基于DSP的机载智能电源设计

摘要 机载设备的稳定工作离不开安全可靠的电源系统。文中研究了一种具有自动监测和保护功能的电源系统，详细讨论了智能电源模块的软硬件实现方法。系统是基于DSP处理器SMJ320F240的电源模块，采用1+1冗余供电结构，可实时监测28 V电压、负载电流，进行电源开关阵列(PSA)的通断控制，并与CPU模块进行通讯。

机载设备的稳定工作离不开安全可靠的电源系统。随着机载设备综合化程度的提高，高密度、高可靠电源系统将成为综合核心处理机应用的关键部分。机载设备在工作中有时会出现一些异常情况，如雷击、电压工作不正常、突然断电等，这些均会影响机载设备的正常运行，甚至会对安全性造成影响。研究设计具有自动监测及自动保护功能的电源系统是必要的。

智能管理电源技术应能实时监控计算机供电运行状态，进行故障隔离和控制电源的分配重构，实现计算机电源余度供电、加电顺序控制的智能化管理目标。本文以某型通用控制处理机(UCP)为研究对象，提出一种适用于机载电源设备的智能电源模块(IPSM)的软硬件的实现方法。

通用控制处理机(UCP)智能电源模块(IPSM)采用机上与应急28 V直流电源双路供电体制，为UCP机架内的各模块提供经过滤波、电压尖峰、过压浪涌抑制等处理后满足GJB181A-2003要求的28 VDC电源，分布在各个模块上的供电元件(PSE)将28 V母线电压转换成各模块工作所需的5 V、±15 V电压。每个UCP配置2个IPSM，采用1+1冗余供电结构，正常工作时，由两个IPSM给系统供电，当其中一个IPSM模块故障时，由另一块IPSM模块自动接替并独立向整个系统供电。每个IPSM具备28 V电压监测、12路电源开关阵列(PSA)通断控制、12路负载电流值监测与CPU模块通讯等功能。

1 硬件

IPSM模块主要包含电源转换单元(PCU)、电源管理单元(PMS)和电源开关阵列(PSA)。IPSM的原理框图如图1所示。

1.1 电源转换单元

PCU将机上28 V输入电压转换成直流28 V母板电压。同时PCU具有负载均流和自身故障隔离功能，并为模块上其它电路提供辅助电源。

1.2 电源管理单元(PMS)

PMS是系统实现电源智能管理的关键。它主要由电压调理电路、电流负载调理电路、多路开关、缓冲调整、A/D转换电路、通讯接口、控制器以及系统管理程序等软硬件部分等构成。PMS的主要功能是根据28 V电压检测信号、流过每路开关的电流信号，来完成对12路LRM模块的智能供电功能。控制器选用TI公司推出的DSP处理器SMJ320F240HFPM，采用CMOS工艺，片内544 W的数据存储器，16 kW的Flash程序存储器，最大可寻址空间为224 kW，包括64 kW的数据存储空间、64 kW的程序存储空间和64 kW的IO空间，单指令周期为50 ns，具有1个8位可编程定时器，3个16位可编程定时器，28个可编程复用I/O引脚、锁相环时钟发生器、1个看门狗和1个通用异步通讯口。

电源管理系统原理框图如图2所示。

1.3 电源开关阵列(PSA)电路

PSA在PMS控制下工作，负责接通、断开到机架中其它LRM模块的电源供电。其主要完成28 V电源输出的通/断、电流检测等功能。由于本项目需要12路开关控制和电流检测，选用常规的分立式功率开关元件、驱动电路，不仅电路复杂，而且占用PCB面积较大，给版图设计带来困难。尤其是驱动电路，需要BOOST电路或电荷泵将驱动信号升压到约35 V，才能保证可靠的驱动功率开关的通/断。选用继电器开关具有隔离功能，易控制、电路简单，但继电器的动作时间较长、反应速度慢。

为简化电路设计，选用将控制、驱动及功率开关集成于一体的集成电路，在此选用英飞凌公司的BTS660P，它集成了电荷泵和n沟道MOS管，具有过载保护、电流限制、短路保护、过压保护、过温保护、输出负压箝位等功能。

2 系统软件设计

2.1 软件功能

IPSM软件可提供一套完整的嵌入式应用程序软件，实现UCP系统的智能供电。IPSM应具备多种功能，包括实时监测IPSM的工作状态;根据IPSM工作状态，控制、驱动12路PSA开关的通、断。当PSA开关流过电流≥2.5 A时，切断输出并且不可恢复;根据UCP系统命令控制12路PSA开关的通、断;提供RS422通讯接口，与CPU模块进行数据/信息通信等。

2.2 软件结构

IPSM软件按功能分为：系统初始化、BIT程序、PSA的管理、RS-422通信、设备驱动及故障记录6个部分，其功能结构如图4所示。

系统初始化程序完成IPSM的DSP处理器SMJ320F240、串口通信协议芯片TLS16C552AMHV以及12路PSA的初始化，并为应用程序的访问提供支持。

BIT程序用于对IPSM的内部硬件资源进行检测，根据执行阶段的不同，将BIT程序分为上电BIT(PUBIT)、周期BIT(PBIT)和维护BIT(MBIT)。

上电BIT(PUBIT)：当IPSM接通电源时或复位后，IPSM开始执行PUBIT。

周期BIT(PBIT)：PBIT是IPSM进入周期任务后自动进行的，是对系统硬件的监控。

维护BIT(MBIT)：MBIT是系统在地面，当接收到CPU模块发送的维护BIT命令后，对IPSM进行的维护测试。

对电源开关阵列(PSA)管理的机制为：(1)循环检测28 V输出是否正常。若周期检测连续3次均不正常，关闭12路电源开关，通过RS-422接口向CPU模块发送故障信息，并记录故障结果。(2)循环检测12路各PSA中流经各路电流值的大小，并确定各路的动作状态。若检测到Is≥Is max，若任意一路周期检测连续3次均超限时，应关闭该路电源开关，通过RS-422接口向CPU模块发送故障信息并记录故障结果。否则，不关闭该路PSA开关。

IPSM通过RS-422串口使用查询的方式与CPU模块进行通信。具体功能如下：(1)当IPSM监控有故障时，将发生的故障通过RS-422总线上报给CPU模块。(2)IPSM通过RS-422串口接收CPU模块发送的命令，包括发送状态信息命令、握手命令、上电命令、下电命令、进行维护BIT命令、发送版本命令和设置版本命令，并通过RS-422串口对CPU模块发出的命令进行响应。

设备驱动主要是指对IPSM中所配备的接口设备提供驱动程序，设备驱动程序包括I/O接口驱动程序程序;RS-422总线接口驱动程序;NV-SRAM驱动程序。

IPSM对所检测到的故障信息，都必须在NV-SRAM中进行故障记录，以备故障分析。故障信息记录在NV-SRAM中的一个确定存储位置，故障记录区分为：PUBIT故障记录区、MBIT故障记录区和周期任务故障记录区。NV-SRAM的内容可读出和清除。

3 结束语

智能电源管理系统是新一代飞机综合核心处理机的发展趋势，可满足电源功率密度高、体积小、重量轻、变换效率高等性能的要求，并且电源系统自身的监测能力、故障诊断和隔离、容错重构能力大幅提高，工程应用前景广阔。