（通信与信息系统专业论文）ttcs电子系统主控板（ttec）原型件设计.pdf

t t c s 电子系统主控板( t t e c ) 原型件设计 专业：通信与信息系统 硕士生：黄字恒 指导教师：倪江群 摘要 本论文选题来自圈家科技部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的研制项目。其中的a m s 是指 由1 5 个国家的5 6 个研究机构合作承担的国际性大型科研项目，现在正进行第 一二代a m s 一一a m s 0 2 的研究。a m s 0 2 项目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。a m s 0 2 不仅是国际空间站上唯一的大 型科学实验，还是人类第一次在太空中使用粒子物理探测仪器和技术的实验 中山大学在a m s 一0 2 项目中的工作即参与轨迹探测器热控制系统t t c s 项 目的研制工作。t t c s 热控制系统主要包括导热系统和电子系统两部分，导热 系统是执行部件，而电子系统则是控制部件。t t e c 作为t t c s 电子系统的前 端主控板，功能是监测和控制导热冷却 旦路的运行，主要包括导热冷却同路上 温度的# 1 4 量、器件的低级回路控制、h e a 【h g u a r d 保护控制及接收并执行j m d c 的控制指令等功能。 作为前端主控系统，t t e c 的研发是整个项目中很重要的一部分，决定着 t t c s 热控回路能否安全可靠的运行。本文主要根据t t c s 的系统结构和功能 需求，对t t e c 原型件的设计( 包括硬件电路设计和软件程序设计) 进行了研 究和实现，并对t t e c 板的调试进行了分析总结，很好的实现了t t e c 板原型 件设计的目的。 天踺词：a m s 0 2 ，f p g a ，单片机，可靠性设计 中山大学硕士论文第1 贞 t h ed e sig na n di m pie m e n t a t io no ft t e cp r o t o t y p e f o rt t c ss y s t e m m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o n n a t i o ns y s t e m n a m e ：h u a n gy u h e n g s u p e r v i s o r ：n ij i a n g q u n a bs t r a c t t h i st o p i cr o o t si n “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 r a c k e rt h e r m a lc o n t r o ls y s 【e m ( t t c s ) ”p r o j e c t ，o n eo ft h e2 0 0 3 “k e yp r o j e c 【 s c h e m eo fi n c e m a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o o p e r a “o n ”o fn a t i o n a is c i e n c ea n d t e c h n o i o g ym i n i s t r y a sa ni n t e m a t i o n a ip r o i e c th e l db y5 6r e s e a r c hc o n s t i t u t e so f1 5 n a t i o n s ，a m si sn o wi n 出ep h a s eo f ”t h es e c o n dg e n e r a t i o na m s ”n a m e da m s 0 2 t h ep u r p o s eo fa m sp r o j e c ti st od e t e c tt h ea n t im | d t t e ra n dd a r km a t 忙ri nt h es p a c e a n dt or c s e a r c ht h ei n g r e d i e n t sa n de n e r g yc h a n so fc o s m i cr a d i a l【ti sn o to n l yt h e u n i q u ei a r g e s c a l es c i e n t i f i ce x p e r i n l e n ti nt h e “l t e m a t i o n a is p a c es t a “o n ，b u ta l s ot h e n r s tc i m ef o rh u 眦nb e i n 2 st ou s ep a n i c l e p h y s l c sd e t e c t i o nm s t r u m e n t sa n d t e c h n o l o g yt ot a k ee x p e r i m e m si