用于深空粒子探測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定裝置研制

孫志朋，千 奕，孔 潔，楊海波，佘乾順，趙紅赟*，蘇 弘，余玉洪，唐述文，張永杰，方 芳，蒲天磊，顏俊偉，柯凌云

(1. 中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 石景山區(qū) 100049)

火星是太陽(yáng)系中距離地球最近的類地行星，了解火星的演化對(duì)于了解地球的過(guò)去，更好預(yù)知地球的未來(lái)演化有著非常重要的意義，因此，火星探測(cè)成為繼月球探測(cè)之后深空探測(cè)的最大熱點(diǎn)[1-3]。我國(guó)計(jì)劃于2020 年開展首次火星探測(cè)任務(wù)。火星能量粒子探測(cè)器是火星環(huán)繞器的一個(gè)重要科學(xué)載荷，由探測(cè)器單元和讀出電子學(xué)單元組成，主要用于開展地火轉(zhuǎn)移軌道及環(huán)火星軌道上的能量粒子分布情況的探測(cè)[4-5]。深空環(huán)境下巨大的晝夜溫差、長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行的要求和強(qiáng)烈的空間粒子輻射會(huì)不可避免地造成電子學(xué)單元的性能改變、器件老化甚至永久性損傷[6-7]。為了及時(shí)評(píng)估探測(cè)器系統(tǒng)的噪聲基線、電子學(xué)單元的通道一致性、線性、能量分辨等性能，為離線數(shù)據(jù)分析以及在軌工作參數(shù)的修正提供依據(jù)，本文設(shè)計(jì)了一款可以應(yīng)用于深空探測(cè)的自動(dòng)標(biāo)定裝置。該裝置由FPGA 和少量外圍電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)緊湊，可直接搭載于火星能量粒子探測(cè)器系統(tǒng)的電子學(xué)單元上。

1 標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)及功能

標(biāo)定裝置主要用于對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)(探測(cè)器+電子學(xué))功能、性能和運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)與評(píng)估[8]。

1.1 標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)

圖1 所示為標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括被標(biāo)定模塊和標(biāo)定裝置。其中被標(biāo)定模塊由探測(cè)器單元和基于ASIC 芯片的前端電子學(xué)單元構(gòu)成。標(biāo)定裝置由標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和控制與數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元由高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)和高速電子開關(guān)構(gòu)成，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)作為被標(biāo)定模塊的輸入信號(hào)。高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元由高精度ADC 及其外圍電路構(gòu)成，完成對(duì)被標(biāo)定模塊輸出信號(hào)的采樣和數(shù)字化。控制與數(shù)據(jù)處理單元是基于FPGA 的固件代碼，該單元根據(jù)上位機(jī)的指令，設(shè)置標(biāo)定參數(shù)；產(chǎn)生包括ADC、DAC、高速電子開關(guān)和被標(biāo)定模塊在內(nèi)的各模塊的控制信號(hào)；接收ADC 輸出的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理后上傳給上位機(jī)。上位機(jī)(載荷管理器或是星載計(jì)算機(jī))用于接收上傳的數(shù)據(jù)和下發(fā)配置指令，對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行靈活多樣的配置。

圖1 標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 標(biāo)定裝置功能

利用該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)期工作后的探測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行基線噪聲的穩(wěn)定性測(cè)試與評(píng)估；實(shí)現(xiàn)對(duì)前端電子學(xué)單元的線性、通道一致性等性能的測(cè)試與刻度。

如圖1 所示，對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行噪聲基線測(cè)試時(shí)，前端電子學(xué)單元直接采集來(lái)自探測(cè)器的本底噪聲信號(hào)，噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入FPGA 進(jìn)行緩存并最終將數(shù)據(jù)打包上傳。同時(shí)，利用式(1)將標(biāo)定所得數(shù)據(jù)求均值，在電子學(xué)單元性能標(biāo)定和探測(cè)器實(shí)際工作過(guò)程中，作為當(dāng)前探測(cè)器系統(tǒng)基線值，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線扣除，如式(2)所示：

式中，Bi代表第i次采樣得到的數(shù)據(jù)；N表示采樣總次數(shù)；Bave表示基線的平均值；Vraw表示實(shí)際采樣得到的幅度值；Vact即為基線恢復(fù)之后的幅度值。

對(duì)電子學(xué)單元進(jìn)行性能刻度時(shí)，F(xiàn)PGA 邏輯控制標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生一系列等間隔、特定幅度的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)作為前端電子學(xué)單元的輸入信號(hào)。

