（通信与信息系统专业论文）面向工程件ttec的安全模块与地面支持系统的设计和实现.pdf

面向工程件t t e c 的安全模块与地面支持系统的 设计和实现 专业：通信与信息系统 硕士生：吕嘉听 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的研制”项目。其中，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，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。这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m s 一0 2 项目中参与了轨迹探测器热控制系统( t t c s ) 项目的研制 工作。t t c g 电子小组的工作是负责t t c g 系统的关键子系统一- - t t c g 电子控制系 统的研发。其中，系统主控板( t t e c ) 的安全模块负责实时检测回路环境温度，并 根据实际情况实行控制相关的保护措施。安全模块对保障系统正常运行起非常重 要的作用。而地面支持系统( e g s e ) ，则主要实现对t t e c 的监测和控制，这对t t c g 系统的研制以及太空站的主控系统的实现都有很重要的意义。 本文研究了安全模块的设计，从而实现对探测器导热系统主要回路的监测 和控制，并对控制策略优先级进行了讨论；基于m s 的协议以及相关模型，对 e g s e 系统的软件模块和通信协议进行了研究，并实现了其t t c s 主控系统的功能。 关键词：a i v i s 0 2 ，安全模块，地面支持系统，通信协议 t o p i c ： m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r ： t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh e a l t h g u a r dm o d u l ea n de g s e s y s t e mb a s e do i lt h et t e ce m 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 l vj i n x i n 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 i s t o p i c r o o t si nt h e a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ( a m s ) i n t e r n a t i o n a l c o l l a b o r a t i o n ，w h i c hc o n s i s t so fm a n yc o l l a b o r a t o r sf r o m5 6a c a d e m i aa n dr e s e a r c h i n s t i t u t e sf r o ma l lo v e rt h ew o r l d t h em a i ng o a li st os e a r c hf o rc o s m i ca n t i m a t t e r , f o r d a r km a t t e ra n dl o s tm a a e ls u ny a t - s e nu n i v e r s i t yh a st a k e np a r ti nd e v e l o p i n ga m e c h a n i c a l l yp u m p e dt w o p h a s ec a r b o n d i o x i d et h e r m a lc o n t r o ls y s t e mn a m e d t r 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 i l lb eu s e dt oc o n t r o lt h es i l i c o n t r a c k e lt h ec r u c i a ld e t e c t o rs y s t e mo fa m s - 0 2e x p e r i m e n to nt h ei n t e r n a t i o n a ls p a c e s t a t i o n ( i s s ) t h em a i no b j e c t i v eo ft t c si st op r o v i d ea c c u r a t et e m p e r a t u r ec o n t r o lo fa m s t r a c k e rf r o n t - e n de l e c t r o n i c s ，a sw e l la st op r o v ea n dq u a l i f yat w o - p h a s ep u m p e d c o o l i n gi no r b i ta n dc o l l e c