極紫外相機電控單元檢測系統的設計與實現

王永成

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引 言

中國探月工程二期嫦娥三號月球探測器上安裝的月基極紫外相機對于地球大氣和空間天氣研究具有非常重要的意義，它主要負責對地球周圍等離子體層產生的30.4nm輻射進行全范圍、長期的觀測研究［1－2］。

極紫外相機需要監測地球等離子體層的空間分布及其變化并對地球等離子體層的整個輪廓成像。為了實現此目標相機設計了較大的視場和較高的角分辨率；為了實現對地球的對準和跟蹤功能，極紫外相機設計了俯仰和方位轉動機構；嫦娥三號月球探測器著陸后會產生大量的月塵，故設計了鏡頭蓋機構以避免月塵對相機的光學系統造成污染，鏡頭蓋機構采用雙繞阻步進電機進行驅動［3－4］。

月球的空間環境具有高溫差、強輻射的特點，探測器著陸時還會受到較大的沖擊［5－6］，加之探測器總體對載荷重量和功耗的嚴格限制使得月基極紫外相機的設計難度大大提升；極紫外相機的電子學系統設計除了考慮常規的功能和性能之外還需要在抗輻照設計、抗單粒子事件、EMC和輕量化低功耗高可靠等方面進行設計?？紤]到極紫外相機電子學單元功能的復雜性和特殊性以及航天工程對設備的各項功能和性能測試的嚴格要求，開發一套適合極紫外相機電控單元測試和檢測的系統對于保證工程質量和進度至關重要。本文結合極紫外相機電控單元檢測系統的研制過程，詳細闡述其結構框架及工作原理、系統的實現和在工程中的驗證結果。

2 電控單元構成及工作原理

有效載荷分系統為了實現輕量化和低功耗的設計目標，將各載荷的公用單元進行了集成化設計，通過公用單元實現對各載荷電子學單元的供電及控制功能，各載荷電子學單元根據公用單元的綜合調度實現對各自載荷的通訊和控制功能。有效載荷公用單元和各載荷的電子學單元集成后安裝在載荷電控箱中，該設計較以往的各載荷單獨使用供電和控制的設計相比重量減輕了70%，功耗降低了50%。

極紫外相機電控單元的原理框圖如圖1所示，除了開關機控制電路、主備切換控制電路、俯仰電機和方位電機驅動電路之外的其余電路都采用了冷備份設計，電控單元和有效載荷公用單元的CPU接口之間采用交叉備份的設計。電控單元以FPGA為核心，根據有效載荷公用單元的調度完成對極紫外相機的控制和綜合管理功能，接收并執行有效載荷公用單元發送的擴展指令使其開機／關機或者處于主份／備份狀態；極紫外相機的電源由有效載荷公用單元提供再經電控單元二次穩壓后為其它電路供電，電控單元將采集到的7路模擬量遙測信號和6路開關量遙測信號提供給有效載荷公用單元，由其處理后通過1553B通道下行，用戶可以通過這些遙測量判斷極紫外相機的工作狀態是否正常。極紫外相機電控單元通過RS－422接口與成像單元進行通訊，波特率為62.5kbps；電控單元通過LVDS接口接收成像單元發送的科學數據，LVDS接口采用三線制接口標準其接口數據時序圖如圖2所示，包括幀同步信號、時鐘信號和數據信號，時鐘DT＿CLK的頻率為5MHz，幀同步DT＿EN為低電平有效，與時鐘DT＿CLK的下降沿同步，數據DT＿DATA與時鐘DT＿CLK的下降沿同步，數據寬度為36位，由3個12位的數據構成，每個數據的傳輸順序為高位在前、低位在后。

