硅微条探测器热控电子系统设计、实现及性能

摘要

本论文选题来自广东省人民政府科技专项和科技部国际科技合作重点项目计划(2003DF000050)资助的“阿尔法磁谱仪(Alpha MagneticSpectrometer，AMS)轨迹探测器热控制系统(Tracker Thermal ControlSystem，TTCS)的研制”项目。第二代阿尔法磁谱仪项目是由著名美籍华裔科学家丁肇中教授领导的一个大型国际科研合作项目。其中硅微条轨迹探测器是阿尔法磁谱仪中的关键组件，对其进行热控制和热传导是硅微条探测器热控制系统的设计目的。由于太空环境的复杂性，空间轨道上热参数在不断地改变，如何在动态环境下实现对硅微条探测器稳定地控温，不仅要求有一套精密的导热组件作为硬件平台，还要有稳定的电子系统对这一平台进行综合监控和管理。 硅微条探测器热控电子系统(Tracker Thermal Control systemElectronics，TTCE)的研制遵循“从上向下设计，自下往上综合”的这一设计理念，首先规划了监控体系结构和监控层次，并对系统进行功能分配和合理布局，对TTCE划分为三个子板进行分别设计与实现，其中控制板(Tracker ThermalElectronic Control，TTEC)承担着通信联接、数据获取、控制实现及自保护策略实施等关键任务，故文中重点对TTEC进行了详细研究和设计。 TTEC中整体设计采用“MCU+2FPGA”这一处理器架构模型，并基于此而展开硬件设计；软件设计定义了AMS-TTCS-CAN应用层协议，并给出了软件重注入技术的实现方法；固件设计中为解决多模块多器件共访外部存储器存在的总线竞争问题，设计了总线仲裁器；通信设计中设计并基于固件实现了AMS-TTCS-CAN传输层；数据获取给出了两种温度传感器采集的固件实现，控制部分以PI和开关控制算法来满足不同控制需求；并设计了多级自保护策略以确保系统工作安全。整体测试分别基于虚拟热控回路和空间热控回路原型件进行。虚拟热控回路的搭建采用虚拟传感器与虚拟负载作为硬件平台，以MODELICA/MATLAB为仿真语言，基于LABVIEw开发了算法与硬件平台的数据交互接口。以虚拟和空间热控回路原型件为监控对象，对TTCE进行了整体测试，测试数据和结果验证了其设计性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1 AMS-02项目起源

1.1.2 AMS-02简介

1.1.3硅微条轨迹探测器结构、原理

1.2研究现状

1.2.1空间热控制方式

1.2.2空间电子智能控制系统设计

1.2.3 CAN总线在航天、空间控制系统中的应用

1.3本论文研究工作内容

1.4本论文研究意义

1.5本论文内容概要

第2章硅微条轨迹探测器热控制系统

2.1 TTCS总体结构

2.2 TTCS 工作原理

2.3 TTCS热控回路关键组件

2.4本章小结：

第3章硅微条轨迹探测器热控系统监控体系及电子系统总体设计

3.1 TTCS系统监控体系结构和层次模型

3.1.1监控层次结构

3.1.2工作模式

3.2 TTCE总体设计

3.2.1 TTCE设计需求分析

3.2.2总体设计

3.2.3驱动板和接口板设计

3.3本章小结

第4章主控板(TTEC)设计、实现及验证

4.1总体设计

4.1.1 TTEC功能需求分析

4.1.2系统处理器架构的选型

4.1.3 TTEC总体结构

4.2硬件设计

4.2.1器件选型研究

4.2.2硬件设计

4.3软件设计

4.3.1软件总体设计简介

4.3.2应用层协议定义

4.3.3程序在轨道重注入的研究与实现

4.4固件设计

4.4.1 FPGA固件总体设计

4.4.2多端共访外部存储器的总线仲裁器的实现

4.5通信联接

4.5.1通信架构

4.5.2 AMS-TTCS-CAN协议规范和定义

4.5.3硬件实现

4.5.4双冗余的切换

4.5.5仿真

4.5.6功能验证

4.6数据获取

4.6.1数字温度传感器数据获取

4.6.2 RTD温度传感器数据采集

4.7控制实现

4.7.1 PI控制算法固件实现

4.7.2 ON/OFF控制模块

4.7.3直接指令控制

4.8低层安全自保护策略

4.8.1 低层自保护策略总体描述

4.8.2硬件实现

4.9本章小结

第5章整体联调与性能分析

5.1基于虚拟热控回路系统功能验证

5.1.1虚拟测试环境总体架构

5.1.2虚拟负载和虚拟传感器

5.1.3仿真实现算法研究

5.1.4基于虚拟回路的系统初步联调

5.2基于真实热控回路的性能测试

5.2.1测试环境简介

5.2.2测试流程和测试数据分析

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.1.1 TTCE VS USCM

6.1.2本论文设计关键点：

6.1.3本论文设计创新点：

6.1.4结论

6.2展望：

参考文献

附录一：相关媒体报道及测试现场图

附录二：缩略词目录

附录三：攻读博士期间所发论文列表

致谢

原创性声明