统的前端主控板，肩负着采集数 4 绪论 据，提供可靠通信的重任，其成功的研制将对t t c s 系统的正常运作起着关键 的作用，为a m s 一0 2 中的硅微条探测器在空间散热恶劣条件下工作提供可靠的 温度保障机制；其次，工程件设计侧重于可靠性、稳定性与实验性，从多角度、 多层次考虑，设计较可靠的工程件对飞行件方案的设计有较大的借鉴意义，在 整个项目研发起着承前启后的作用。 从宏观的角度看，首先a m s 0 2 是人类首次在空间探寻的大型科学实验， 其成功完成预期任务将有助于对反物质、暗物质的探寻，有助于人类解开宇宙 之谜，开拓未来世界：其次，t t c s 对中山大学，乃至a m s 计划而言，是前所 未有的，而t t c s 的成功研制极具创新性与挑战性；最后，a m s 计划既是一次 国际性科研工作者大协作，也是一次跨学科空间试验。通过与国际一流科研团 队协作，中山大学培养了一支有较强战斗力的科研团队，也填补了在空间电子 设计方面经验的空白。 1 4 论文的内容安排 论文分为六章论述研究工作，各章内容大致安排如下： 第一章为绪论，概述了论文选题的背景信息、研究现状、研究内容及意义。 第二章为t t c s 项目相关信息，分层次介绍t t c s 各子系统，重点描述与 t t e c 设计相关的背景知识。 第三章为t t e c 总体设计方案，重点论述t t e c 总体设计方案，器件的遴 选，并对t t e c 原型件设计作了简要回顾，以便为t t e c 工程件设计提出更明 确的方向。 第四章为t t e c 工程件设计，重点论述面向t t e c 工程件设计的硬件设计 和软件设计。 第五章为研制成果展示及设计验证，重点阐述了t t e c 工程件设计成果， 并展示了t t e c 的部分测试数据。 第六章为总结与展望，总结论文研究工作，并对后续的研制工作做出展望。 第2 章t t c s 项目信息 t t c s 是热和电结合的智能可控系统，本章介绍了t t c s 系统的设计目的、 结构及组件功能，重点阐述t t c s 电子控制子系统的结构、组件功能及设计目标。 2 1 t t c s 总体介绍 硅微条探测器是由大量电子采集电路和硅片组成的大功耗设备，运行时将 在探测器真空腔内产生1 4 4 瓦的热量，该热量一方面直接影响了探测器电子设备 的工作环境，另一方面增加了用于冷却超导磁体的液氦的工作负荷；由于整个 a m s 0 2 的运行生命周期在某种程度上由液氦的消耗量所决定，因此须采取额外 的冷却措旋，带走这1 4 4 瓦的热量。t t c s 系统正是基于这个考虑而创设。图2 1 表明了t t c s 系统在a m s 0 2 系统中的位置。 图2 - 1 丌c s 与a m s 一0 2 关系 6 - t t c s 项目倍息一 t t c s 系统相当于硅微条探测器的生命保障系统，利用两相二氧化碳循环流 透露攘测器遗毒亍簿热控渥。二畿纯瑗吴有环绦、毒较低鹣泼气密度魄弹l 瓣饶点， 在气液并存的状态下，温度保持在蒸发点附近时有很好的导热效果。 图2 2 展示rt t c s 系统的内部逻辑结构。t t c s 系统通过热管与硅微条探 羲l 器舞囤静蒸发器葙连，逶遭气滚共存懿二蕊纯碳传导掭溺器多余静热藿。蛰中 右侧是t t c s 系统的两大子系统导热予系统和电予控制子系统。导热子系统 是卣褒、冷凝器、辐射板等热机械器件组成，其作用是使二氧化碳在网路内循环 滚动，将热量遥遥疆蔚板辐鸯垂至空褥；电予控皋l 系统由t t c e 、j m d c 等毫子控 制通信组件组成，其作用是对睁热子系统进行温度监测和控制。 导热子系统与电子控制予系统是相辅桐成，不可或缺的。导热予系统是电 子羧翎子系统斡受控对象，毫予控涮子系统蹩导热予系统懿保障、簸灞系统。导 热予系统中的压力器件、液体分流器件、辐射板，为二裁化碳的在回路的流动、 分流和热量转移提供的必要的物理作用，但嬲于太空中的恶劣温度环境及系统的 运佟情獯，可髓会出褒危害导熬子系统本囊器件静溢度z | 蓉况，如气穴璇象、结泳 现象，此时就需臻一套额外的监测和控制系统，控制维护导热子系统。电子控制 予系统正是发挥遽榉的作用，邋过电子控制予系统，地磁的操作人员可实时观测 导熟子系统斡运行情况，并及瓣发出各释按涮策略。 i t h e r m a ls u b s y s t e m 一。