nt h es p a c e t h er e s p o n s m m t vo f l es u ny a c s e nu n i v e r s i t vi na m s 0 2p c o i e c ti st 0t a k e p a r ti nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft t c sp r o i e c t t h et t c ss y s t e mb a s e so n t w os u b s v s t e m s ：e l e c t n i c ss v s t e m内fc o n c r o la n dh e r m a ls y s t e mt o r i m p l e m e n t a t i o n a st h em a i nc o nl i o ib o a r do ft t c se l e c c r o n i c ss y s t e m ，t h ef u n c t i o n o ft t e ci st om o n i t o ra n dc o n t r o lt h ep f o c e s so fh e a tc o n d u c t i o nc o o 【i n 譬c i r c k ， w h i c hi n c l u d e sf u n c t i o n sa sb e i o w ：t h em e a s u r e m e n to ft h eh e a tc o n d u c “o nc o o i i n g c i r c l e t h ei o wl e v e li o o pc o n t r o i ，t h eh e a i t h g u a r dp r o t e cc i o nc o n t r o la n d i m p l e m e n 【a i j o no ft h ec o n t r o ic o m m a n d 厅o mj m d c ，e t c a st t e ct a k i n gm ef r o m l i n ec o n t r o lo ft h et t c st h e r m a is v s t e m ，t h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to ft t e ct a k e sa ni m p o r t a n tp a no ft h ew h o l ep r o i e c t i td e t e n e s t h e l i a b j l i t va n ds a f 。t yo ft h e 兀st h e m l a jc o n t r o lc i f c l e b a s e do n 山es y s t e ms c f u c t u r ea n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft t c s ，t h i st h e s i s h a sd e s c r i b e dt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed e s i g no r 【h et t e cp r o t o t y p e w h i c hi n c 【u d e sb o t hh a r d w a r ea n ds o t t w a f ec i r c u “c 【e s i g n a n dt h et e s t i n ga n d d e b u g g i n go ft h e1 1 7 e cb o a r d i tp r o v e st h a tt h et t c ss y s t e mh a sw e l la c h i e v e dt h e r e q u i r e m e n t so f l 丌e cp r o t o t y p ed e s i g n k e yw o r d ： a m s 0 2f p g am c u r e l l a b i l i t yd e s i g n 中山大学硕士论文第1 i 页 里! 皇王墨竺兰堡堡里! 堕型堡堡生 第1 章绪论 “阿尔法磁谱仪( a m s ) 轨迹探测器热控制系统的研制”是一个由中国中山 大学和美国、瑞七、荷兰、意大利等固的多个科研机构所共同承担的科研项目， 己在国家科学技术部立项，并列入2 ( ) 0 3 年“国际科技合作重点项目计划”中。 本论文侧重点在于工程实现，主要是对其中的电子系统主控板( t t e c ) 的设计和 实现进行了研究。 而本章主要是对项目的研究背景、研究意义和论文结构进行简单的阐述。 1 1 研究背景 1 1 1 研究的起因 宇宙中是否存在反物质? 例如对应宇宙中存在的氦、碳等元素，是否也有 存在着反氦、反碳等元素的反宇宙存在呢? 