探測(cè)器系統(tǒng)噪聲基線標(biāo)定和電子學(xué)單元性能標(biāo)定通過(guò)指令控制，可分別獨(dú)立進(jìn)行，亦可由標(biāo)定系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行切換，聯(lián)合進(jìn)行。為了應(yīng)對(duì)深空條件下指令傳輸帶寬受限[9-11]，標(biāo)定指令無(wú)法及時(shí)發(fā)送的情況，本裝置設(shè)計(jì)了自啟動(dòng)功能，可依照默認(rèn)的標(biāo)定參數(shù)定時(shí)啟動(dòng)標(biāo)定過(guò)程，在不需要人工干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)探測(cè)器系統(tǒng)的全自動(dòng)標(biāo)定，自動(dòng)標(biāo)定重復(fù)時(shí)間間隔可以由上位機(jī)進(jìn)行配置。

2 裝置主要模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如前所述，標(biāo)定裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元、高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元(ADC)、控制與數(shù)據(jù)處理單元(FPGA 固件模塊)3 大模塊構(gòu)成.。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元

如圖2 所示，標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元主要由12 bit高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)芯片TLV5638、高速電子開關(guān)芯片ADG201 和外圍脈沖成形電路構(gòu)成。FPGA 控制DAC 產(chǎn)生一系列精準(zhǔn)的電平信號(hào)并送入驅(qū)動(dòng)模塊增加信號(hào)的帶負(fù)載能力，同時(shí)控制高速電子開關(guān)完成高速通/斷切換，配合外圍脈沖成形電路的工作，形成一系列標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。電平信號(hào)的幅度可通過(guò)FPGA 輸出碼值設(shè)置，轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(3)所示：

式中，N為DAC 位寬；Uref為DAC 參考電壓；Dn為DAC 的輸入碼值；Uo為DAC 輸出電壓(即標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)的幅度值)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元結(jié)構(gòu)圖

標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形產(chǎn)生過(guò)程如圖3 所示。在電子學(xué)性能標(biāo)定過(guò)程中，該單元從設(shè)定的起始值開始，輸出等間隔、特定幅度的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)給前端電路，當(dāng)輸出的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的特定數(shù)量后，輸出幅度在原有基礎(chǔ)上增加一個(gè)步進(jìn)值，繼續(xù)輸出特定數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，直到輸出幅度等于預(yù)設(shè)的終止幅度，結(jié)束電子學(xué)性能標(biāo)定。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生過(guò)程

2.2 高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元

如圖4 所示，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換單元包括信號(hào)調(diào)理電路和一片14 bit 高精度ADC 芯片B9243。前端電子學(xué)單元的模擬信號(hào)會(huì)以差分的形式輸出，為了提高信號(hào)質(zhì)量，在信號(hào)進(jìn)入ADC 前使用信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理，提高信噪比并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大以匹配ADC 輸入量程；增強(qiáng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力并進(jìn)行差分-單端轉(zhuǎn)換以匹配ADC 輸入端口。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，取R3=R5，R1=R6，R2=R7，得到該信號(hào)調(diào)理電路的輸入輸出關(guān)系如式(4)，通過(guò)調(diào)整R4阻值，可以調(diào)整電路的放大倍數(shù)。通過(guò)調(diào)整參考電壓Vref，可以調(diào)整電路輸出信號(hào)的基線電平，以匹配后續(xù)ADC 電路的基準(zhǔn)電壓。ADC 芯片在FPGA 固件控制下，對(duì)信號(hào)調(diào)理電路輸出的Vout數(shù)字化，并輸出數(shù)據(jù)到FPGA。

圖4 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)框圖

2.3 控制與數(shù)據(jù)處理單元

如圖5 所示，控制與數(shù)據(jù)處理單元主要由7個(gè)FPGA 固件模塊構(gòu)成，分別為：指令接收、解析模塊；自守時(shí)模塊；觸發(fā)產(chǎn)生模塊；標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元控制模塊；前端電子學(xué)單元控制模塊；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元控制模塊；數(shù)據(jù)緩存、打包、傳輸模塊。本單元是標(biāo)定裝置實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的核心控制單元。

