箭上电气设备的供电和通信装置、系统的制作方法

1.本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种箭上电气设备的供电和通信装置、系统。


背景技术：

2.火箭上的电气设备一般包含控制系统和遥测系统，其中控制系统通常包含伺服子系统、箭载计算机或综控机、惯性系统、导航子系统、姿控子系统等，各子系统一般均包含控制单机。遥测系统通常包含遥测发射机、遥控接收机等设备，另外箭上还根据需要包含安控器、数据采集系统等其他单机设备。
3.箭上的单机设备均需要进行供电，同时箭载计算机或综控机作为箭上控制核心，一般会将箭上各种状态和指令信息进行融合和解算，根据控制算法得到控制指令，控制箭上相关设备的工作。故箭载计算机或综控机一般均会和箭上其他单机进行通讯，箭上各单机之间也可能存在信息交互，即箭上各单机均存在供电和通信需求，而传统做法是通过箭上电缆网，完成加上设备的供电和通信；由于涉及单机设备较多，故造成箭上电缆网拓扑结构复杂、质量重、装配难度大等突出弊端。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种箭上电气设备的供电和通信装置、系统，解决现有技术中用于供电和通信的电缆网结构复杂、质量重装配难度大的问题，利用单根网线可实现箭上信号的传输和供电控制，在保证通信质量的前提下，节省了供电传输的相关线缆，使得设备之间的连接关系更简洁，降低了箭上电缆网的复杂度。
5.第一方面，本发明提供一种箭上电气设备的供电和通信装置，所述供电和通信装置包括：供电控制器、受电控制器和隔离变压模块；所述供电控制器的输入端使用时与供电设备的电源端相连，所述供电控制器的输出端与所述隔离变压模块相连；所述受电控制器的输入端与所述隔离变压模块相连，所述受电控制器的输出端使用时与受电设备的电源端相连；所述隔离变压模块包括第一接口变压器、第二接口变压器、第三接口变压器和第四接口变压器，所述第一接口变压器的原边和所述第二接口变压器的原边使用时与供电设备的通信端相连，所述第一接口变压器的副边通过网线与所述第三接口变压器的原边相连，所述第二接口变压器的副边通过网线与所述第四接口变压器的原边相连，所述第一接口变压器的副边中心抽头端与所述供电控制器的第一输出端相连，所述第二接口变压器的副边中心抽头端与所述供电控制器的接地端相连；所述第三接口变压器的副边和所述第四接口变压器的副边使用时与受电设备的通信端相连，所述第三接口变压器的原边中心抽头端与所述受电控制器的电源输入端相连，所述第四接口变压器的原边中心抽头端与所述受电控制器的接地端相连。
6.可选地，所述隔离变压模块还包括：第五接口变压器、第六接口变压器、第七接口变压器和第八接口变压器；所述第五接口变压器的原边和所述第六接口变压器的原边使用时与供电设备的通信端相连，所述第五接口变压器的副边通过网线与所述第七接口变压器
的原边相连，所述第六接口变压器的副边通过网线与所述第八接口变压器的原边相连，所述第五接口变压器的副边中心抽头端与所述供电控制器的接地端相连，所述第六接口变压器的副边中心抽头端与所述供电控制器的第二输出端相连；所述第七接口变压器的副边和所述第八接口变压器的副边使用时与受电设备的通信端相连，所述第七接口变压器的原边中心抽头端与所述受电控制器的电源输入端相连，所述第八接口变压器的原边中心抽头端与所述受电控制器的接地端相连。
7.可选地，所述供电和通信装置还包括：第一整流电路，所述第一整流电路的第一输入端与所述第三接口变压器的原边中心抽头端相连，所述第一整流电路的第二输入端与所述第四接口变压器的原边中心抽头端相连，所述第一整流电路的第一输出端与所述受电控制器的电源输入端相连，所述第一整流电路的第二输出端与所述受电控制器的接地端相连。
8.可选地，所述供电和通信装置还包括：第二整流电路，所述第二整流电路的第一输入端与所述第七接口变压器的原边中心抽头端相连，所述第二整流电路的第二输入端与所述第八接口变压器的原边中心抽头端相连，所述第二整流电路的第一输出端与所述受电控制器的电源输入端相连，所述第二整流电路的第二输出端与所述受电控制器的接地端相连。