早在1 9 2 8 年，诺贝尔物理奖获得者p a m d i r a c 就提出了波动方程理论， 论述了“反电子”和电子自旋的概念从而揭开了反物质研究的序幕。而在其 后将近一个世纪的时间里，科学家通过使用粒子加速器等各种实验方法，庄反 物质的检测实验中取得了重大的成功，许多的反物质，反粒子部在实验室被发 现和证实。然而，除正电子外，所有的反物质都是通过人工获得的，受限于探 ；贝i 条件的苛刻和探测方法的落后使得住自然界中寻找反物质的进展异常缓慢， 宇宙中是否存在反物质至今仍有待探测。反物质是否在宇宙中真实存在，是 个迫切而重大的研究课题。 为此，诞生了由1 5 个国家的5 6 个研究机构合作承担的国际性大型科研项 目：a m s 0 2 ( a l p h a m a g n e c i cs p e c t m m e t e r - 0 2 ，第二代阿尔法磁谱仪) ，其目 的就是要寻找太空中的反物质和暗物质，并研究宁宙射线的成分与能谱，为人 类解开自然界反物质之谜。a m s 0 2 不仅是国际空间站上唯一的大型科学实验， 还是人类第一次在太空中使用粒子物理探测仪器和技术的实验。 中山大学硕士沱文第l 贞 苇】蕈绪论 1 l 2 反物质探索之路 顾名思义反物质就是普通物质的反状态。物质由分子和原子组成，原予 由带负电的电子和带l e 电的原子核组成，例如，氢原子由一个带负电的电子和 一个带正电的质子构成，而反氯原子则与它正好相反，由一个带正电的电予和 一个带负电的反质子构成。 1 9 2 8 年，狄拉克( p am d i r a c ) 发表了震动物理界的相对论电子波动方 程，把电子的相对论性运动和自旋、磁矩联系了起来，这样个简单的方程式 却是个惊天动地的成就，是划时代的里程碑。它不但对原子结构和分子结构都 给哥了新的极准确的理论解释，而且通过“反电子”和电子自旋的概念从理论 j 二指出了反物质的存在，揭开了反物质研究的序幕。 1 9 3 2 年c d a n d e r s o n 发现了正电子，汪实了狄拉克的预言。 1 9 3 3 年b l a c k e t t 等人在云室中发现正负电子对的同时存在。 1 9 5 j 年o c h a m b e r l a i n 和e s e g r e 在伯克利发现反质子。 i 9 7 4 年丁肇中与b r i c h t e r 发现了j ，f 卡立于，c h a n n 夸克与反夸克。 1 9 9 6 年w o e i e r t 在欧洲核子研究中心实验发现9 个反氢原子。 2 0 0 2 年瑞士目内瓦的欧洲原于能研究组织c e r n 宣布，他们的反物质研 究取得重大突破，首次制造出了至少5 0 0 0 0 个原子的反氢。如此大批量反物质 成功制造，使得科学家们能够有效的利用反物质进行自然对称性和宇宙物质存 在的基本法则的研究，帮助他们对宁宙大爆炸中产生的反物质的最终去向加以 迸一步了解。 目前反物质一个可预见的特点是当物质与反物质相遇湮灭后会释放出巨大 的能量，能量释放率要远高于氢弹爆炸，因为后者只释放了物质内所蕴含能量 的很小一部分。 反物质究竟有何实际应用，暂时还难以估计，目前一个可预见的特点是当 物质与反物质相遇湮灭后会释放出巨大的能量能量释放率要远高于氢弹爆炸， 如果能够利用正反物质湮灭产生的能量，将大大缓解当今的能源危机。 然而反物质研究的作用远远不止如此，一项重大科学发现问世时，往往是 无法估量它的应用前景的，1 0 0 多年前汤姆森发现电子时，他不会想到这突 中山大学硕士论文第2 页 t r c s 电了系统# 掩板1 t e c 胤掣件设计 破会应用到现在的电视、手机、电脑中，彻底改变了我们的生活。反物质的研 究也是如此，通过探测宇宙中的反物质，将会使得人类对宁宙空间有更加深入 准确的认识，对空间物理的发展影响深远。 1 1 3a m s 项目简介 尽管在反物质的探索道路卜人类取得了可喜的成绩，研究不断的取得突 破，然而除正电子外，所有的反物质( 反粒子) 都是通过人工( 加速器) 的办 法获得的，至今还没有实验来验证到底自然界中是台存在天然的反物质。验证 自然界反物质的实验，难度是巨大的，其中一个难题就是实验要在太空进行 因为反物质经过大气层以后就会湮灭，不可能在地球的表面探测到反物质，除 此之外，探测方法的设计和探测设备的制造都具有很高的难度，所以宅闻的反 物质探索一首没有取得突破性进展。 技术的更新进步和研究的迫切需要，促使了a m s 项目的诞生。 m s 实验是由美籍华人丁肇中教授领导的大型国际合作项目，是第一个国 际空间站上的大犁科学实验。第代阿尔法磁谱仪，即a m s l 已经在s t s 一9 l 行动中( 1 9 9 8 年6 月2 日到1 2 日) 在太空穿梭机中进行了实验，搜集了数亿 个宇宙微粒的数据。虽然在这只有短短r 1 天的探索中并没有发现所需探测的反 物质，但却获得了意外的科学发现。十天观测数据的研究结果显示：赤道上空 4 0 0 公里处存在一个围绕地球的质子环，质子环中向各个方向飞行的粒子强度 相同，处于动态平衡状态：而赤道附近的| 电子比负电子多1 倍，观测结果与 传统理论认为的宇宙是中性由数量相同的正电原子核和负电电子组成并 不相符，对传统理论提出了质疑，需要进一步的论证和研究。