圖1 電控單元原理框圖Fig.1 Schematic diagram of control unit

圖2 LVDS接口時序圖Fig.2 Sequence diagram of LVDS

FPGA作為電控單元的核心，主要完成與有效載荷公用單元CPU之間的信息交互功能，內部各功能單元的地址分配及譯碼功能，鏡頭蓋電機、俯仰電機和方位電機的控制功能，6路霍爾傳感器的狀態采集及相關控制功能，與成像單元之間的RS－422通訊和數傳功能，圖像數據的緩存及圖像坐標的計算功能，為CPU產生中斷狀態寄存器及外部中斷功能，產生表征FPGA工作狀態的心跳信號功能。

3 檢測系統的設計與實現

月基極紫外相機所使用的探測器為楔條形陽極光子計數探測器，該探測器由微通道板和楔條形陽極構成，由于微通道板只有在高電壓、高真空條件下才能激發出二次電子，然后由楔條形陽極負責收集電荷，最后由成像單元將電荷信號經過電荷靈敏前置放大、整形放大、峰值保持以及后續的A／D轉換后作為科學數據傳送給電控單元。國內相關單位對于楔條形陽極光子計數探測器進行了深入的研究，王曉東等人對EUV成像儀極間串擾和偽信號觸發技術修正進行了研究［7］，尼啟良等人對使用位敏陽極的極紫外單光子計數成像系統進行了研究［8］，何玲平等人對楔條形陽極光子計數探測器成像性能的檢測技術進行了研究［9］。圖3為極紫外相機成像實驗的環境示意圖，極紫外相機置于真空室中與真空室外的平行光管連接，光源產生的光線經過光學系統反射后進入極紫外相機，極紫外相機對置于微通道板1mm位置處的分辨率板進行成像。極紫外相機通過穿艙電纜與載荷電控箱中的極紫外相機電控單元連接，極紫外相機工作時，其產生的科學數據通過LVDS數傳總線傳遞給電控單元。從上述的論述可知，利用實際的系統對月基極紫外相機電控單元進行測試需要專門的高真空環境，而且在這種環境下無法進行一些異常用例的測試。為了實現對月基極紫外相機電控單元的各項功能和性能的綜合檢測，首先需要模擬電控單元的各個外部接口的功能，使其構成一個完整的系統，然后對其進行檢測；其次檢測系統需要具備智能判斷并分析電控單元各參數及工作狀態的功能。

圖3 實驗環境示意圖Fig.3 Diagram of experiment environment

3.1 硬件系統的設計與實現

月基極紫外相機電控單元檢測系統的結構框圖如圖4所示，檢測系統接收電控單元輸出的方位、俯仰和鏡頭蓋步進電機驅動脈沖信號用來驅動步進電機負載模擬電路，由于步進電機驅動脈沖信號的電壓為15V，將其輸入到A／D轉換電路和總線隔離電路之前需要進行電壓調整將其調整成電壓為3.3V的電平信號，然后再由A／D轉換電路進行模數轉換，同時通過總線隔離電路后輸入到FPGA及其外圍電路。A／D轉換電路由FPGA進行控制，FPGA還實現對經電壓調整后的步進電機驅動脈沖信號的采集、計數、頻率分析及相序解析功能。檢測系統模擬極紫外相機成像單元實現與電控單元之間的RS－422通訊功能及產生科學數據通過LVDS接口輸出到電控單元的功能。檢測系統的FPGA與上位機之間通過USB接口進行通訊，USB接口控制芯片采用CYPRESS公司生產的型號為CY7C68013A的芯片，接口由FPGA進行控制，通過上位機可以設置科學數據的類型、傳輸時間以及通過RS－422通道傳輸參數的類型、格式以及傳輸的波特率。FPGA將其接收到的圖像坐標數據通過USB接口傳輸到上位機后由上位機進行實時顯示，上位機還實現對圖像坐標數據的自動檢測功能。