to p e r a t i o n a ld a t ao ni s so v e rap e r i o do fa tl e a s tt h r e e y e a r s t h e r e f o r et h eh e a l t h g u a r df u n c t i o ni n c o r p o r a t e d i nt h et r a c k e rt h e r m a l e l e c t r o n i c sc o n t r o l ( t t e c ) p l a y sav e r ys i g n i f i c a n tr o l ei np r o t e c t i n ge q u i p m e n t si n t h ec o o l i n gl o o pf o rp o t e n t i a ld a m a g e o nt h eo t h e rh a n d ，e l e c t r o n i c sg r o u n ds u p p o r t e q u i p m e n t ( e g s e ) p r o v i d e sb o t hh i g hl e v e lc o n t r o la n dl o wl e v e lc o n t r o lo ft t e c v i au s e ri n t e r f a c e ，w h i c hi so f t r e m e n d o u si m p o r t a n c ef o rn o to n l yt h ed e v e l o p m e n to f t t e ce n g i n e e r i n gm o d e l ( e m ) ，b u ta l s ot h ew h o l et t c s b a s e do nt t e ce m ，t h ea r t i c l ef i r s ts t u d i e st h ei m p l e m e n t a t i o no fh e a l t h g u a r d a l g o r i t h m sb ya n a l y z i n gs a f e t yr e q u i r e m e n t so ft h ec o o l i n gl o o p a f t e rt h a t ，t h e a p p r o a c ho fi m p l e m e n t a t i o no fe g s es y s t e mi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h e s o f t w a r e d e s i g na n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si nt t c s k e yw o r d s ：a m s 一0 2 ，t t c s ，t t e c ，h e a l t h g u a r d ，e g s e 中山大学硕士学位论文 面向工程件t t e c 的安全模块与地面支持系统的设计和实现 第1 章绪论 “阿尔法磁谱仪( m s ) 轨迹探测器热控制系统的研制”项目，是国家科学技 术部2 0 0 3 年立项的“国际科技合作重点项目计划”之一。这个大型科研项目由 中国中山大学和美国、瑞士、荷兰、意大利等国的多个科研机构共同承担。 本论文侧重工程实现，主要对系统主控板的安全模块进行设计与实现，并对 地面控制系统进行仿真设计以及基于工程件的实现进行研究。而本章将对项目的 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 世界上的事物总是对立统一的，那么既然宇宙中有着无穷的物质，也存在反 物质吗? 根据大爆炸学说，宇宙是由大约1 5 0 亿年前的一次大爆炸形成的。按照 量子力学的质能守恒定律，宇宙诞生之始，既然产生了物质，势必应该产生等量 的反物质。当时的粒子与反粒子、物质与反物质，应该基本等量存在。而只要存 在反粒子，就应该理所当然地组成反原子、反分子，再组成反物质，进而积聚成 反星球、反星系和反宇宙。到底物质是否具有镜像实体呢? 为了探索反物质之谜，科学家们一直致力在自然界中寻找反物质并研究其自 然状态。早在1 9 2 8 年，英国物理学家p a m d i r a c 提出了波动方程，其中就包 括了反电子的概念，由此揭开了反物质研究的序幕。后来美国物理学家 c a n d e r s o n 果然在实验中发现了反电子，迸一步促进了物理学界对反物质的研 究。其后，反质子、反中子和反夸克等反粒子也陆续被发现。1 9 9 7 年4 月，美 国利用伽马射线探测卫星发现在银河系上方约3 5 0 0 光年处有一个不断喷射反物 质的源，根据是正反物质相遇时会在瞬间湮灭，并释放出巨大的能量和比普通可 见光强2 5 万倍的伽马射线。 然而至今为止，所有的反物质( 粒子) 除了正电子外都是通过人工的办法获取 的。这是因为除了光以外的大部分带电的宇宙粒子在穿越地球的大气层时都会被 吸收，所以在地球上难以探测到反物质来实现对其在自然状态下的性质进行深入 研究。 