这次十天的实马令 不但确认了a m s 项目的重大意义且为后续开发提供了重要提示和宝贵的经验。 在a m s i 的研究基础上，第二代阿尔法磁谱仪，即a m s 2 正在研发中，预 计在2 0 0 7 年l o 月1 5 目装载在n a s a 的u f 4 1 航班e 运送到太空，并将放置 在天空站中持续运行3 年，搜集几十亿个高能量的质子和核子，其主要任务就 是要搜集宇宙中的反物质、黑物质和未发现物质，研究宇宙射线的成分与能谱。 a m s 2 小仅是国际空间站上唯一的大犁科学实验，也是人类第一次在太空中使 制粒子物理探测仪器和技术的实验。 中山大学硕士论文第3 页 第l 章绪论 经过改进设汁的a m s 2 系统，主体部分是个体积3 米3 米3 米，重7 l i 屯的探测器组。它自6 5 0 个徽处理器和2 0 万个数据采集信道，使用超导磁体 ( - 2 7 1 3 5 。c ) 及5 种新的探测器。5 种探测器分别是t r d ( t r a n s i t j o nr a d i a f i o n d e f e c t o r ，穿越辐射探测器) 、t o f ( t i m eo f 州g h t ，飞行时间探测器) 、s i i i c o n t r a c k e r ( s i l i c o nt r a c k e r 硅微条轨迹探测器) 、r i c h ( r i n gi m a g ec h e r e n k o v c o u n l e r ，环形成像切伦科夫计数器) 和c a i o r i m e l e r ( 电磁量能计) ，对五种探 删器的数据进行综合分析，就可确定经过探测器的物质的准确成份。 s i i i c o nt r a c k e r 是探测系统的核心部分，分为8 层，并有2 0 万读出数据信 道，定位精度为l o 微米，负责记录粒子经过探测器时候的运动轨迹。硅微条轨 迹探测器的数据采集量和处理量极大，所以为了减少信号传输过程中的干扰， 在其前端输出增加了信号前级放大电路和数据分捡电路，硅微条的2 0 万个前端 数据读出通道产生的热功率约1 4 4 w 这些电路产生的热量必须通过外加通道 排出，这个问题在a m s l 的设计中是没有出现的，因此，需重新设计和制造冷 却系统，以保持轨迹探测器的正常工作。 a m s 2 硅微条轨迹探测器的热控制系统( t r a c k e rt h en t l a lc o n t r o is v s t e m ， 简称t t c s ) 的任务就是把在空间轨道上工作的硅微条轨迹探测器的1 9 2 个数 据采集链路所产生的、总共约1 4 4 瓦的热量带走并维持该探测器温度的高度稳 定。 1 v r c s 系统是一个由荷兰航空航天局、瑞上日内瓦大学、意大利核物理研 究所和中山大学等多所研究机构共同研制的机械驱动的两相二氧化碳冷却系 统。它的主要作用足以两相的二氧化碳作为工作媒介，通过系统中两个冷却p 路：主回路和辅助回路来把t r a c k e r 中的热量带走，中山大学将主要负责t t c s 的研制工作，并建立a m s 2 科学运作中心( s o c ：s c i e n c eo 口e r a t i o nc e n 【e r ) ： 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 备种问题，提出相应的解决方案；还可以接收a m s 2 探测器的实验数据，做分 忻和研究的用途。 中山大学a m s 2 科学运作中心主要包括电子，热工和机械三个研究小组。 乓中t 田c s 电子小组负责t 卫c s 系统的关键子系统一一t t c s 电子系统的研发 中山大学硕士论文第4 页 1 1 s 电子系统上控板1 r e c 原掣件醴汁 涉及的主要部分包括电源功率分配系统t t p d 、电了挖制系统t t c e 、操作控制 中心j m d c 、地面支持系统e g s e 和t t p d 厂r t c e 背板机箱的设计。 本人在t t c s 电子小组中的主要职责是负责t t e c 控制板原型件的设计和 斤发，t t e c 控制板是t t c s 电子系统的前端主控板，其丰要任务是收集t t c s 冷却吲路上特定点的温度或压力等数据，并做出相应的数据处理和一定级别的 控制，然后通过c a n 总线实现t t c e 和j m d c 的通信和数据传输。 1 2 研究意义 t t c s ( t r a c k e rt h e m l a lc o n t r o ls y s t c m ) 作为a m s 2 系统的一个子系统， 负责a m s 2 的核心部件t r a c k e r 探测器内部的热量导出，是一个不可缺少的冷 卸系统，它的性能好坏关系到t r a c k e r 探测器能否止常的工作，_ j 以说t t c s 系 统是a m s 2 系统一个关键的部分。 t t c s 采用的两相二氧化碳冷却系统是首次应用在太空任务中，空间两相 _ 二氧化碳导热回路从未被研制过；而且t t c s 系统对a m s 2 项目来说也是一个 全新的引入，在a m s l 中并没有类似的系统可以继承，可以说t t c s 的研制是 个机遇，也是一个挑战。