9.可选地，所述供电和通信装置还包括：第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述供电控制器的第一输入端相连；第一mos管，所述第一mos管的源极与所述第一电阻的第二端相连，所述第一mos管的栅极与所述供电控制器的第一控制端相连，所述第一mos管的漏极与所述供电控制器的第一输出端相连。
10.可选地，所述供电和通信装置还包括：第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述供电控制器的第二输入端相连；第二mos管，所述第二mos管的源极与所述第二电阻的第二端相连，所述第二mos管的栅极与所述供电控制器的第二控制端相连，所述第二mos管的漏极与所述供电控制器的第二输出端相连。
11.可选地，所述供电和通信装置还包括：第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一整流电路的第一输出端相连，所述第一电容的第二端与所述第一整流电路的第二输出端。
12.可选地，所述供电和通信装置还包括：稳压模块，所述稳压模块的输入端与所述受电控制器的输出端相连，所述稳压模块的输出端使用时与所述受电设备的电源端相连。
13.可选地，所述稳压模块包括：稳压管理芯片，所述稳压管理芯片的第一端与所述受电控制器的输出端相连；第二电容，所述第二电容的正极端与所述受电控制器的输出端相连，所述第二电容的负极端接地；电感，所述电感的第一端与所述稳压管理芯片的第二端相连，所述电感的第二端与所述受电设备的电源端相连；整流二极管，所述整流二极管的阴极与所述稳压管理芯片的第二端相连，所述整流二极管的阳极接地；第三电容，所述第三电容的正极端与所述电感的第二端相连，所述第三电容的负极端接地。
14.第二方面，本发明提供一种箭上电气设备的供电和通信系统，所述供电和通信系统包括：箭载计算机、遥测装置、姿控装置、惯组、伺服控制器和上述的箭上电气设备的供电和通信装置；其中，所述箭载计算机通过所述供电和通信装置分别与所述遥测装置、所述姿控装置、所述惯组和所述伺服控制器相连。
15.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
16.本发明通过隔离变压模块使供电控制器和受电控制器进行耦接，从而实现通过网线完成箭上供电设备和其他设备的通信，同时还能实现供电设备给其他受电设备进行供电，即利用单根网线可实现箭上信号的传输和供电控制；由于通信传输的信号为差分信号，故通过供电控制器给信号线上增加供电偏置，相当于增加共模干扰，故该供电方式不影响两者之间的网络通信；同时，在后端的受电设备中增加受电控制器用于接收供电设备的供电输入，其供电过程不影响信号的可靠传输，因此本发明在保证通信质量的前提下，节省了供电传输的相关线缆，使得设备之间的连接关系更简洁，降低了箭上电缆网的复杂度。
附图说明
17.图1所示为本技术实施例提供的一种箭上电气设备的供电和通信装置的结构示意图；
18.图2所示为本技术实施例提供的另一种箭上电气设备的供电和通信装置的结构示意图；
19.图3所示为本技术实施例提供的一种箭上电气设备的供电和通信系统的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.实施例一
22.图1所示为本技术实施例提供的一种箭上电气设备的供电和通信装置的结构示意图，如图1所示，所述箭上电气设备的供电和通信装置包括：
23.供电控制器、受电控制器和隔离变压模块；
24.所述供电控制器的输入端使用时与供电设备的电源端相连，所述供电控制器的输出端与所述隔离变压模块相连；所述受电控制器的输入端与所述隔离变压模块相连，所述受电控制器的输出端使用时与受电设备的电源端相连；
