基于FPGA的星載電場儀信號處理系統設計

王林楓，姜秀杰，滿 峰

（1.中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學 北京 100049）

基于FPGA的星載電場儀信號處理系統設計

王林楓1，2，姜秀杰1，滿 峰1

（1.中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學 北京 100049）

為了構建空間電場測量體系，設計了基于FPGA的星載電場儀信號處理系統。區別于探空火箭電場信號測量系統，星載電場儀系統采用Xilinx FPGA為主控制器和數據處理單元，同時針對星上環境提出了偏置電流源和浮動參考地等獨特設計。文章介紹了系統的硬件設計和軟件設計。測試結果表明，系統穩定可靠，具有一定的參考價值和實際應用價值。

星載電場儀；XC3S500E；AD7626；偏置電流源；浮動參考地

空間電場是研究空間天氣學和空間環境的一個重要參量，空間電場的監控對于了解近地空間電狀態是不可缺少的，可以為太陽活動對近地空間天氣的影響、雷暴和地震預警，以及航天活動等提供直接的觀測資料，提高對災害性空間天氣的預警預報能力[1]。可見，星載電場儀在未來將會成為近地氣象衛星、空間天氣監測衛星和地震監測衛星上的重要設備。

不同于以往的探空火箭電場儀，本文中介紹的星載電場儀設計方法，根據星上環境特點，增加偏置電流源，將原本的被動式探測方式改進為主動式探測方式，并且配置浮動參考地，從而可以適應較大的電位波動范圍；同時，以數字濾波代替箭載電場儀的模擬濾波作為通道劃分手段。在整個系統中，FPGA作為主控制器來控制A/D采樣、偏置電流源和同步422發送。采得的數據經A/D采樣之后，再由FPGA劃分通道，并且對數據進行FFT變換，發送給后端設備。

1 硬件系統設計

如圖1所示，整個硬件系統包括以下幾個模塊：信號采集模塊、A/D采樣模塊、同步422發送模塊、參考電壓和電源模塊、恒流源發生模塊以及FPGA及配置電路模塊。由金屬探頭采集到的電位信號經過前放和電壓偏置處理，調整到A/D芯片的信號輸入范圍之內，A/D轉換后的數字信號再交給FPGA進行通道劃分和FFT變換，最后再通過同步422發送給后端設備。恒流源發生模塊用于產生一個微小的恒定電流，用來將金屬探頭的電位驅動到與周圍環境電位相同。整個系統需要使用±5 V、3.3 V、2.5 V、1.2 V、4.096 V等電平，其中+5V為一次電源提供，其他電平均通過電源轉換芯片提供。

圖1 系統總體結構框圖Fig.1 Structure diagram of the electric field processing system

1.1 信號采集模塊

信號采集模塊的主要作用有兩個：一是利用浮動參考地的設計，來擴大前放的測量范圍；二是將得到的電位信號通過前放和偏置調整到A/D芯片的輸入范圍以內。

設計浮動參考地電路的目的主要是因為在衛星周圍環境的等離子體中，有些位置的電位可達±100 V，如果前放電路仍然使用星上公用參考地的話，運放將經常因飽和而得不到正確的信號，因此需要浮動參考地電路來增大前放電路的測量范圍[2]。浮動參考地電路框圖如圖2所示，其中+28 V電源由星上公用電源提供。首先由一個額外的探頭得到所在位置的電位Vs，再經過低通濾波器濾波之后，得到的信號即作為浮動參考地FGND，同時，再經過變壓器產生Vs+10 V和Vs-10 V兩路電壓信號，這幾個電壓信號同時提供給前放電路，作為前放電路的參考地和正負電源，這樣就可以擴展前放電路的測量范圍。

信號調理電路圖如圖2所示，分為兩級。第一級使用AD8429對同一個通道兩個探頭的信號進行差分放大；第二級將得到的差分信號進行分壓，并加上一個2.5 V的直流偏置，目的是將差分后的信號調整到A/D芯片的輸入范圍之內。

圖2 信號調理電路圖Fig.2 Diagram of signal conditioning circuit

1.2 A/D采樣模塊和422發送模塊

A/D采樣模塊和同步422發送模塊都由FPGA提供控制信號。其中，A/D采樣模塊采用的A/D芯片是ANALOG DEVICE公司生產的AD7626芯片，該芯片具有10MSPS的采樣速率，輸入范圍為±4.096 V的差分輸入，需要5 V、2.5 V、4.096 V 3種電平，所有的電源、地和電路的連接按照推薦電路配置[3]。同步422發送模塊采用TEXAS INSTRUMENTS生產的DS26LV31AT，所需的時鐘、使能和輸出使能信號均由FPGA提供。