圖4 檢測系統結構框圖Fig.4 Structure diagram of test system

表1 步進電機主要性能參數Tab.1 Performance parameter of stepping motor

極紫外相機主體所使用的3臺電機皆為步進電機，步進電機是一種電磁式增量運動執行元件，它將電脈沖輸入轉換成機械步距角輸出，控制輸入脈沖的個數就能實現對電動機轉動角度的控制。為了檢測步進電機驅動電路的功能以及步進電機的控制策略、模擬步進電機運行時的功耗，對步進電機的功能參數進行仿真模擬，極紫外相機所選用的步進電機其主要性能參數如表1所示。本檢測系統采用電阻與電感串聯實現對步進電機各相參數的模擬，根據表1步進電機的參數，選用電阻值為39Ω／25W的黃金鋁罩電阻與電感值為20mH的電感串聯來模擬步進電機的相參數。為了檢測步進電機的控制策略，需要采集步進電機的驅動脈沖，根據采集到的步進脈沖來檢測步進脈沖的電壓、頻率、相序以及個數，根據步進脈沖的個數即可計算出步進電機的運行角度，進而可以實現對霍爾功能的模擬。

3.2 軟件系統的設計與實現

月基極紫外相機電控單元檢測系統以FPGA作為核心單元，采用XILINX公司生產型號為XC4VSX55－10FF1148I的 Virtex 4系列FPGA，其內部具有55 296個邏輯單元，24 576個Slices，5 760Kb的 Block RAM，8個 DCM，13個I／O塊，640個用戶I／O和512個Xtreme DSP Slices，每個Xtreme DSP Slices含有1個18×18乘法器，1個加法器和1個累加器，這些豐富的資源為本系統的實現提供了基礎。FPGA的功能框圖如圖5所示，命令解析和處理模塊負責接收上位機發送的各種命令和數據并接收載荷電控箱發送的圖像坐標數據，對接收到的命令進行解析處理后控制其它模塊工作，對接收到的圖像坐標數據通過USB通訊控制模塊發送到USB總線控制器。步進電機脈沖解析和處理模塊負責對接收到的步進電機脈沖信號進行解析，解析其時序、頻率并計算脈沖的個數。本模塊采用時鐘管理模塊提供的頻率為10kHz的時鐘對步進電機脈沖進行采集，極紫外相機電控單元所提供的步進電機驅動脈沖頻率為200Hz，控制方式為四相八拍控制，時序圖如圖6所示其中圖（a）為電機正轉時的時序，各相的通電順序為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA，圖（b）為電機反轉時的相序各相的通電順序為D→DC→C→CB→B→BA→A→AD。當采集到驅動脈沖下降沿后開始利用前述頻率為10kHz的時鐘對低電平的持續時間進行計數直到采集到上升沿時結束計數，計數值為N，則步進脈沖頻率為（3×10／N）kHz。電機正反轉的解析即根據采集到的驅動脈沖的時序以及圖6所示的步進電機控制時序來進行，若解析到的時序與圖6（a）所示的時序相同則表明電機為正轉、反之與圖6（b）所示的時序相同則表明電機為反轉，進而對正反轉的步數進行計數，并將此步數傳遞給霍爾信號產生單元?；魻栃盘柈a生單元依據命令解析和處理模塊提供的步進電機初始位置信息和目標位置信息以及步進電機脈沖解析和處理模塊提供的電機正反轉步數信息來判斷電機的當前位置，當步進電機運行到目標位置時，霍爾信號產生單元即產生相應的霍爾信號。