通过t t c s 项目的研究，可以掌握空间二氧化碳两 相热控制技术，空间的电子设计和控制技术，空间实验技术：而研制工程件( e m ) 和飞行件( f m ) 过程中涉及到精密加工、焊接、装配、测试等尖端技术，可 以从中学习积累宝贵的设计经验，加快和国际先进技术的接轨，带动以空间实 验技术为主体的一批相关学科进入国际合作环境中参与竞争。 总结论文的选题意义如f ：从整个项目的角度看，t t c s 系统是第一代 a m s 所没有的，因此更具有创新性和挑战性，多学科协同工作，体现了国际一 流大型科研项目的组织协调能力。t t e c 作为t t c s 系统的一部分，掌管着t t c s 系统的前端控制，是不可替代的一部分，其顺利研发对整个项目的完成有积极 的推动作用。从本文选题的角度看，课题的研究的领域是从前中山大学甚少研 究的空间电子设计技术和控制技术，t t e c 板的设计很具有挑战性和创新性： 而且通过本课题的研究，可以学习到国外同行关于空间电子设计和控制技术的 设计理念和方法，为以后的继续研究积累经验。 中山大学硕士论文第5 页 第1 蕈蜻论 1 3t t e c 设计目标 t t c s 系统的目标要求是在国际空间站上稳定的 二作3 至5 年，所以作为 t t c s 电子系统的土控板t t e c ，设计的最终目标是搭建_ 个可靠的t t e c 电路 系统，使得其能在太空的恶劣环境中正常j ：作3 到5 年。所以t t e c 要能够承 受得住航天飞机发射过程、空间转移过程、宅削环境和返回过程中不j 盲 睛况的 考验，设计的电路系统要能满足太空环境以及发射环境所决定的高要求，如绝 对的可靠性，低重量，低功耗等要求。其中特别重点要考虑的是t t e c 在空间 站工作的时候，系统设备要在遭受耐高能粒了二辐射时不影响正常工作。 t t e c 没计第一阶段要实现的目标是完成原型件的殴计，实现系统的基本 功能，使系统正常运作，验i 止t r e c 设计在原理上的正确性。t t e c 系统的基 本功能包括：】完成温度、压力等数据的采集和监测；2 对1 h c k e r 的散热 司 路系统进行l o wi e v e ic o n t r o i ，根据情况执行灵活各种控制策略和h e a i 【h 2 u a r d 保 护；3 和j m d c 进行通信和数据传输，执行j m d c 发出的各种h i g hi e v e lc o n t r o l 控制策略，回传j m d c 需要的数据。 1 4 本文结构安排 本文是依据作者在t t c s 项目中参与的研发工作而展开，下面对各个章作 简单的描述。 第l 章主要讲述了a m s 项目的源起。t t c s 在a m s 项目中的角包和研究 意义，以及t t c s 电子系统主控板t t e c 的研究目标。 第2 章讲解了t t c s 系统的结构和运行原理，包括导热系统和电子系统的 结构、框架设计和具体实现的功能，并总结了t t c s 埘电子系统的需求。 第3 章阐述了t t c s 电子控制系统中的主控制板t t e c 的硬件电路设计， 首先介绍了电子电路设计的一般原则，然后就该项目中的具体情况进行分析， 进行主芯片的甄选和各个功能模块的电路设计。 第4 章是关于t t e c 电路中软件部分的设计，详细讲述了各个软件功能模 块的设计，划分和实现。通过软硬件的配合，实现t t e c 的设计目标。 第5 章简述了t t e c 电路板的调试和验证，通对t t e c 板进行测试，验证 中山大学硕士论史第6 页 r r c s 电子系统主控板盯巨c 棘犁件改汁 了系统设计的正确性。 第6 章对本文的上作进，亍了总结分析，展望了后续有待继续研究的工作， 中山大学硕士论文第7 页 第2 章t t c s 坝目舟绍 第2 章t t c s 项目介绍 本章从整体到局部阐述了本i 仑文的项目柑关信息，首先从总体卜介绍t t c s 项目的系统结构，然后分别介绍了t t c s 的两个子系统：导热系统和电子系统 的系统结构，最后进行了总结，概括了t t c s 的运行方式和t t c s 对电子系统 的需求。 2 1t t c s 系统总体结构 t t c s 系统作为一个空间两相二氧化碳热控冷却系统，主要由导热系统和 电子系统两个部分组成，其结构框图如图2 1 - i 所示。 图2 1 一l 中，左半部分是导热系统的示意图，右半部分是电子系统的示意 图 图2 1 一lt t c s 总体结构示意图 由于在太空的真空环境中，没有空气的传导，t r a c k e r 探测器产生的1 4 4 热 量是无法通过一股的散热方法排出探测器外部的，因此t t c s 系统采用了外加 | 琦相c 0 2 循环冷却通道的方法把t r a c k e r 中的热量导出到太空中去。t t c s ：f ：作 原理是：导热冷却回路中，通过泵的作辩j ，冷冻的液态_ 二氧化碳经过t t c b 后 进入t r a c k e r 探测器内部通过蒸发器后受热汽化，吸收了t r a c k e r 中热量。