25.所述隔离变压模块包括第一接口变压器t1、第二接口变压器t2、第三接口变压器t3和第四接口变压器t4，所述第一接口变压器t1的原边和所述第二接口变压器t2的原边使用时与供电设备的通信端相连，所述第一接口变压器t1的副边通过网线与所述第三接口变压器t3的原边相连，所述第二接口变压器t2的副边通过网线与所述第四接口变压器t4的原边相连，所述第一接口变压器t1的副边中心抽头端5与所述供电控制器的第一输出端相连，所述第二接口变压器t2的副边中心抽头端5与所述供电控制器的接地端相连；所述第三接口变压器t3的副边和所述第四接口变压器t4的副边使用时与受电设备的通信端相连，所述第三接口变压器t3的原边中心抽头端5与所述受电控制器的电源输入端相连，所述第四接口变压器t4的原边中心抽头端5与所述受电控制器的接地端相连。
26.需要说明的是，箭上的电气设备包括但不限于伺服控制器、箭载计算机、惯组、姿
控、遥测接收机，各设备的功能相互独立，但均和箭载计算机进行通信，由箭载计算机监控和控制各电气设备的工作；根据设计思路不同，箭上还可能包含单独的供电控制和管理的设备，该设备实现了其他单机的供电管控。本实施例中，利用有源以太网(poe，power on ethernet)和工业以太网的思想和方法，通过网线完成箭上计算机和其他单机的通信，同时给其他单机进行供电，即利用单根网线可实现信号传输和供电控制；其中箭载计算机作为供电设备，遥测系统、惯组等作为受电设备，供电设备是为poe系统的客户端设备供电，同时也是整个poe以太网供电过程的管理者，而受电设备是接受供电的负载，即poe系统的客户端设备。
27.在实际应用中，受电设备和供电设备通过本实施例中的箭上电气设备的供电和通信装置进行电连接和通信连接，如图1所示，供电控制器通过千兆网口的2对差分通信线与受电控制器相连，若供电控制器在第一接口变压器的副边中心抽头端5增加 48v的电平(可以为其他合适的电压值)，第二接口变压器的副边中心抽头端5接地，由于每一个接口变压器输出的均为差分信号，即最终第一接口变压器的副边引脚3和副边引脚4的信号作差，可将在信号上共同增加的 48v电平处理掉，得到正常的通信信号并将通信信号传输到第三接口变压器的原边引脚1和原边引脚2中；同理，第二接口变压器的副边引脚3和副边引脚4脚间通信信号也可正常传输到第四接口变压器的原边引脚1和原边引脚2中；而在2对差分通信线之间增加了48v的电平差，也就是第三接口变压器的原边中心抽头端与第四接口变压器的原边中心抽头端之间有48v的电平差，可以通过受电控制器为后级的受电设备的供电。其中，本实施例是利用接口变压器的中间抽头来加载或获取供电能量。
28.相比于现有技术，本实施例具有如下有益效果：
29.本实施例通过隔离变压模块使供电控制器和受电控制器进行耦接，从而实现通过网线完成箭上供电设备和其他设备的通信，同时还能实现供电设备给其他受电设备进行供电，即利用单根网线可实现箭上信号的传输和供电控制；由于通信传输的信号为差分信号，故通过供电控制器给信号线上增加供电偏置，相当于增加共模干扰，故该供电方式不影响两者之间的网络通信；同时，在后端的受电设备中增加受电控制器用于接收供电设备的供电输入，其供电过程不影响信号的可靠传输，因此本实施例在保证通信质量的前提下，节省了供电传输的相关线缆，使得设备之间的连接关系更简洁，降低了箭上电缆网的复杂度。
30.实施例二
31.图2所示为本技术实施例提供的另一种箭上电气设备的供电和通信装置的结构示意图，如图2所示，基于实施例一，所述隔离变压模块还包括：
32.第五接口变压器t5、第六接口变压器t6、第七接口变压器t7和第八接口变压器t8；
33.所述第五接口变压器t5的原边和所述第六接口变压器t6的原边使用时与供电设备的通信端相连，所述第五接口变压器t5的副边通过网线与所述第七接口变压器t7的原边相连，所述第六接口变压器t6的副边通过网线与所述第八接口变压器t8的原边相连，所述第五接口变压器t5的副边中心抽头端5与所述供电控制器的接地端相连，所述第六接口变压器t6的副边中心抽头端5与所述供电控制器的第二输出端相连；所述第七接口变压器t7的副边和所述第八接口变压器t8的副边使用时与受电设备的通信端相连，所述第七接口变压器t7的原边中心抽头端5与所述受电控制器的电源输入端vin相连，所述第八接口变压器t8的原边中心抽头端5与所述受电控制器的接地端相连。