1.3 參考電壓和電源模塊

該模塊主要是為其他模塊的各種芯片提供電源和參考電壓。根據不同的電壓要求，選用了多種電平轉換芯片。其中，電源模塊包括：TPS63700將+5 V轉換成-5 V，TPS767將 +5 V轉換成3.3 V和2.5 V，TPS62003將3.3 V轉換成1.2 V；參考電壓模塊包括：ADR444產生4 V參考電壓，ADR3425產生2.5 V參考電壓。

1.4 恒流源發生模塊

該模塊是本系統的主要創新點之一。傳統的探空火箭電場儀一般采用被動式探測方式，即探頭上沒有恒流源偏置電路，完全依賴于探針被動地在等離子體中進行測量，這種測量方式適合于密度較高的等離子體的電場。但衛星由于飛行高度相比于探空火箭更高，等離子密度相對稀薄，因此使用主動式探測方式更加適合。所謂主動式探測方式，即在探頭上施加偏置電流，主要作用是降低探頭阻抗，使探頭所測得的電位與周圍等離子體電位更加接近[2，4-5]。

恒流源發生模塊主要是一個由D/A芯片為主的恒流電路，D/A芯片選用AD5544，所需的控制信號也由FPGA提供。

1.5 FPGA及配置電路模塊

在本系統中，FPGA的作用至關重要。首先，FPGA為AD7626、AD5544和同步422提供控制信號；其次，FPGA還對采集得到的數據進行數字濾波和FFT變換處理。

選用的FPGA芯片是Xilinx公司的Spartan-3E系列的XC3S500E，配置芯片則選用與之對應的XCF04S 。Spartan-3E系列是Xilinx公司性價比最高的FPGA芯片，最大可用I/O為232個，系統門數為50萬門，可以滿足本系統的設計要求。FPGA共需要3種電源：I/O電源3.3 V、內核電源1.2 V和輔助電源2.5 V，3種電源全部由電源模塊提供[5]。

2 FPGA程序設計

本系統的FPGA程序使用硬件描述語言Verilog HDL編寫，包括以下幾個部分：A/D芯片控制程序、D/A芯片控制程序、使用IP核實現數字濾波器、FFT變換程序、同步422發送程序。FPGA程序工作流程圖如圖3所示。

圖3 FPGA程序工作流程圖Fig.3 Flow chart of FPGA software

2.1 A/D芯片控制程序

A/D轉換芯片選用AD7626，該芯片有EN1和EN0兩個使能信號管腳，根據這兩個管腳的不同狀態可使芯片在4個狀態下工作，這里選擇EN1=1，EN0=0的模式，即需要在REFIN管腳施加一個4.096 V的外部基準電壓。當某一個AD7626芯片不使用時，只需將EN1和EN0都置0即可。

FPGA的A/D采樣程序根據芯片的時序圖編寫，圖4為AD7626時序圖，當各信號的負引腳接地時，則正引腳用作CMOS輸出引腳，否則正負引腳用作差分LVDS輸出。其中，CNV為轉換輸入引腳，在CNV的上升沿對模擬輸入信號進行采樣并啟動一個轉換周期；CLK為外部時鐘輸入；DCO為緩沖時鐘輸出，是CLK的副本，在DCO的下降沿輸出轉換結果，數字主機在DCO的下一個上升沿捕捉轉換結果；D引腳為LVDS數據輸出，轉換結果以串行方式輸出[3]。

2.2 D/A芯片控制程序

D/A芯片的作用是將FPGA的數字信號轉換成模擬信號，用來控制恒流源電路。一方面根據AD5544的時序圖設計控制程序，另一方面根據所需的電流大小調整AD5544的輸入信號。本系統中，恒流源的大小為+300～-300 nA可調，典型值為180 nA。

圖4 AD7626時序圖Fig.4 Timing diagram of AD7626

2.3 數據處理和發送程序

對數據的處理和發送包括3個部分，一是利用數字濾波器將數據分成不同頻段，二是對數據進行FFT變換，三是用FPGA控制同步422對得到的數據進行發送。整個數據處理過程如圖5所示（以X軸數據為例）。

數據經過A/D轉換之后輸入FPGA，首先利用FPGA實現數字濾波器將信號分成4個不同的頻段，分別為DC～100 Hz通道、100 Hz～10 kHz通道、10～100 kHz通道和100 kHz～5 MHz通道。數據被分成不同的通道之后再由FPGA進行FFT變換，這樣就可以得到頻譜數據，便于后期對數據的分析，然后再將FFT變換前和變換后的數據都通過同步422發送給后端設備。