第1 章绪论 为此，产生了国际空间站上唯一的大型科学实验a m s ( a l p h am a g n e t i c s p e c t r o m e t e r ) ，此项目由丁肇中教授领衔，1 6 个国家和地区的5 6 个研究机构 共同合作承担。a m s 是人类第一次在太空中使用粒子物理探测仪器和技术的高能 物理实验 1 ，其目的在于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，这对于人类认识宇宙的形成机理有着极其重要的意义。 a m s 计划利用磁谱仪测量通过它的宇宙射线( 粒子) 的速度、在磁场中的运行 轨迹及能量损失等信息来计算这些粒子的电荷与质量，从而验明其属于何种粒子 或原子核，分辨出物质与反物质。如果测量到了带电荷的重原子核粒子，便找到 了反物质。至于暗物质，由于其本身不发光，也不与光发生作用，无法用光学方 法观察，但它存在万有引力，通过计算天体间的引力可知，宇宙中的暗物质占物 质总量的9 0 。用a m s 测量太空中的反质子、正电子或光子的能量分布，有可 能找到暗物质湮灭时留下的痕迹，因为暗物质湮灭时可能在反质子、正电子或光 子的能谱中形成独立的分布。 假如用a m s 真能找到反物质，这不仅对宇宙大爆炸理论和天体物理理论提供 有力的实验证据，也将会对反物质的利用与实现提供基础。根据研究，反物质太 空船仅几十毫克的正电子燃料就可以代替成千上万吨的化学燃料，而且速度比核 动力太空船快一倍，从地球到达火星可能只需6 周时间 2 。 1 2 项目简介及意义 根据研究时间的先后，a m s 有两种型号，分别是a m s o l 和a m s 0 2 。 a m s o l ，即第一代阿尔法磁谱仪，已经在s t s - 9 1 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。虽然实验中没有 探测到设想的反物质，但发现了很多近地球轨道宇宙线的新现象，进一步确认了 这个项目的重大意义且为后续开发提供了重要提示 3 4 。 而a m s - 0 2 ，即第二代阿尔法磁谱仪，正在研发中，预计在2 0 0 7 年正式进入 国际空间站，并将持续运行至少三年进行数据采集和搜集几十亿个高能量的质 子、核子，其目的就是要搜集宇宙中的反物质、暗物质和其他未知物质。 经过改进设计的a m s 一0 2 ，其磁场强度大约是a m s 0 1 的1 6 倍，体积为3 米3 中山大学硕士学位论文面向工程件t f e c 的安全模块与地面支持系统的设计和实现 米3 米，重7 吨：有6 5 0 个微处理器，以及2 0 万个数据采集信道；使用超导磁 体( 一2 7 1 3 5 。c ) 及5 种新的探测器，分别是t r d ( 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 ， 穿越辐射探测器) 、t o f ( t i m eo ff 1 i g h t ，飞行时间探测器) 、t r a c k e r ( s i l i c o n t 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 vc o u n t e r ，环形成像 切伦科夫计数器) 和c a l o r i m e t e r ( 电磁量能计) 。对物质通过这五种探测器时所 测量的数据进行综合分析，就可确定该物质的准确身份。 其中的t r a c k e r ，即硅微条探测器s i l i c o nt r a c k e r ，是探测系统的核心部 分。它分为8 层，有2 0 万读出数据通道，定位精度达1 0 微米，主要负责记录粒 子经过探测器时候的运动轨迹。由于硅微条轨迹探测器的数据采集量和处理量极 大，因此为了减少信号传输过程中的干扰，在它的前端输出增加了信号前级放大 电路和数据分捡电路，则硅微条的前端数据读出通道将产生约1 4 4 瓦的热功率， 这些热量必须通过外加通道排出。因此a m s 一0 2 中需要特别研制一个热控制系统 来释放掉多余的热量，使t r a c k e r 处于正常的温度范围内。 t t c s ( t r a c k e rt h e r m a l c o n t r o ls y s t e m ，硅微条轨迹探测器热控制系统) 应运而生，它的主要功能就是把在空间轨道上工作的t r a c k e r 的1 9 2 个数据采集 电路所产生的、总共约1 4 4 瓦的热量带走并维持t r a c k e r 的温度高度稳定。中山 大学在参与了a m s 一0 2 项目中t t c s 项目的研制工作，主要包括：建立a m s 一0 2 s o c ( s c i e n c eo p e r a t i o nc e n t e r ，科学运作中心) 以及从事相关的研究工作；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， 并提出相应的解决方案；接收a m s - 0 2 的实验数据等。 根据实现功能性质的不同，a m s 一0 2s o c 分成t t c s 电子、热工和机械三个研 究小组。