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卫星运行状况:航天级IC如何改进遥测电路设计
作者:赵法彬   添加时间:2022-04-12
获取准确的遥测数据以监测卫星子系统的运行状态有助于设定指示系统正常工作的基线,而波动则可能指示发生故障。

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由于执行太空飞行任务的卫星一旦发射就无法接触,因此获取准确的遥测数据以监测卫星子系统的运行状态有助于设定指示系统正常工作的基线,而波动则可能指示发生故障。例如,射频功率放大器和热电冷却器就是需要准确监测电压、温度和电流的两个敏感器件。在这两个应用中,性能会随温度和辐射效应而波动,并且需要调整施加的电压和电流以确保高效和安全的运行。遥测电路会监测关键的系统电源轨和元件,也收集性能数据(这些数据对现在和未来的卫星设计都很有价值)并相应地调整系统设置。


遥测电路(如图1所示)最重要的模块是检测电源轨和温度的模拟前端(AFE)、用于分析数据的主处理器和调整不同系统参数所需的输出信号。

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图1.遥测电路方框图:AFE(绿色)、处理(红色)和输出信号(蓝色)


AFE电压、电流和温度检测


AFE监测遥测电路的三个重要值:电压、电流和温度。为了测量和分析这些值,使用模数转换器(ADC)将这些值数字化并发送到处理器。ADC128S102QML-SP是AFE的理想选择,因为该器件具有准确测量电压、电流和温度所必需的12位分辨率和高达1MSPS的采样速率(ADC128S102QML-SP在太空飞行领域中已使用10多年),同时具有2.3mW至10.7mW的低功耗(分别使用3V和5V电源)。不过,ADC前面还有其他必要的元件来确保正常运行,具体取决于ADC监测的三个值。


卫星系统中的电压最高可达40V,包括负电压轨。这些高电压轨可能会损坏检测ADC,因此使用缓冲和衰减级来降低电压并保护ADC。电阻分压器首先对电压进行分压,使其处于ADC的输入范围内。然后,设计人员可以使用LMP7704-SP等运算放大器作为缓冲器,以确保信号具有足够的驱动强度。LMP7704-SP还具有2.5MHz的良好增益带宽,并且具有轨至轨输入和输出,这意味着对精度的影响很小,同时可以更大程度地扩展ADC的满量程范围。同时使用电阻分压器与LMP7704-SP时,您可以采用40V偏置轨等电源轨,并缩小电压范围。例如,在使用10:1电阻分压器时,40V输入对应于缓冲器的4V输出。


精确监测航天应用中的温度、电压和电流


电流检测可以确定任何敏感电源轨上的故障,并标记需要关断电源轨(以防止损坏现场可编程门阵列(FPGA)或数据转换器)的主处理器。采集的电流数据可帮助确定系统中的器件是否消耗了比预期更大的电流,超过预期电流表明可能存在辐射引起的锁定。凭借其宽带宽,INA901-SP电流检测放大器可以提供精确的电流测量,以帮助设置电源轨的基线,同时还能在发生短路等突发故障时迅速做出反应。


器件或电路板的温度测量可以帮助确定元件是否正常工作。过热可能是FPGA或电源模块过载的关键指标,过载会缩短器件的运行时间。其他器件(如射频功率放大器)对温度波动很敏感,需要适当的电压调整来抵消温度变化。为了测量这些温度,TMP461-SP数字输出温度传感器可以提供本地和远程温度检测,监测敏感器件(例如FPGA和高速数据转换器)的内部集成温度二极管。除了检测这些二极管之外,TMP461-SP还包含一个内部传感器,可以测量其在电路板上的位置的温度。如果将该器件放置在其他敏感器件(如射频功率放大器)旁边,则TMP461-SP能够监测这些器件的温度。


处理遥测数据:FPGA与MCU


要处理AFE数据并控制卫星中的遥测电路,可使用两种器件:FPGA或微控制器(MCU)。典型的遥测电路使用FPGA来实现遥测数据的通信和处理,几乎可以独立运行,而且不需要与系统的其他器件进行通信。FPGA支持AFE的更多通道输入、快速数据转换以及基于数据输入的复杂决策。不过,大多数航天级FPGA具有较大的封装尺寸,并且在要求超小尺寸和功耗的应用中具有高功耗。 混合信号MCU(例如MSP430FR5969-SP)是一个很好的替代方案,可帮助减少用于遥测电路的FPGA资源和引脚,同时为遥测电路提供相同的功能,例如数据处理、电源时序控制和脉宽调制输出。MSP430FR5969-SP还具有集成的铁电随机存取存储器(FRAM),与双数据速率等传统存储器类型相比,这种存储器往往能更有效地抵抗辐射的影响。


系统重新校准


从系统读取测量值之后,遥测电路可以调整不同的系统功能,以通过系统重新校准来保持最佳运行状态。


如果主处理器确定存在故障,则主处理器可以关断元件或切换其工作模式。对于要求更精确的控制和驱动强度的应用,DAC121S101QML-SP等外部数模转换器可以精确地调整射频功率放大器等系统元件的偏置。


结语


TI的航天级模拟和嵌入式处理产品系列为遥测电路提供紧凑和低功耗的解决方案,可实现整个系统所需的测量精度和性能,以确保整个任务的顺利执行。


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