FIR數字濾波器的實現借助Xilinx的IP核和Matlab工具FDA Tool。對于N階FIR濾波器來說，差分方程表達形式為：

h（k）為FIR濾波器的抽頭系數，數字濾波器抽頭系數的確定，使用Matlab信號處理工具箱中的專用工具FDA Tool，只需在圖形用戶界面對應的窗口輸入相應的設計要求，就可以獲得符合該設計要求的濾波器的抽頭系數，保存為.coe文件，然后再將.coe文件導入Xilinx的IP核，就可以在程序中生成需要的數字濾波器了[7]。本系統中需要生成4個FIR濾波器。

圖5 數據處理流程圖Fig.5 Data processing diagram

422發送程序的作用是將分通道和FFT變換后的數據按照要求加上包頭、時間碼等信息之后，通過接口芯片DS26LV31AT芯片發送出去。主要包括波特率產生模塊和發送模塊。本系統采用115200波特率，通過分頻產生。發送模塊根據發送時序編寫，可用狀態機實現。

3 設計方法和仿真驗證

本系統的硬件原理圖和PCB采用Altium Designer 09繪制，在設計過程中，盡量減少走線長度，杜絕環路和橋接。由于PCB中既有模擬電路部分又有數字電路部分，為了提高整個電路的抗干擾性能，所以將模擬地與數字地隔離開來，僅通過一個0 Ω電阻單點相連，在元器件擺放上也盡量將模擬器件與數字器件分開。

FPGA程序的編寫和綜合使用的是Xilinx ISE 11，ISE是針對Xilinx FPGA的集成了幾乎所有設計流程的綜合性設計平臺，ISE不僅功能強大，而且有很多免費的IP核資源，本系統中使用的FIR濾波器和FFT變換就是使用了ISE自帶的IP核。由于本系統中數據量較大，因此在FPGA設計中采用了一種以邏輯資源換取處理速度的操作方式——乒乓操作。

FPGA程序的仿真使用ModelSim 6.5完成。根據仿真和后續測試，星載電場儀系統基本實現了要求的功能和指標。

4 結 論

文中闡述的星載電場儀系統設計方法，既借鑒了探空火箭電場儀的成功經驗，又針對衛星環境提出了一些獨特設計：1）探測方式由被動式探測法改變為更加適合低密度等離子體環境的主動式探測法；2）提出了浮動地設計方案，大大提高了電位信號的測量范圍；3）將模擬濾波改為數字濾波，從而簡化了硬件電路，縮小了設備規模；4）在FPGA中集成了FFT變換，可以直接得到科研任務中十分關注的頻譜信號。經過試驗和測試，本系統設計正確，運行穩定，基本上達到了設計要求，對星載電場儀后續更多的應用具有一定價值。

[1] 滿峰，劉波，姜秀杰，等.星載電場儀的電場測量方法[J].科技導報，2008，26（18）：84-87.

MAN Feng，LIU Bo，JIANG Xiu-jie，et al.Electric field measurement by the electric field instrument on satellite [J].Science ＆ Technology Review，2008，26（18）：84-87.

[2] Bonnell J W，Mozer F S，Delory G T，et al.The Electric Field Instrument（EFI）for THEMIS[J].Space Sci Rev，2008（141）：303-341.

[3] Analog Devices.Datasheet AD7626[EB/OL].（2012-07）http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7626.pdf.

[4]滿峰.星載電場儀關鍵技術研究[D].西安：中國科學院西安光學精密機械研究所，2009.

[5] Berthelier J J，Godefroy M，Leblanc F，et al.ICE，the electric field experiment on DEMETER[J].Planetary and Space Science，2006，54：456-471.

[6] 田耘，徐文波.Xilinx FPGA開發使用教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[7]許金生，周春雪，趙從毅.基于IP Core 的FIR 數字濾波器的FPGA[J].安徽工業大學學報，2007，24（3）：309-313.

XU Jin-sheng，ZHOU Chun-xue，ZHAO Cong-yi.FPGA realization of FIR digital filter based on IP core[J].J.of Anhui University of Technology，2007，24（3）：309-313.

Design of electric fi eld signal processing system based on FPGA

WANG Lin-feng1，2，JIANG Xiu-jie1，MAN Feng1
（1.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to construct the space electric filed measurement system，the paper presents a satellite-borne electric field signal processing system design based on FPGA.Differ from the sounding-rocket-borne electric field measurement system，it takes Xilinx FPGA as a main controller and data processing unit，and makes some unique designs for the satellite environment，including bias current source and floating ground.The paper introduces the hardware design and the software design of satellite-borne electric field signal processing system.The test results show that the design is reliable and has reference and practical value.

satellite-borne electric field instrument；XC3S500E；AD7626；bias current source；floating ground

TN99

A

1674-6236（2014）11-0047-03

2014-02-24 稿件編號：201402156

國家高技術研究發展計劃資助（Y28021A220）

王林楓（1987—），男，吉林四平人，碩士研究生。研究方向：航天器綜合電子技術。