其中，t t c s 电子小组负责t t c s 系统的关键子系统t t c s 电子控制系统 的研发。t t c s 电子控制系统的主要包括了t t p d 系统( t r a c k e rt h e r m a lp o w e r d i s t r i b u t i o n ，电源功率分配系统) 、t t c e 系统( t 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 ，电子控制) 、j m d c 系统( m i s s i o nc o m p u t e r ，主控制系统) 和e g s e 系统( e l e c t r o n i c sg r o u n ds u p p o r te q u i p m e n t ，地面支持系统) 。 本人在t t c s 电子小组中负责基于工程件的主控板t t e c ( t r a c k e rt h e r m a l e l e c t r o n i c sc o n t r 0 1 ) 的安全模块和地面支持系统e g s e 的设计和实现。其 第1 章绪论 中，t t e c 的安全模块( h e a l t h g u a r d ) 是起着监测系统环境温度以及看护系统设备 作用，是保障系统正常运行的关键，通过安全模块可以实现实时检测系统运行情 况并自动实行保护措施或者提供信息给地面支持系统进行相关安全策略的调整 和控制。而关于地面支持系统e g s e ，本文主要根据功能需求构建软件框架、划 分软件模块以及制定相关通信协议，以综合实现t t c s 主控系统以及地面支持中 心的功能，从而达到使管理员通过用户界面( 地面系统) 对t t c e 进行监测与控制 的目的。 本论文的创新性及意义在于：选题于a m s 一0 2 国际合作项目，此项目的目标 是要寻找宇宙中的反物质和暗物质，这是人类一直未解开的迷题，它是国际太空 站唯一的大型科学实验，也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；而中山大学参与此项目需要多学科的协同工作，将带动一批相关学科进 入国际合作的环境与国际接轨，锻炼和培养我校承担国际最高水平研究的整体能 力，可进一步体现国际一流大型科研项目的组织协调能力，为学校树立起组织攻 关团队承接与完成高水平技术的大型项目的典范；从本论文选题的角度来看， t t c s 系统是第一代磁谱议a m s 0 1 所没有的，因此更具有创新性和挑战性；其中， t t e c 系统的安全模块作为系统的关键部分，必须根据需求缜密考虑各种情况来 进行设计和验证，它的实现是整个系统乃至整个项目顺利进行的保障，而地面支 持系统e g s e 的设计中，所有涉及到的软件框架和模块、通信协议等都需要自行 定义，从而实现对t t c e 系统的调试和控制作用，这对t t c s 系统的研制以及太空 站的主控系统的实现都有很重要的意义。 i 3 论文主要研究工作 由于a m s 一0 2 的设计目标是在国际空间站上稳定的工作3 至5 年，因此作为 t t c s 电子系统的主控板t t e c ，其设计的最终目标是搭建可靠的t t e c 电路系统， 使之能在太空的恶劣环境中正常工作3 到5 年。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、空间环境和返回过程中不同情况的考验，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。因此，在面向工程件的实 现阶段，本论文中t t e c 的安全模块设计特别注重可靠性，保证实时监测t t e c 在 中山大学硕士学位论文面向工程件t t e c 的安全模块与地面支持系统的设计和实现 空间站工作的工作状态环境，即使系统设备在遭受耐高能粒子辐射或者在其他异 常情况下能及时实行相关的保护措施。 对于e g s e ，则基于硅微条主控板t t e c 的工程件的具体功能的设计与实现， 以及其主控系统在t t c s 系统中的实现需求，将目标定位为运行于p c 上的可扩展 的地面控制系统应用和调试平台，其中主要包括软件框架和相关模块、通信协议 和数据转换等的设计和实现。 1 4 论文主要内容 本论文主要通过以下六章进行阐述： 第l 章为绪论，简述了a m s 一0 2 项目的研究背景、意义，以及面向t t c s 系 统工程件主控板t t e c 的安全模块和e g s e 地面支持系统的研究目标。 第2 章从整体到局部介绍了t t c s 系统的相关信息，首先从总体上概括t t c s 系统的作用以及结构，然后分别描述导热系统和电子系统两个子系统的结构框架 和主要功能，最后结合地面支持系统概述t t c s 系统的通信控制模型。 第3 章阐述了面向工程件主控板t t e c 的安全模块的设计与实现，首先介绍 了t t e c 的总体结构，然后就安全模块的设计，详细讲述了功能划分与具体实现， 并给出了相关控制优先级别策略的制定。 第4 章则根据地面支持系统以及t t e c 主控系统在t t c s 系统中的功能和实 际应用，研究了e g s e 系统的软件总体框架和主要功能模块设计，并构建e g s e 系 统与t t e c 的通信模型、定义相关数据格式以及通信协议。 