远程电源管理系统设计

摘要：在海军武器着靶试验中，为了保护实测数据和提高光电设备的可靠性，利用Atmega161丰富的资源和接口，设计一套远程电源管理系统。该系统以锂电池组作为备用电源，依靠单片机处理远控中心发送的目标测量数据及控制命令。对固态继电器的工作状态进行控制。试验结莱表明该系统能自主完成光电设备电源的远程管理，获取完整的目标实况景象，具有一定的现实意义。
关键词：AVR单片机；固态继电器；电源管理；串行通信

光电设备具有低成本、易布站、高精度的优点，逐步成为海军武器试验中获取空间目标飞行状态和轨迹的主力军。随着精确制导、远程打击等高技术兵器武器的出现，要检验和鉴定此类目标的性能和威胁，不仅需要获取目标的空间坐标，同时要求测量目标着靶时的姿态信息。而目标着靶是一个瞬态过程，不易捕捉，因此常用高速光电设备在靶船上实时获取高质量的目标运动图像序列，经事后处理得到目标的运动参数。不难看出图像数据直接决定试验的成败，因此有必要对设备的工作状态及电源等情况进行远程监视和管理。
该平台以AVR单片机为核心，利用2节串联的充电锂电池作为备用电源，依靠外围接口获取目标的实时信息(实测弹道数据、TO时刻等)。
在光电设备工作异常或落水时，控制固态继电器(Solid State Relay，SSR)实现系统的远程重启和关机，为获取及保护目标的实时图像数据提供有力保障，因而具有重要的现实意义。

1 电源管理系统总体框架
远程电源管理系统是获取目标着靶实况景象的重要组成单元，其大致框架如图1所示。

在该系统中利用开关电源将220 V交流电转换成12 V和5 V直流电源，为光电设备供电和锂电池充电。选取两节英特曼充电锂电池(电量充足时电压为7．4 V)作为关机时远程电源管理系统的备用电源，固态继电器作为执行单元，ATmega161单片机及其外围电路作为控制单元，无线射频模块作为通信单元，还有上位机远控中心。ATmega161单片机采集到设备的工作状态，借助无线传输设备实时传输至远控中心，同时接收远控中心发送的控制命令及目标测量数据，控制固态继电器的工作状态，从而实现光电设备的重启和关机。
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2 硬件设计
2．1 充电保护电路
由锂电池的特性可知，在过度充电的情况下，电解液因分解而导致电池特性劣化并造成充电次数减少。因此为了延长电池的使用寿命，采用如图2所示电路，利用L7808将12 V稳压至8 V，对锂电池进行充电，充至3．7 V时利用S-8232芯片对其进行过充保护。

AVR单片机所需的电源电压为2．7～5．5 V，为了简化电路设计，提高系统的可靠性，为AVR单片机设计外部基准电压为5 V，利用L7805防止电池出现过用现象。
2．2 主控电路
主控电路如图3所示，ATmega161单片机有1个可编程的同步／异步串行接口USART，可以满足与远控中心的通信要求，2个具有比较模式的灵活定时／计数器，可以完成延时时间的计算，预留的8路10位ADC端口可以扩展其他功能。为了满足嵌入式的设计要求，选用易于安装在电路板的G6B-2014P-US固态继电器，实现两路直流电源的同步控制。而继电器的驱动需要控制系统具有大电流的输出能力，ULN2003是高压大电流达林顿晶体管系列产品，可以很好地满足要求。

电路的设计中，考虑了对电源、CPU、时钟、印刷电路板等的抗干扰措施，使系统更加可靠。
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3 软件设计
3．1 主程序设计
电源管理系统的控制程序由主程序和T1中断服务子程序组成。主程序完成ATmega161单片机的初始化、定时器T1工作方式的设定等。
其流程图如图4所示。
3．2 中断程序
T1的中断服务子程序是整个电源管理系统的主体程序，它完成串行通信、继电器的控制及数据处理等任务，其流程如图5所示。在T1中断服务子程序中，ATmega161单片机接收远控中心的控制命令(关机、重启等)、弹道数据。依据弹道数据计算目标相对靶船的斜距R，当R小于设定的距离阈值时，若收到重启控制命令则接通继电器，否则开始记录目标的实况景象，当记录完成时，控制继电器断开。

4 实验结果
在某型飞行目标的(直径和长度分别为0.5 m和1．5 m)测量任务中，目标为全被动飞行(即目标没有机动性)，1台雷达、3台光电设备参与测试。
在发射系中，目标理论落点为M(xm，ym，zm)，雷达在目标轨迹一侧N(xn，yn，zn)以20 Hz采集数据，光电设备均匀布设在距M点500 m的圆弧上以100f／s获取实况。位于安控区域内的远控中心接收、处理雷达数据后转发至电源管理系统，电源管理系统计算目标相对M点的斜距得到如图6所示的曲线。依据目标特性，光电设备使用MC1360摄像机，焦距为20 mm。

为了提高整个系统的抗干扰能力，软件中判断条件RRmax至少连续满足4次才开始记录目标实况。任务结束后，事后回放发现实时记录的开始时间为237．1 s，可知此时目标斜距为541 m，大于光电设备的垂直线视场358．4 m，因此所获取的目标着靶实况景象非常完整。

5 结语
在海军武器试验中，以AVR单片机为核心构建一套远程电源管理系统，计算目标相对落点的斜距信息，接收远控中心的控制命令，对光电设备的电源进行远程管理。将上述设计应用于某型目标飞行试验中，取得了良好的效果。另外，此设计具有编程简单、成本低廉、容易实现、运行稳定等特点，不仅适用于军事范畴，也值得冶金、化工和电力等领域借鉴，因此具有非常广阔的应用前景。