然 后汽液混合的一氧化碳流体再流经t t c b 后流入太空辐射板r a d i a t o r ，流经 中山大学硕士论文第8 页 t t c s 屯子系统丰抟! 板t 1 1 e c 味犁件设计 r a d i a t o r 的冷凝器的冷却，变回纯液态的一氧化碳流体又流刚t t c b p 中，再流 入t r a c k e r 探测器内部，形成一个循环回路，通过回路的不断运行把t r a c k e r 中的热量带出，辐射到太空中去：而t t c s 电子系统负责导热冷却同路的：作 状态监测和控制，通过检测导热同路中各个关键点的温度和压力，作出相应的 控制策略，控制泵等导热回路受控设备，使得导热同路正常运行。 t t c s 系统结构是采用双冗余备份的结构，导热子系统和电子子系统都为 主、副系统结构，互为冗余，当一个系统运行时，另外一个作冷备份。如果止 在运行的某一子系统发生问题，通过地面的控制，可以关闭运行异常的子系统， 马上启动冷备份子系统，接替有问题的子系统继续工作。这样的结构使得整个 系统的可靠性得以大大提高。 导热子系统和电子子系统的双冗余连接关系如图2 1 2 所示，电子系统 t t c e a 和t t c e b 都可以控制导热主刚路p r i m a r yi o o p 和副回路s e c o n d a r y l o o p 的运行，但绝对禁止同时启动两个吲路，这个协调工作由j m d c 负责。当 t t c e a 运行时，如果主热控组件箱t t c b p ( p r i m a r yt t c sc o m p o n e n tb o x ) 出现异常情况时，则可以关闭p r i m a r yl o o p 上相应的器件，启动副热控组件箱 t t c b s 以及其他在s e c o n d a r y l o o p 上的a e q u i p m e n t 接替工作继续导出t r a c k e r 探测器中的热量：而当t t c e a 运行异常时，可以通过控制t t p d 上的电源开 关切换到t t c e b 运行模式中，接替t t c e a 的工作，通过b e q u 巾【n e n t 控 制和监测回路，让t t c s 系统继续正常运行。所以t t c s 系统是一个可靠性很 好的双冗余系统。 图2 1 2t t c s 子系统连接关系图 中山大学硕士论文第9 页 第2 盘t t c s 项目介绍 2 2t t c s 导热系统结构 t t c s 导热系统由两个回路组成：手回路p r i m a r yl o o p 和副同路s e c o n d a r y 1 0 0 p ，两个回路的结构基本一样。幽2 2 是p r i m a r yl o o p 的结构示意图，它主要 由热控组件箱t t c b p ，前辐射板r a mr a d i a t o r ，后辐射板w a k er a d i a t o r ，储液 器a c c u m u l a 【o r ，冷凝器c o n d e n s e r ，蒸发器e v a p o r a t o r ，泵p l l m p ，加热器h e a t e r ， 制冷器p e lc i e r 等器件加上导热管道构成，导热管道上还装上温度传感器，压力 传感器等器件用以检测回路的运行状况。 a m s0 2t t c sp m a r yl o 口p 一 p m a r yt t 亡5 面 0 3 m o o n e n tb o x ( p ：r ts i d e ) 趁茹 一 w a k eh e a t 【p l p er ad j a 佃 刃皿 c o n d e n r 【。 、。_ 一 l 卡佃 l - ； l 茳玎习i ：1 。 j 一”一j 一 c o n d e n s e rh a n i r o i d s 0 h y d r a u i c n n e c b r s l s 钆e p 1 ，3d r a f t u 口d a 【e db vj 咖e s d 8 悖 i z l z 一0 4 图2 2p r i m a r y1 0 0 p 的结构示意图 各器件的功能如下： 1 在t t c b p 器件箱里面的器件 p u m p ：泵，通过转动，带动液体在回路中流动。 a c u ：储液器a c c u m u i a t o r ，缓存液体和温度调节。控制a c u 的温度可以 控制回路中的压力，从而控制蒸发器的温度，进而控制t c a c k e r 里 的温度。储液器是一个核心器件。 a c u p ej t i e r ：放在a c u 上的制冷器，作用是控制校正a c u 温度， 中山大学硕士论文第1 0 页 1 1 s 电f 系统 拧扳1 1 1 e c 原型件攻计 a c uh e a t e r ：放在a c u 上的加热器当回路中液体温度接近饱和温度的 时候进行紧急加热a c u ，防止汽体进入p u m p 中损坏器件：平常作 用是挎制校正a c u 温度。 v a i v e ：阀门，控制流向r a m w a k e 酉块辐射板的汽液混合体的流量分布。 