第5 章归纳了本文工作的研究结果，通过仿真、测试从功能级别上验证了安 全模块设计的安全性，并展示了e g s e 系统的研制成果。 第6 章对全文进行了总结，并对后续研究工作进行了展望。 论文最后是有关的参考文献、主要术语列表和致谢。 第2 章t t c s 项目介绍 第2 章t i c s 项目介绍 本章从整体到局部阐述了项目相关信息，首先从总体上简述t t c s 项目的目 标以及系统结构，然后分别介绍了t t c s s s ( t t c ss t a t i o ns e g m e n t ) 的两个子系 统：导热系统和电子系统，最后概括了t i c s 系统内部的通信控制模型。 2 1t t c s 简介 t t c s 系统是一个由荷兰航空航天局、瑞士日内瓦大学、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。 硅微条轨迹探测器( t r a c k e r ) 作为a m s 试验中五大重要探测器之一，在工作 时候会产生不可忽略的热量；然而由于探测器处在空间站的真空环境，没有可以 作为热传导体的空气，电路产生的热量无法通过常用的散热方法及时排出探测器 外部。综合各种方案利弊，a m s 一0 2 采用t t c s 系统外加两相二氧化碳循环冷却通 道的方法进行散热。t t c s 两相二氧化碳冷却系统以两相的二氧化碳作为工作媒 介，通过系统中的冷却回路把在空间轨道上工作的硅微条轨迹探测器的1 9 2 个数 据采集电路所产生的、总共约1 4 4 瓦的热量带走并维持该探测器温度高度稳定。 2 2t i c s 系统结构 在空间站运行的t i c s 系统称为t t c s - - s s ( t t c ss t a t i o ns e g m e n t ) ，它由导 热系统和电子系统两个部分组成，其结构框图如下页图2 一l 所示，左边是导热系 统部分，右边是电子系统部分。 导热系统部分主要由两个导热冷却回路组成，两个回路的结构基本一致。 由图2 1 可见，环路由三部分组成，除了t r a c k e r 设备部分，还有辐射板( r a d i a t o r ) 和控制组件箱t t c b ( t r a c k e rt h e r m a lc o m p o n e n tb o x ) 部分。图的上方经过 t t c b p ( t t c bf o rp r i m a r yl o o p ) 的虚线环路为主回路( p l ，p r i m a r yl o o p ) ，下方 经过t t c b s ( t t c bf o rs e c o n d a r yl o o p ) 的虚线环路为副回路( s l ，s e c o n d a r y 中山大学硕士学位论文面向工程件t t e c 的安全模块与地面支持系统的设计和实现 l o o p ) 。在正常工作时，冷冻的液态二氧化碳被驱动流经t t c b 后进入t r a c k e r 探测器内部，吸收t r a c k e r 中的热量变成汽、液混合的二氧化碳流体，然后经过 t t c b 流入太空辐射板r a d i a t o r ，放热冷却成纯液态的二氧化碳流体流回t t c b 中。如此循环，通过导热冷却回路的不断驱动运转，把t r a c k e r 中的热量带出， 辐射到太空中去。 、 r a d 谴r ，：i _ t 1 t t - c r a t e l 一eu 二= =； 卜i t r 佃p 卜彳 1 一zi h ” 自口h 尺 t i i 。b sir 、 ，_ j 0 厮j ! 卿印l i 一 图2 - 1t t c s s s 总体结构示意图 图2 1 的右边部分则表示了t t c s 电子控制系统的结构，主要由3 大部分组 成，包括了：z z c r a t e ，即t t c s 电子控制和接口箱，其内放置了互为备份的t t c e a 和t t c eb ；j c r a t e ，主控制计算机箱，里面放置四台j m d c ；t t p b ，即t t c s 电源箱，用于放置t t p d ，并与a m s 主电源箱p d b ( p o w e rd i s t r i b u t i o nb o x ) 相连。 电子控制系统负责导热冷却回路的工作状态监测和控制，通过检测导热回路中各 个关键点的温度和压力，作出相应的控制策略，控制导热系统中的各个设备，使 得冷却回路正常运行。 由上述结构可见，t t c s 的结构设计考虑了可靠性和稳定性的需要，导热系 统和电子系统都使用了主、副结构，互为冗余，即当一个系统运行时，另外一个 作冷备份。如果正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，从而 提高整个系统的可靠性。具体来说，导热系统和电子系统的双冗余连接关系如下 页图2 - 2 所示，电子系统t t c ea 和t t c eb 都可以控制导热主回路p r i m a r yl o o p 和副回路s e c o n d a r yl o o p 的运行，但要注意绝对禁止同时启动两个回路，这个 协调工作由地面系统e g s e 来实现。