圖5 FPGA功能框圖Fig.5 Function diagram of FPGA

圖6 步進電機控制時序圖Fig.6 Sequence diagram of stepper motor

A／D控制單元負責控制A／D轉換芯片對步進電機驅動脈沖的電壓進行采集，將采集到的電壓數據傳送給命令解析和處理模塊，再由其通過USB總線控制器傳輸到上位機顯示。USB通訊控制模塊負責對USB總線控制器的時序控制功能，并實現對上行／下行數據的緩存功能，對于上行／下行數據的緩存采用FIFO實現，每塊FIFO的容量為256×16bit。圖像坐標數據接收及存儲單元負責接收由載荷電控箱通過LVDS接口發送的圖像坐標數據并進行緩存，圖像坐標數據的緩存采用兩塊FIFO實現，每塊FIFO的容量為1k×16bit，采用乒乓控制方式進行存儲。各FIFO都設置一個讀信號和一個寫信號，其初始狀態設置如下：FIFO1的，讀信號無效，寫信號有效；FIFO2讀信號有效，寫信號無效；當FIFO1的存儲區存滿后，將FIFO1和FIFO2的讀寫信號切換，即FIFO1的寫信號無效，讀信號有效。當FIFO2的存儲區存滿后，再次切換，依次類推，實現乒乓制的存儲功能。為了保證FIFO內沒有無效數據，對每一塊FIFO進行寫操作之前，先需要對該塊FIFO進行清零。

時鐘管理模塊負責接收晶振電路提供的時鐘信號，利用FPGA提供的DCM將其進行分頻操作為其它模塊提供所需的時鐘信號。UART模塊完成與極紫外相機電控單元之間的RS－422通訊功能?？茖W數據產生單元和科學數據發送單元負責通過接收上位機發送的科學數據，然后將其按電控單元所要求的數據格式和數傳頻率進行轉換之后發送給電控單元。

USB的接口程序通常由固件程序、驅動程序和應用程序構成，本檢測系統所使用的驅動程序和固件程序的架構由CYPRESS公司提供，在此基礎上用戶提供一個USB描述符表，添加其它端點接收和發送數據的通信代碼，以及控制外圍電路的程序代碼［10］。應用程序的設計以驅動程序為橋梁，對USB設備進行控制，處理USB設備傳回的數據。本系統的應用程序使用VC＋＋6.0進行開發，通過API函數使得設備驅動程序和應用程序之間互相通信。

4 驗證與實驗

本文所述的檢測系統在完成了設計和調試之后，與月基極紫外相機電控單元進行了驗證測試實驗。圖7是實驗現場的照片，在驗證測試實驗中對極紫外相機電控單元的功能進行了全面檢測，控制三臺電機正向和反向各運行5 200步，各自的霍爾在電機運行到200步和5 000步位置時有效，利用檢測系統提供的科學數據進行成像功能的測試，為了檢測電控單元成像功能的正確性，通過上位機對參數進行設置使得產生的圖像坐標數據具備x＝y的關系，測試結果如表2所示。從表2的檢測結果可以看出檢測系統檢測到的3臺步進電機的運行方向及步數與電控單元實際控制的電機運行方向和步數相同，霍爾A分別在步進電機正向運行到200步或者反向運行到5 000步時產生有效信號，霍爾B分別在步進電機正向運行到5 000步或者反向運行到200步時產生有效信號，測試結果與預期結果一致。

圖7 實驗現場照片Fig.7 Experimental site photo

表2 實驗檢測結果Tab.2 Experimental results

圖8 實驗中所采集的圖像Fig.8 Image of experiment

為了檢測電控單元成像功能的正確性，通過上位機對參數進行設置使得產生的圖像坐標數據具備x＝y的關系，如圖8所示，從圖8可以看出，采集到的坐標數據都處在x＝y這條直線上，坐標x和坐標y的值域范圍都是［0，1 500］，從檢測結果可以看出電控單元的圖像采集算法正確。

5 結 論

設計了一種月基極紫外相機電控單元的檢測系統，該系統以FPGA為核心單元，完整地模擬了電控單元的各外部接口功能，利用USB接口與上位機進行通訊，通過上位機設置各種參數及命令，并接收圖像數據并成像。研制完成的檢測系統與月基極紫外相機電控單元進行了驗證試驗，試驗結果表明檢測系統完整準確地實現了模擬電控單元各外部接口的功能，并能準確地檢測電控單元的各項功能和性能。該系統在月基極紫外相機的研制過程中已經得到了充分的使用，對于工程研制任務的順利進行起到了重要作用。

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