h x ：换热器h e a te x c h a n g e r ，址进入t r a c k e r 前的过冷液态氧化碳和从 t r a c k e f 出来的汽液两相二氧化碳进行热量交换，减少p r e - h e a 【e r 在 预热进入t r a c k e r 的过冷液体时消耗的能量，提高系统工作效率。 a p s ：绝对压力计a b s o i u t ep r e s s u r es e n s o f 测量p u m p 入口压力。 d p s ：差分压力汁d i f f e r c n t i a ip r e s s u r es e n s o r ，测量p u m p 两端的压力。 l f m ：流量计，测量流量。 2 在t t c b p 器件箱外的器件 p r e - h e a t e r ：预热器，加热进入t r a c k e r 的液体到刚饱和点。 e v a d o r a t o f ：蒸发器，放在t r a c k e r 内部收集t r a c k e r 里产生的热量，：氧 化碳流过蒸发器后，通过汽化吸收热量：两相的二氧化碳保证了 t r a c k e r 内部温度稳定的要求。 c o n d e n s e r ：冷凝器，作用是使通过c o n d e n s e r 的汽液两相流体把热量转移 到辐射板上辐射出去，止流体重新冷却变化纯液体二氯化碳。 以p r a m i f y1 0 0 p 为例，两相循环冷却系统的工作原理是：通过泵的带动， 过冷的液态二氧化碳进入热交换器h x ，和从t r a c k e r 出来的过热的汽液两相一： 氧化碳交换热营= ，然后流出t t c b p ，经过预热器p r e h e a t e r 预热后变成刚饱和 的液态二氧化碳流入t r a c k e r 探测器里，通过蒸发器e v a p o m t o r 进行蒸发，一部 分的液体相变成为汽体，吸收t r a c k e r 里产生的1 4 4 w 热量，然后流出t r a c k e r ， 流入热交换器h x ，和过冷的液体交换热量后又分为两路分别流向前后两块在 太空中的辐射板r a d i a t o r 中，通过冷凝器c o n d e n s e r 冷却后流回t t c b p 中，经 过阀门开关后汇成一路又流过泵，形成一个循环的同路。 两相循环冷却系统中放有不少的温度传感器和压力传惑器用以监测回路 的温度、压力状态，通过电子系统的监测和控制，导热冷却系统就可以正常的 运转，带走t r a c k e r 热量，达到保持温度恒定的目的。 中山大学硕士论文第l i 页 第2 蕈t t c s 工奂目介绍 2 3t t c s 电子系统结构 电子控制系统是t t c s 系统的大脑，埘整个t t c s 系统进行协调控制，使 t t c s 系统能够正常有效地工作。图2 3 1 给出了t t c s s s 系统内部总体结构 和与地面支持系统的连接关系示意图，t t c sg r o u n d 为地面控制中心，它可以 对j m d c 进行控制；j m d c 为t t c s s s 的主控制计算机控制协调t t c e a 和 t t c e b 的工作；t t c e 为前端电子控制系统，控制着导热冷却回路( p m n a r v l o o p 和s e c o n d a r yl o o p ) 的正常运转， 图2 3 一lt t c s 电子系统( t t c s ，s s ) 结构示意图 t t c s 电子控制系统主要由3 大部分组成，分别放置在3 个c r a t e 中，如图 2 1 1 所示。三个c r a t e 的主要组成如下： 1 t t _ c f a t e ，t t c s 电子控制和接口箱，其中主要包含了t t c e a 和t t c e b 两套设备，其中每套t t c e 都可以与两个冷却同路t 的导热控制元件箱 t t b p 和t t c b s 进行连接，以实现对目路上各种元件进行监测和控制。 2 j c m 【e 主控制计算机箱，主要包含了j m d c j m d c 与t t c e 通过c a n 通 道进行连接，以遥控指令操作t t c e 实现高级p i 路控制的功能。 3 t t p b ，即t t c s 电源箱，与a m s 主电源箱p d b ( p o w e rd i s t 曲u t i o nb o x ) 相 连，里面放置两套独立的1 1 1 p d 以实现为t t c r a t e 中两套t t c e 进行供电。 t t p d 可以分别打开t t c e a 或t t c e b 的电源或同时把两套设备的电源部 打开让它f f ，协调工作。 中山大学硕士论文第1 2 页 ! 堕! 皇王墨竺! 堡堡里! 堕型堡壁生 存t t c s 电子系统中，对冷圭同路的控制包括由t t c e 系统商接实施的低 级同路控制和南j m d c 系统通过t t c e 系统间接实旌的高级回路控制，整个系 统的控制流程框图如图2 3 2 所示。