当t t c ea 运行时，如果主热控组件箱t t c b p 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 yl o o p 上的a - e q u i p m e n t 接替工作；而当t t c ea 运 7 第2 章t t c s 项目介绍 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 eb 运行模式中，接替 t t c ea 的工作，通过b - e q u i p m e n t 控制和监测回路，让t t c s 系统继续正常运行。 可见t t c s 系统是一个可靠性良好的双冗余系统。 图2 2t t c s 子系统连接关系图 下面具体介绍一下导热系统与电子控制系统的结构和工作原理。 2 2 1 导热系统 正如前文所述，t t c s 导热系统由两个回路组成：主回路( p r i m a r yl o o p ) 和 副回路( s e c o n d a r yl o o p ) ，两个回路的结构基本一样。区别只在于：在主回路中 有用于实验测试的阀( v a l v e ) 以及流量计l f m ( l i q u i df l o wm o n i t o r ) ，而副回路 中没有。由主回路的结构图( 下页图2 3 ) 可见，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 t 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 u m p ) ，加热器( h e a t e r ) ，制冷 器( p e l t i e r ) 等器件加上导热管道构成。另外，导热管道上装有温度传感器，压 力传感器等用以检测回路的运行状况。 下面按照所处位置的不同，把器件划分成两类来进行介绍： 一类是在t t c b p 器件箱内部的器件，主要是起储存液体、驱动液体流动、 控制温度、压力等作用，具体组成有：p u m p ，泵，负责带动液体在回路中流动； a c u ( a c c u m u l a t o r ) 储液器，负责缓存二氧化碳液体和进行温度调节，它是整个热 循环系统的核心器件，通过控制a c u 的温度可以控制回路中的液体压力，从而控 制蒸发器中二氧化碳的温度，进而控制t r a c k e r 的温度；a c up e l t i e r ，作为a c u 上的制冷器，作用是在a c u 温度过高的时候进行制冷，控制校正a c u 温度；a c u h e a t e r ，即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加热， 中山大学硕士学位论文面向工程件t r e c 的安全模块与地面支持系统的设计和实现 图2 - 3t t c s 冷却导热主回路示意图 以防产生气体进入p u m p 中损坏器件，同时它也起控制校正a c u 温度的作用： v a l v e ，阀门，负责控制流向r a m 和w a k e 两块辐射板汽液混合体的流量分布，从 而控制二氧化碳汽液压力；h x ( h e a te x c h a n g e r ) 换热器，让进入t r a c k e r 前冷冻 的液态二氧化碳和从t r a c k e r 出来的汽液两相的二氧化碳进行热量交换，减少 p r e h e a t e r 在预热即将进入t r a c k e r 的过冷液体时消耗的能量，从而提高系统工 作效率；a p s ( a b s o l u t ep r e s s u r es e n s o r ) ，绝对压力计，用于测量p u m p 入口压 力；d p s ( d i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o r ) ，差分压力计，用于测量p u m p 两端的 压力；l f m ，流量计，用于测量流量。 另一类器件放置在t t c b p 器件箱外部，包括了：p r e h e a t e r ，预热器，负责 加热即将进入t r a c k e r 的二氧化碳液体，使其达到饱和点：e v a p o r a t o r ，蒸发器， 使二氧化碳流体汽化，起吸收t r a c k e r 的电路产生的多余热量的作用；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 的汽液两相二氧化碳流体把热量转移到辐射板 上辐射出去，并冷却成纯液体。 导热回路的工作原理是：通过泵的带动，冷冻的液态二氧化碳进入热交换器 h x ，和从t r a c k e r 出来的高温的汽液两相二氧化碳交换热量；然后流出t t c b p ， 经过预热器p r e h e a t e r 预热后变成饱和的液态二氧化碳流入t r a c k e r 探测器内 部，通过蒸发器e v a p o r a t o r 进行蒸发同时吸收t r a c k e r 电路产生的热量，部分 9 第2 章t t c s 项目介绍 二氧化碳液体汽化；高温的汽液混合流体流出t r a c k e r ，然后经过热交换器h x ， 和冷冻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；通过 冷凝器c o n d e n s e r 冷却成纯液体流回t t c b p 中，经过阀门开关后汇成一路再流入 泵 5 - 6 ，如此循环，通过两相二氧化碳带走t r a c k e r 内部多余的热量，从而达 到保持其温度稳定的目的。 