34.在本实施例中，所述供电和通信装置还包括：第一电阻r1，所述第一电阻r1的第一端与所述供电控制器的第一输入端相连；第一mos管q1，所述第一mos管q1的源极与所述第一电阻r1的第二端相连，所述第一mos管q1的栅极与所述供电控制器的第一控制端gatea相连，所述第一mos管q1的漏极与所述供电控制器的第一输出端outa相连。
35.在本实施例中，所述供电和通信装置还包括：第二电阻r2，所述第二电阻r2的第一端与所述供电控制器的第二输入端相连；第二mos管q2，所述第二mos管q2的源极与所述第二电阻r2的第二端相连，所述第二mos管q2的栅极与所述供电控制器的第二控制端相连，所述第二mos管q2的漏极与所述供电控制器的第二输出端outb相连。
36.在本实施例中，为了提高供电和通信的可靠性，本实施例中设置两对通信和供电线路，如图2所示，第一接口变压器t1、第二接口变压器t2、第三接口变压器t3和第四接口变压器t4组成第一对通信和供电线路，第五接口变压器t5、第六接口变压器t6、第七接口变压器t7和第八接口变压器t8组成第二对通信和供电线路，通过供电控制器控制第一mos管和第二mos管的工作状态来实现第一对通信和供电线路和第二对通信和供电线路的切换；例如，供电控制器的第一控制端gatea输出高电平，所述供电控制器的第二控制端gateb输出低电平，则第一mos管导通，第二mos管截止，从而使供电控制器的第一输出端输出电压到第一接口变压器的副边中心抽头端，则所述供电控制器选择第一对通信和供电线路；因此当供电控制器检测到当前工作的通信和供电线路出现故障时，则可切换到另外一路线路进行通信和供电，提升了系统的可靠性。
37.实施例三
38.如图2所示，基于实施例一或实施例二，所述供电和通信装置还包括：第一整流电路，所述第一整流电路的第一输入端与所述第三接口变压器t3的原边中心抽头端5相连，所述第一整流电路的第二输入端与所述第四接口变压器t4的原边中心抽头端5相连，所述第一整流电路的第一输出端与所述受电控制器的电源输入端vin相连，所述第一整流电路的第二输出端与所述受电控制器的接地端gnd相连。
39.基于实施例二，所述供电和通信装置还包括：第二整流电路，所述第二整流电路的第一输入端与所述第七接口变压器t7的原边中心抽头端5相连，所述第二整流电路的第二输入端与所述第八接口变压器t8的原边中心抽头端5相连，所述第二整流电路的第一输出端与所述受电控制器的电源输入端vin相连，所述第二整流电路的第二输出端与所述受电控制器的接地端gnd相连。
40.需要说明的是，所述第一整流电路和所述第二整流电路用于将第一对通信和供电线路和所述第二对通信和供电线路输出的交流电整流成直流电压；其中所述第一整流电路包括第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极d3和第四二极管d4组成的整流桥，所述第二整流电路包括第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极d7和第八二极管d8组成的整流桥，具体连接关系如图2所示。在本实施例中，在受电控制端增加二极管整流桥可提升产品的适应性，也增加了系统的可靠性。
41.在本实施例中，所述供电和通信装置还包括：第一电容c1，所述第一电容c1的第一端与所述第一整流电路的第一输出端相连，所述第一电容c1的第二端与所述第一整流电路的第二输出端；其中，所述第一电容c1用于对所述整流电路输出的直流电进行滤波。
42.在本实施例中，所述供电和通信装置还包括：稳压模块，所述稳压模块的输入端与
所述受电控制器的输出端vout相连，所述稳压模块的输出端使用时与所述受电设备的电源端相连。其中，所述稳压模块包括：稳压管理芯片，所述稳压管理芯片的第一端与所述受电控制器的输出端相连；第二电容，所述第二电容的正极端与所述受电控制器的输出端相连，所述第二电容的负极端接地；电感，所述电感的第一端与所述稳压管理芯片的第二端相连，所述电感的第二端与所述受电设备的电源端相连；整流二极管，所述整流二极管的阴极与所述稳压管理芯片的第二端相连，所述整流二极管的阳极接地；第三电容，所述第三电容的正极端与所述电感的第二端相连，所述第三电容的负极端接地。