；f e l e c t r o n i cs u b s y s t e m c 仉2 姻 蘑 | 鬟纛辩 、藤溪蚕 囔l 熏攀 莲 lc 0 2 l i q u i d 爹 鬟 l ：l 目# # 墨 w i 羹纛黧乳 c 仉嘏翟 | 鼷蘸鬻鍪靛 ；l 图2 - 2t t c s 系统逻辑结构图 7 面向工程件的t i e c 控制板的设计与实现 t t c s 系统也是多级冗余系统。从整体上看来，t t c s 系统分为初级回路 ( p r r i m a r yl o o p ，p l ) 和次级回路( s e c o n d a r yl o o p ，s l ) ，每个回路包含完整 的导热子系统和电子控制子系统各一套，回路互为备份，一般情况下只需一个回 路开启，条件恶劣时则需要两个回路同时开启，互相补充；从子系统看来，电子 控制子系统分为t t c e a 及t t c e b ，系统在运行时，t t c e a 可同时操控 p r i m a r yl o o p 组件和s e c o n d a r yl o o p 组件，同理t t c e - b 也是如此；通信方面， 电子控制子系统配备4 台冗余的专用计算机( j m d c ) ，通过两条c a n 总线与 t t c e a b 进行冗余通信，进一步提高通信的可靠性，此外，对电子控制子系统 的供电也采用了冗余备份。 2 2t t c s 导热子系统 2 2 1导热子系统组件 导热子系统的作用是实现二氧化碳的气液两相转化，为二氧化碳的传输、 汽化提供足够条件。导热子系统采用初、次两级回路冗余结构，图2 - 3 是初级回 路结构图。 图2 3 t i o $ 初级回路 初级回路的物理组件包括：蒸发器( e v a p o r a t o r ) 、冷凝器( c o n d e n s e r ) 、辐 一t t c s 项强信患 射板( r a d i a t o r ) 、离心泵( p u m p ) 、双向阀门( v a l v e ) 、温度传感器( s e n s 0 0 、绝 霹藤力甓感器( a b s o l u t ep r e s s u r es e n s o r ) 、差分压力铸戆嚣( d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e s e n s o r ) 、储液器( a c c u m u l a t o r ) 、液体流燃计( l i q u i df l o wm e a s u r e ) 、加热器 ( h e a t e r ) 和冷击口片( p e l t i e r ) 、换热器( h e a t e r e x c h a n g e r ) 。其中离心泵、阀门、 换熬器和储滚嚣在t t c s 缀传箱( t t c b ) 羹嚣，冷鞭嚣霉拜辐鼓投暴露在太空中。 次级回路结构与初级回路相似，但没有双向阀门和压力传感器。 各组件的功能如下： 蒸发器：分蠢在搽测鬃主下努赛瓣热罄上，其俸蟋楚唆集来鑫穗徽条探溺 器电子设备产生的热量，将热量传导到二氯化碳中去。二氧化碳的燕艘温度受热 管的压力所影响。 冷凝器：与辕辩板穗连，将二氧亿碳液俸中豹蒸纛转移至l 毒墓瓣投。 辐射板：鼹有高发射率和低太阳能吸收率的特点，将热量以电磁波的形式 向太空散发；t t c s 回路中搿藏块方向相反的辐射板，这样设置的意图是保证 h c s 在任俺角度下至多畜一块背向太阳，辐射余燕。 离心泵：鬣于冷凝器后，用于调节回路内二氧化碳流的流速。 双向阀门：在初、次级网路切换时超疏导二氧化碳流的作用，此外，向两 臻辐射板分流二鬣佬穰滚俸流。 温度传感器：监控回路组件的温度，是导热子系统与电子控制子系统的接 口。回路中有数字温度传感器( d a l l a s ) 及电阻温度传感器( p t l 0 0 0 ) 两种，数 字澈度传感器露予蕊潮t t c s 系统温度，磷电阻温度黄戆器用于整瓣t t c s 中关 键组件的温度。 绝对压力馇感器：监测躐路内部的液体压力。 差分压力转感器：蓝测离心泵的压力。 储液器：储存气液并存的二氧化碳，用于间接调节回路内二氧化碳流的温 度釉压力，从耐控制蒸发点激度。 液体流量计：监瓣回路的液体流量。 