指令接收、解析模塊實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)之間的通信，根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的指令完成裝置工作模式切換、標(biāo)定參數(shù)配置以及啟動(dòng)其他子模塊等功能；自守時(shí)模塊用于完成自啟動(dòng)功能，該模塊在系統(tǒng)運(yùn)行到預(yù)設(shè)時(shí)刻后，自動(dòng)啟動(dòng)標(biāo)定過(guò)程，在不需要人為干預(yù)的情況下完成所有標(biāo)定流程；觸發(fā)產(chǎn)生模塊在標(biāo)定期間輸出定量的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)模塊完成信號(hào)采集；標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元控制模塊控制外部標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)；前端電路控制模塊控制基于ASIC 芯片的前端電路工作，采集來(lái)自探測(cè)器的噪聲基線信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生單元的脈沖信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元控制模塊控制ADC 電路，將前端電子學(xué)單元輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩存、打包、傳輸模塊；數(shù)據(jù)緩存、打包、傳輸模塊完成數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、打包與上傳。

圖5 FPGA 固件模塊與構(gòu)成

深空探測(cè)中，探測(cè)器系統(tǒng)一般由多種探測(cè)器組合構(gòu)成，根據(jù)探測(cè)器輸出信號(hào)的特征，每種探測(cè)器都需要有對(duì)應(yīng)的讀出電子學(xué)通道。為了滿足多通道、大動(dòng)態(tài)范圍的讀出電子學(xué)刻度需求，標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)了參數(shù)重配置功能，標(biāo)定信號(hào)幅度的起始值、步進(jìn)值、終止值、頻率等參數(shù)均靈活可調(diào)。

為了應(yīng)對(duì)深空探測(cè)過(guò)程中復(fù)雜的輻照環(huán)境[12-13]，在FPGA 固件設(shè)計(jì)中對(duì)關(guān)鍵模塊進(jìn)行了3 模冗余加固，并在數(shù)據(jù)打包時(shí)加入時(shí)間戳、CRC 校驗(yàn)碼等校驗(yàn)信息以提高系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的可靠性。

3 測(cè)試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證和評(píng)估標(biāo)定裝置的功能與性能，本文將標(biāo)定電路與火星能量粒子探測(cè)器集成為一體，并搭建了地面模擬檢測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱地檢系統(tǒng))，結(jié)合深空探測(cè)應(yīng)用需求，對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)共計(jì)11 個(gè)前端通道的基線穩(wěn)定性、電子學(xué)通道線性和通道能量分辨等性能開展了相應(yīng)測(cè)試，標(biāo)定測(cè)試所得數(shù)據(jù)，可以對(duì)探測(cè)器及讀出電子學(xué)性能的評(píng)估與優(yōu)化提供依據(jù)。

3.1 大溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)非線性及能量分辨測(cè)試

在深空探測(cè)中，晝夜溫差較大[14]，為了驗(yàn)證系統(tǒng)及標(biāo)定裝置在大溫度范圍內(nèi)的性能，使用ETOMA公司的NT408 型高低溫干燥試驗(yàn)箱進(jìn)行了溫度范圍為-40°～+50°的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，以10°為單位步進(jìn)，在每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行2 h 溫度平衡后再進(jìn)行電子學(xué)線性和能量分辨標(biāo)定。給定的標(biāo)定參數(shù)為：起始值為0 V，終止值為2 V，步進(jìn)值為100 mV，頻率為1 kHZ，能量分辨標(biāo)定采用500 mV 標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)作為輸入。表1 給出硅探測(cè)器對(duì)應(yīng)讀出電子學(xué)通道的數(shù)據(jù)擬合分析結(jié)果，該通道非線性好于1.86%，能量分辨σ好于1.91 個(gè) ADC 道(0.125 mV/道)。整個(gè)系統(tǒng)所有探測(cè)器對(duì)應(yīng)的電子學(xué)通道在各個(gè)溫度點(diǎn)下非線性性能均優(yōu)于2%，且同一通道全溫度范圍內(nèi)變化小于1%。系統(tǒng)所有探測(cè)器對(duì)應(yīng)電子學(xué)通道在各個(gè)溫度點(diǎn)下能量分辨性能優(yōu)于3.3 個(gè)ADC 道，且同一通道全溫度范圍內(nèi)變化小于0.5 個(gè)ADC 道。該項(xiàng)測(cè)試表明系統(tǒng)在大溫度范圍內(nèi)有著良好的能量分辨和線性性能，從而驗(yàn)證了探測(cè)器系統(tǒng)和標(biāo)定裝置在惡劣環(huán)境下的工作的性能。根據(jù)測(cè)試結(jié)果中各通道輸出達(dá)到飽和時(shí)的輸入值，得到了相應(yīng)通道的線性輸入范圍，以判定電子學(xué)通道是否滿足對(duì)應(yīng)探測(cè)器讀出需求。