2 2 2 电子系统 t t c s 中的电子系统主要实现对两个导热冷却回路工作状况的监视和控制， 它由三部分组成： 1 t t c r a t e ，即t t c s 电子控制和接口箱，主要包含t t c ea 、t t c eb 两套冗余 设备，任一套t t c e 设备都与热控制元件箱t t c b p 和t t c b s 相连。作为t t c s 系统 中关键的前端控制部分，t t c e 的主要功能在于：连接温度、压力传感器如d s l 8 2 0 、 p t l 0 0 0 ，差分压力计等，实现回路的状态数据的监测；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器件，包括h e a t e r 、p e l t i e r 、v a l v e 和p u m p 等，实现 对回路的低级控制；和j m d c 通过c a n 总线通信，接收j m d c 的指令执行高级回路 控制，或者根据j m d c 的要求发送相关数据和状态参数。 图2 4t t c e 板间连接不意图 如图2 - 4 ，t t c e 由t t e c 、t t e i 、t t p v 、t t p t 和t t b p 组成。t t e c ( t r a c k e rt h e r m a l e l e c t r o n i c sc o n t r 0 1 ) ，主控电路板，作为t t c e 的核心电路板，负责数据的采 集、处理和控制其他附属板；t t e i ( t r a c k e rt h e r m a le l e c t r o n i c si n t e r f a c e ) ， 弱电强电接口板，负责把t t e c 的控制信号转换成对加热器，制冷器的功率调节； t t p v ( t r a c k e rt h e r m a lp u m pv a l v ec o n t r 0 1 ) ，泵和阀门控制板；t t p t ( t r a c k e r t h e r m a lp t l 0 0 0i n t e r f a c e ) ，传感器接口板，作为数据采集板，数据采集后送 t t e c 处理；t t b p ( t r a c k e rt h e r m a lb a c kp l a n e ) ，背板，采用v m e 背板设计标 准，把上述的电路板连接起来。 1 0 中山大学硕士学位论文面向工程件t t e c 的安全模块与地面支持系统的设计和实现 2 j - c r a t e ，即主控制计算机箱，主要包含了4 台j m d c ( m a i nd a t a a c q u i s i t i o n c o m p u t e r ，a m s 主数据采集计算机) ，并以c a n 通道与t t c r a t e 中的t t c e 进行 连接，通过约定的通信协议实现t t c e 高级回路控制的功能。 图2 5a m s 一0 2 数据采集体系 真正的j m d c ( m a i nd a t aa c q u i s i t i o nc o m p u t e r ，a m s 主数据采集计算机) ， 是基于p o w e r p c 技术体系构建的硬件平台，并运行着h a r d h a tl i n u x 嵌入式操作 系统。j m d c 主要用于采集数据，并在整个a m s 一0 2 数据采集体系处于最高层次的 地位( 如图2 - 5 ) 。a m s 一0 2 采用四层数据采集体系，共有3 0 0 多个计算节点。首先 是第一层c d p ( c o m m o nd i g i t a lp a r t ，前端数据采集) 模块，使用s d r ( s e n s o rd a t a r e d u c t i o n ，传感器数据采集) 、x d r ( d e t e c t o rd a t ar e d u c t i o n ，探测器数据采 集) 节点等从前端采集数据；然后是第二层低级c d d c ( c o m m a n dd i s t r i b u t o ra n d d a t ac o n c e n t r a t o r ，命令发布和数据集中) 模块，采用j i n f ( i n t e r m e d i a t en o d e s c o n n e c t e dt of r o n t - e n dn o d e s ，连接前端节点的中间节点) 节点从第一层c d p 模块的节点采集数据；接着是第三层的高级c d d c 模块，采用j i n j ( i n t e r m e d i a t e n o d e sc o n n e c t e dt oj m d c ，连接j m d c 的中间节点) 从第二层c d d c 模块中j i n f 节点及第一层c d p 模块中部分节点采集数据；最后是第四层主数据采集计算机， 其中j m d c 节点直接从第三层c d d c 模块中j i n j 节点获取数据，并再进行后续的 数据处理、数据汇总和上报操作 7 - 9 。 