43.实施例四
44.图3所示为本技术实施例提供的一种箭上电气设备的供电和通信系统的结构示意图，如图3所示，所述供电和通信系统包括：箭载计算机、遥测装置、姿控装置、惯组、伺服控制器和上述实施例的箭上电气设备的供电和通信装置；其中，所述箭载计算机通过所述供电和通信装置分别与所述遥测装置、所述姿控装置、所述惯组和所述伺服控制器相连。
45.需要说明的是，本发明中箭载计算机在原通信核心的基础上增加其他供配电管控的功能。具体地，利用有源以太网(poe，power on ethernet)和工业以太网的思想和方法，通过网线完成箭上计算机和其他单机的通信，同时给其他单机进行供电，即利用单根网线可实现信号传输和供电控制。另外，除箭载计算机外，其他单机之间并无直接供电和通信连接，故该方案的硬件特点决定了各单机设备之间通信和供电均相互隔离，能够保证单个设计的故障不影响其他设备的正常工作，尤其是其他设备故障不影响箭上核心——箭载计算机的可靠运行，进一步增强系统的可靠性。本实施例提供的一种箭上电气设备的通信和供电系统，可以简化箭上的设备连接、提高系统可靠性、缩短装配时间。如图3所示，根据本发明的设计思路，以箭载计算机为核心，将传统的箭上单机间的通信如rs
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422通信或can通信等，统一为基于已千兆网线为传输介质的工业以太网通信，并通过有源以太网设计方法的应用实现各单机的供配电管理。具体地，在供电设备如箭载计算机接口端增加供电控制器用于给网线上增加供电偏置，从而给后端的单机设备供电。由于通信传输的信号为差分信号，故给信号线上增加供电偏置，相当于增加共模干扰，故该供电方式不影响两者之间的网络通信。同样，在后端的受电设备中增加受电控制器用于接收箭载计算机的供电输入，并将该电源供给后一级的dc/dc转换器，进一步转换得到板上实际需要的具体电压值，其供电过程不影响信号的可靠传输。这样在保证通信质量的前提下，节省了供电传输的相关线缆，使得系统连接关系更简洁，降低了箭上电缆网的复杂度。
46.需要说明的是，本发明利用一根网线完成箭上设备之间的高速通信和供配电管理，以传统的箭载计算机为箭上设备的控制核心，利用网线实现与其他单机的信息交互和单机的供配电管理，即箭载计算机可以管控其他设计的上电，并和网络其他单机进行通信，采集其他单机的状态信息和发出控制指令。箭上其他单机间存在通信和供电的需求也可采用该方法实现；由于poe网络的标准不同其带负载的能力也不同，实施时可根据受电端设备的功耗开展相关器件选型和电路设计工作，方案实施建议按照ieee802.3bt标准进行，其负载端可支持最大71.5w的功率设备，可以满足传统的箭上设备的控制供电需求；由于火箭或导弹等设备对于可靠性要求较高，故设备间的接口可采用并行冗余设计，进一步提升系统可靠性；设备间的连接优先选用加固网口、七类及以上的网线，这样可靠有效地保证单机的供电和通信信号传输的可靠性；为保障通信的可靠性，箭载计算机和其他单机间的通信优
先选用可靠性更高、抗噪声能力更强的工业以太网通信协议，如etherccat、profinet等；在本实施例中箭上其他单机的接口端二极管电路，可优化调整为场效应管电路，这样可以降低二极管上的功耗损失，保障单机产品电路的供电需求；网络接口rj45型标准接口，可选用军用屏蔽加固型网络连接器，该类网络连接器连接方式一般为卡口或三头螺纹式连接，具有高可靠性、耐环境性和抗振动冲击性和防水等级较高等突出特点，可进一步增强网络连接在复杂电磁和力学环境下的适应性。
47.最后需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
48.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。