表1 不同溫度下通道非線性及能量分辨統(tǒng)計(jì)表

3.2 系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)及標(biāo)定裝置在復(fù)雜條件下長(zhǎng)時(shí)間工作后的性能，于2018 年10 月-2019 年10 月開展了力學(xué)實(shí)驗(yàn)、EMC 電磁兼容實(shí)驗(yàn)、超過(guò)1 000 h的高低溫老練實(shí)驗(yàn)等一系列性能實(shí)驗(yàn)。期間，于2018 年的12 月8 日-10 日進(jìn)行了束流實(shí)驗(yàn)，將整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)置于高強(qiáng)度的重離子束流輻照環(huán)境下，模擬深空輻射環(huán)境。在性能試驗(yàn)開始前和結(jié)束后，分別對(duì)整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)在相同條件(恒溫20°，有屏蔽)下進(jìn)行相同配置的噪聲基線測(cè)試、線性標(biāo)定(起始值為0 V，終止值為2 V，步進(jìn)值為100 mV，頻率為1 kHz)和能量分辨標(biāo)定(500 mV 標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)作為輸入)。對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選取碘化銫探測(cè)器對(duì)應(yīng)讀出電子學(xué)通道的結(jié)果進(jìn)行展示。如圖6 所示，實(shí)驗(yàn)后噪聲基線穩(wěn)定度依然良好，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。該通道實(shí)驗(yàn)前后線性標(biāo)定結(jié)果如圖7 所示，實(shí)驗(yàn)前通道非線性為 1.41%，實(shí)驗(yàn)后通道非線性為 1.46%。殘差分布如圖8 所示，在通道非飽和范圍內(nèi)(＜14 000 道)，實(shí)驗(yàn)前后殘差分布范圍均小于200 道(0.125 mV/道)且分布規(guī)律相似，線性擬合的斜率變化小于0.05，該項(xiàng)測(cè)試說(shuō)明在經(jīng)過(guò)性能實(shí)驗(yàn)后，該通道線性以及增益幾乎沒(méi)有變化，經(jīng)過(guò)分析，系統(tǒng)所有探測(cè)器對(duì)應(yīng)的電子學(xué)通道實(shí)驗(yàn)前后線性變化均小于0.5%，增益變化小于0.5%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。該通道能量分辨測(cè)試結(jié)果如圖9 所示，實(shí)驗(yàn)前能量分辨(ADC 道)為3.140 46，實(shí)驗(yàn)后能量分辨(ADC 道)為3.322 11。實(shí)驗(yàn)前后能量分辨變化小于0.2道，中心道值在輸出幅度超過(guò)4 400 道的情況下，變化小于20 道(小于0.5%)，經(jīng)過(guò)分析，系統(tǒng)所有探測(cè)器對(duì)應(yīng)電子學(xué)通道的能量分辨在實(shí)驗(yàn)前后變化小于0.4 道，且所有通道仍優(yōu)于3.3 道，同一輸入對(duì)應(yīng)輸出的中心道值變化小于0.5%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。通過(guò)以上性能測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)后，仍滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，從而表明了標(biāo)定裝置與整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)具有較好的工作可靠性，具備在復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期工作的能力。

圖6 性能實(shí)驗(yàn)前后系統(tǒng)基線穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖7 可靠性實(shí)驗(yàn)前后單通道線性標(biāo)定結(jié)果對(duì)比

圖8 可靠性實(shí)驗(yàn)前后單通道擬合殘差分布對(duì)比

圖9 性能實(shí)驗(yàn)前后單通道能量分辨標(biāo)定結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文針對(duì)深空探測(cè)的應(yīng)用設(shè)計(jì)了一款基于FPGA 的標(biāo)定裝置，目前該標(biāo)定裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)首顆火星探測(cè)衛(wèi)星的有效載荷-火星能量粒子探測(cè)器，為未來(lái)空間飛行中的在板標(biāo)定和自動(dòng)測(cè)試提供手段。在研發(fā)階段，利用該裝置多次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足指標(biāo)要求。該標(biāo)定裝置采用FPGA 作為核心控制器件，外圍電路少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小且功耗低，具有很強(qiáng)的可移植性，便于在其他空間粒子探測(cè)系統(tǒng)中構(gòu)建板上標(biāo)定裝置。