出于冗余性和安全性的考虑，在主控制计算机箱j - c r a t e 中，同时放置了四 台j m d c 计算机。每台j m d c 主要包括：j s b c ( s i n g l eb o a r dc o m p u t e r ，单板计算 第2 章t t c s 项目介绍 机) 模块，基于p o w e r p c7 5 0 芯片集构建，用作数据处理；j b u ( m e m o r yb u f f e r ， 内存) 模块，可提供2 g 字节空间的数据存储：三种接口模块，通过不同的数据通 道跟系统其他部分进行通讯，包括c a n 通道的t i mc a n 模块、a m s w 和1 5 5 3 通道 的j i m - a m s w & 15 5 3 模块、用h r d l 和r s 4 2 2 通道的7 i m - h r d l 4 2 2 模块。j - c r a t e 中同时包括了两个外部通信模块：j h i f ( h i g h r a t ei n t e r f a c e ，高速接口) ，用 作与外界传输高速数据的接口；j l i f ( l o w r a t ei n t e r f a c e ，低速接口) ，用作与 外界传输低速数据的接口( 如图2 - 6 ) 。 图2 - 6j - c r a t e 硬件结构 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 r i b u t i o nb o x ) 相 连，里面放置两套独立的t t p d 给t t c r a t e 中的两套t t c e 分别供电。t t p d 可以 单独打开t t c ea 或t t c eb 的电源或同时打开两套电源使它们协调工作 1 0 。 2 3t t c s 系统控制模型 下页的图2 7 给出了t t c s s s ( t t c ss t a t io ns e g m e n t ) 系统结构与地面支持 系统的连接关系。t t c sg r o u n d 为地面控制中心，可以j m d c 进行通信；f f m d c 为 t t c s s s 的主控制计算机，可以与地面控制中心通信，并根据地面系统的指令协 中山大学硕士学位论文 面向工程件r r e c 的安全模块与地面支持系统的设计和实现 调控制t t c ea 和t t c eb 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 r i m a r yl o o p 和s e c o n d a r yl o o p ) 的正常运转。 图2 7t t c s 电子系统( t t c s s s ) 结构示意图 整个t t c s 系统可以分成3 个级别的控制，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( 图2 8 ) 。控制级别最高的是地面控 制系统，它通过卫星通信发送遥控指令g r o u n d t c 到j m d c 系统中进行控制，并 接收j m d c 返回的数据信息7 m d c t m ，从而对t t c s 的运行状态进行分析并得出下 一步的控制策略；j m d c 系统作为中间级别的控制系统，一方面通过与地面系统 的通信，接收g r o u n d t c 指令和回送j m d c t m 信息，另一方面通过c a n 总线与 t t e c 通信，发送控制指令j m d c t c 和接收返回的t t e c t m 信息；t t e c 作为前端 的控制板，除了根据接收到的j m d c t c 控制指令执行高级回路控制以外，其自身 也要自动执行低级回路控制和h e a l t h g u a r d 控制等保持导热冷却系统的稳定运 行，并以t t e c t m 的形式把相关数据信息返回给j m d c 。 图2 - 8 通信控制模型 综上所述，t t c s 系统从三个级别上实现对导热系统的控制，提高了系统的 可靠性和稳定性。 第3 章t t e c 安全模块的设计与实现 第3 章t t e o 安全模块的设计与实现 本章阐述了面向工程件t t e c 的安全模块的设计与实现。首先概述了t t e c 结构及安全模块在其中的地位，然后简单介绍了f p g a 特点以及其设计方法，并 研究了安全模块的设计与实现，最后给出了相关的控制策略设计。 3 1t t e c 的功能结构及数据流图 t t e c 主要实现数据采集、处理和控制的功能，具体可以划分成数据采集接 口模块、回路控制输出接口模块、数据处理模块、j m d c 命令解释模块、数据封 装模块、c a n 通信接口模块等。如图3 - 1 所示，t t e c 一3 m d cc o m m u n i c a t i o n 模块 即c a n 通信模块，主要负责t t e c