加热器：回路中多处设糕了电阻加热器，如在二氧化碳流进入探测器前， 霪期热器将液体鞭热至蒸发点附近；对储波器进行温度控制时，需加热器与冷却 片熬同作用，以达到准确的镶液器预设滠度( s e t p o i n t ) 。 9 面向工程件的t t e c 控制板的设计与实现 冷却片：贴于储液器外侧，冷却储液器的液体。 换热器：其功能类似于预热器，通过热交换的形式加热即将流入探测器的 二氧化碳流。 2 2 2回路冷却原理 图2 4 抽象了t t c s 回路的主要组件以及二氧化碳流向。两相二氧化碳的 冷却原理是：液态的二氧化碳流在离心泵的作用下( a ) ，经过换热器注入被热 管围绕的硅微条探测器( b ) ，此时，热管的周围附着的蒸发器吸收了硅微条探 测器里集成电路产生的热量，通过二氧化碳的汽化过程将热量转移n - - 氧化碳 中，实现了热的首次交换，二氧化碳的液一气变化，探测器的冷却；二氧化碳气 图2 - 4 t t c s 热交换图 体从探测器输出后( c ) ，经换热器进入两侧的冷凝器，此时，气态二氧化碳被 1 0 t t c s 项目信息一 液化，释放的热量经过辐射板释放到空间，实现了热的第二次交换，二氧化碳的 气一液转化；在阀的作用下，二氧化碳液体汇流( d ) ，进入离心泵，开始下一 次的循环。 要保障二氧化碳冷却回路正常的工作，回路中需要满足以下两个依赖于电 子控制子系统的关键要求： ( 1 ) 局部冷却和预热。进入探测器的二氧化碳液体的温度越接近佛点，越 易于蒸发，导热效果越好：离心泵的运行将有可能引发气穴现象，导致泵的机械 损坏。基于上述的要求，t t c e 需要对泵入口处的二氧化碳液体进行局部冷却， 对泵出口处的液体进行局部预热。在t t c s 系统设计中，使用热交换器和电阻加 热器实现完成上述任务。热交换器和电阻加热器用于预热离心泵输出的二氧化碳 液体，同时冷却从探测器热管中流出的二氧化碳气体，达到降低回路平均温度 的目的。而温度的监测和电阻加热器的控制都依赖于t t c s 电子控制子系统。 ( 2 ) 回路初设温度。在不同的轨道环境中，回路需以指定的液体温度启 动( 一1 0 t o + 1 5 ) ，故需在回路的储液器中装置电子冷却片和电阻加热器， 以提供适当的热量，维持初始启动温度，其温度的精准控制也由t t c s 电子控制 子系统负责。 2 3t t c s 电子控制子系统 t t c s 电子控制子系统是为监控t t c s 初级回路、次级回路的组件而设的测 控系统。系统包括控制电子组件t t c e 、电源分配组件t t p d 、专用数据收集计 算机j m d c 和地面支持系统e g s e 四部分。除地面支持系统外，其余各组件均 运行于空间站。图2 2 表明了电子控制子系统的工作方式：j m d c 是电子控制子 系统中拥有最高控制权限的计算机( 3 2 位机) ，直接监测t t c e 和导热系统组件 的运行情况，并及时发出适当的控制策略；t t c e 是下位机，需要遵循j m d c 的 指令工作，实时监测t t c s 初级回路及次级回路，并在j m d c 授权下，对回路组 件实行闭环控制。 下面首先阐述电子控制系统的任务，然后介绍子系统组件功能、子系统通 信机制和主控板t t e c 的功能需求。 面向工程件的t t e c 控制板的设计与实现 2 3 1电子控制子系统任务 t t c s 电子控制子系统是对t t c s 系统组件温度的监测控制通信子系统，其 作用是通过监测、控制t t c s 回路中关键组件的温度，关键组件的开合，使t t c s 回路的两相二氧化碳流及回路组件在恶劣的太空轨道环境中能正常工作。根据 a m s 系统要求，t t c s 温度数据获取的周期是1 s ，模拟温度采集精度为士0 5 ， 其主要的任务可概括为 5 】： ( 1 ) 通过采集p t l 0 0 0 模拟温度传感器数据，监测储液器的温度，并驱动 加热器调节储液器在不同轨道环境中的初始工作温度( s e t p o i m ) ，以满足探测器 在各种工作模式下成功启动的要求。 ( 2 ) 通过采集p t l 0 0 0 模拟温度传感器数据，监测蒸发器入口处的二氧化 碳液体温度，并在适当的时候驱动预热器加热二氧化碳液体，使其达到蒸发点， 保证二氧化碳流以气液双相并存的状态进入蒸发器热管，更好地吸热。 ( 3 ) 通过采集p t l 0 0 0 模拟温度传感器及d s l 8 2 0 数字温度传感器的数据， 监测t i c s 、辐射器及热管温度。 ( 4 ) 通过控制离心泵的转速，控制初、次级回路二氧化碳气液的流速。 ( 5 ) 通过控制双向阀门的开合，在初级回路合次级回路切换时，分流二氧 化碳液体。 ( 6 ) 通过专用计算机( j m d c ) ，利用c a n 总线接收由地面控制中心发出 的遥控指令，并做出及时准确回应。这些指令包括向地面控制中心传送关键点。的 温度测量值、传送t t c s 系统组件的健康状况及组件的运行状态和按照地面控制 中心的指令，进行相应的控制参数、控制策略、和运行模式的切换。 根据上述任务的实时性和自动化程度，可将任务概括为高级控制和低级控 制。如图2 5 所示。高级控制是地面控制中心收集相关的采集数据和t t c s 系统 的健康状况后，通过j m d c 发出的控制指令，包括对组件初始启动温度的设定， 对离心泵和阀的开关和方向控制；低级控制是无需地面控制中心直接干预的自动 控制过程，由t t c e 根据地面指挥中心发出的控制指令，实时采集控制点温度和 控制受控源( 加热器或制冷片) ，以达到预期的控制目标，包括关键点的温度实 。关键点指影响回路性能的关键器件，与之相对应的是非关键点。 1 2 - t t c s 项霹僖患 时控制、离心泵的转速控制等。 隧2 巧高级控割麓低级控翱 2 3 2 电予控制子系统组件 t t c e 是电子控镪子系统的核心部分，国t t e c ( t r a c k e r t h e r m a le l e c t r o n i c s c o n t r 0 1 ) 、t t e p ( t r a c k e rt h e r m a le l e c t r o n i c sp o w e r ) 、t t p p ( t r a c k e rt h e r m a l p u m pp o w e r ) 、t t b p ( t r a c k e rt h e r m a lb a c kp l a n e ) 四块接口板组成。为了实现 冗余，t t c e 有t t c e a 释t t c e - b 两套系统，每套系绫键含西块接翻板，置于 t t - c r e a t e 中，如豳2 2 所示。二者具有相同的功能，t t c e b 是t t c e 。a 的冷备 份。一般情况下，只需t t c e a 系统工作，当t t c e - a 组件意外失效时，出t t p d 切换电源启动t t c e b 系统。 t t e c 是智能核心控制板，其功能包括提供通过双c a n 总线与j m d c 建立 可靠通信、采集髓鼹关键点模数温度传感器数值、采集t t c s 数字温度传感器数 值，并实现低级隧瞎温度控制簿法和执行缀件安全傈护策略。 面向工程件的t t e c 控制板的设计与实现 t t e p 是功率驱动和电源板，其任务是将由t t e c 板输出的微弱p w m 信号 或数字开关量，转换成大功率信号，驱动p e l t i e r 和h e a t e r 进行制冷或加热；同 时将来自t t p d 的+ 2 8 v 电压转换成+ 5 v 及+ 1 5 v ，为t t e c 板、t t p p 板供电。 t t p p 是泵和阀的监测控制板，负责监测泵的转速，读取压力传感器数值， 并控制泵和阀的开关，其中t t p p 采用了5 0 冗余设计，即其冗余的两板合并在一 块与t t e c 具有同样规格的板上。 t t b p 是t t c e 子系统背板，用于为t t c e 的其他电路板提供总线及连接 接口。图2 - 6 表明了t t c e 各冗余接口板的功能及关系。 1 t c 拦c o m p o n e n tb l o c k s 图2 - 6t t g e 冗余组件功能结构图 j m d c 是专用数据采集计算机，是安装了l i n u x 操作系统的p o w e r p c 。如 图2 7 所示，j m d c 放置于j - c r a t e ，在t t c s 系统中有三大功能： ( 1 ) 飞行场景和t t c s 应用控制：前者是地面控制中心对j m d c 及t t c s 系统工作模式及策略的直接控制；后者是由