如图所示，对于回路中各种受控元件的控制， 可以由t t c e 系统根据元件的工作情况自接进行低级控制：也j 以由j m d c 系 统，根据汇总后的总体系统状态和地面支持系统传达的指令，进行全面的高级 控制分析并将得到需要改变设置的参数，通过发送遥控指令到t t c e 系统， 对回路中组件进行具体的设置和控制。 g r o 咖dc o f n r o l h i 曲庠型胁im g h 哮型幽ih i 曲仁竺竺“。lh i g i i 庠型o 捻。旧怒i 怒 ；燃i 怒。i ：勰l 怒。i ：侧。 s bp o 砒 s b p 口雠 s n p o t n 土 d e s e d t 目n d 目a n e r p m p o s m o n j 踹 j 出1 l 口wl o w c 。m m lc o m l1c 怒jf 怒- f m 8 竺0 i 算微哑。0 i “荫警” 蹦。0 0 l 一一卜。0 0 | 蚰e 十一一iu s _ m 。al 。 图2 3 2t t c s 电子系统控制框图 f 面将具体介绍t t c e 和j m d c 的结构和功能 2 3 1 t t c e 的结构和主要功能 t t c e 分为t t c e a 和t t c e b 主副两l 套系统设备，同放在t c r a t e 中。 t t c e 实现的功能： 1 连接温度传感器和压力传感器，包括d a l l a s l8 2 0 、d f l 0 0 0 ，蓐分压力 计等传感器件，实现回路的状态数据的监测。 2 连接t r a c k e r 导热冷却控制主回路和副回路的受控元件，包括h e a t e r 、 p e l i i e r 、v a i v e 和p u m p 等，实现对同路的低级控制： 3 和j m d c 通过c a n 总线通信，接收j m d c 的遥控指令执行高级回 中山大学硕士论文第13 页 第2 章t t c s 项目介绍 路控制，根据j m d c 的要求发送其所需的数据和状态参数。 t t c e 系统的组成： i 卞控电路板t t e c ( t r a c k e rt h e r m a ie i e c t m n i c sc o n 【r 0 1 ) 。t t e c 板作为 t t c e 的核心电路板，负责数据的采集、处理和控制其他的附属板， 二弱电强电接口板t t e i ( t r a c k e r t h e r m a l e l e cc r o n l c s 【n t e r f a c e ) 。把t t e c 的挖制信号转换成对加热器，制冷器的功率阔节 3 泵和阀门控制板t t p v ( t r a c k e r t h e m l a ip u m pv a i v ec o n t r 0 1 ) 。 4 ，传巷器接口板t t 町( t r a c k e rt h e n t l a lp r r l 0 0 0 【nl e r f a c e ) 。t t p t 作为数 据采集板，数据采集后送t t e c 处理。 5 背板t t b p ( t r a c k e r t h e r m a l b a c kp l a n e ) 。背板的作用是把以上的电路板 连接起来，采用v m e 背板设计标准。 图2 3 1t t c e 板间连接示意图 2 3 2 j m d c 的结构和主要功能 j m d c 作为计算控制中心，由低及上可划分为四个层次的功能模块： c a n 通信模块；t t c e - j m d c 通信和e g s e j m d c 通信模块；高级回路控制 模块：飞行场景控制模块和t t c s 应用控制模块如图2 3 2 所示。 f 飞行妊最控制t t c g 应用挡制 高氍回路控制 丌c 5 - 加c 道信e g s e 一加c 通信 c a 州置信 图2 3 ，2j m d c 模块关系示意图 中山大学硕士论文第1 4 贞 t t c ”色于系统王挖板1 t e c 躁犁件跛汁 i ) c a n 通信模块主要要实现j m d c 仿真系统通过c a n 接口与t t c e 、 e g s e 等进行通信。 2 ) t t c e j m d c 通信和e g s e _ j m d c 通信模块，主要是制定协议和数据格 式，来完成j m d c 与t t c e 、e g s e 间进行通信。其中e g s e 为地面的控制 中心。 3 ) 高级回路控制模块，主要是根据上层飞行场景控制和t t c s 应用控制的 要求，运用各种控制策略，埘各种传感器、控制器进行参数控制。 4 ) 匕行场景控制模块和t t c s 应用控制模块，主要是按照预先定义和实时 传送的场景和时间表制定不同的控制策略。 2 4小结 t t c s 导热冷却系统中，导热系统是执行部件，而电子系统则是控制部件， 通过两个子系统的配合，完成保持t r a c k e r 内部温度恒定的功能。t t c s 系统的 稳定运行是建立在电子系统稳定可靠的控制下面的，t t c s 对电子系统的要求 就是稳定可靠的控制。为了最大可能的提高控制的可靠和稳定，t t c s 电子系 统分为3 个级别的控制，级别从高到低分别为地面系统的控制，j m d c 系统的 控制和前端主控板t t e c 的控制。 控制级别最高的是地面控制