極紫外相機電控單元的設計與實現

劉 冰，王永成

（1.長春工業大學計算機科學與工程學院，吉林長春130012；

2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

極紫外相機電控單元的設計與實現

劉 冰1，王永成2?

（1.長春工業大學計算機科學與工程學院，吉林長春130012；

2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

為了實現對極紫外相機控制及管理功能，設計并實現了一種基于FPGA的電控單元.該系統以FPGA為核心，經過RS-422接口與信號處理子系統進行通訊，通過LVDS接口接收信號處理子系統發送的科學數據，與CPU之間通過數據總線進行通訊.為了提高電控單元的可靠性，在設計過程中采用了抗輻照設計和交叉備份的冗余設計.通過極紫外相機電控單元的測試和試驗驗證表明:極紫外相機電控單元的功能和性能滿足指標要求，為極紫外相機在軌取得圓滿成功的結果起到了重要作用.

極紫外相機；電控單元；FPGA

1　引 言

極紫外相機是安裝于嫦娥三號著陸器上的一個重要有效載荷，主要負責對地球周圍等離子體層產生的波長為30.4 nm的輻射進行全范圍、長期的觀測研究［1-2］，它對于地球大氣和空間天氣研究具有非常重要的意義.

極紫外相機需要對地球等離子體層的整個輪廓成像，并監測其空間分布和變化，為此極紫外相機實設計了較大的視場和較高的角分辨率；同時，極紫外相機設計了方位和俯仰轉動機構以實現對地球的對準和跟蹤功能；嫦娥三號著陸器在月球表面著陸后會產生大量的月塵，為了避免月塵對相機的光學系統造成污染，設計了鏡頭蓋防護機構，鏡頭蓋機構采用雙繞阻步進電機進行驅動［3-4］.

月球環境具有強輻射、高溫差的特點，其中月晝的最高溫度達到127℃，而月夜的最低溫度則低至-183℃，同時著陸器著陸時會受到較大的沖擊［5-7］，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.上述的種種約束條件使得極紫外相機電控單元與低軌衛星有效載荷的電控單元相比設計時在滿足其常規的功能和性能指標的基礎上，還需要在抗輻照、EMC、輕量化、低功耗、高可靠等方面進行設計.受制于火箭及衛星運載能力的限制以及衛星能源的約束，探月載荷與常規衛星載荷相比，對其輕量化和低功耗的要求更高，這就要求極紫外相機電控單元在滿足高可靠的條件下盡可能采用高集成的設計手段來減輕重量和降低功耗，極紫外相機電控單元與低軌衛星相同規模的有效載荷電控單元相比，其重量降低約50%，功耗下降約30%.本文結合極紫外相機電控單元的研制過程，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

為了實現輕量化和低功耗的設計目標，有效載荷分系統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任務調度功能，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任務安排及控制功能.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路開關量遙測信號發送給有效載荷公用單元，由其處理后通過1553B通訊總線下行，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62.5 kbps；電控單元通過LVDS接口接收成像單元發送的科學數據，其時鐘頻率為5 MHz.

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，對鏡頭蓋電機、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　電控單元的設計與實現

極紫外相機電控單元原理框圖如圖1所示，極紫外相機電控單元接收到載荷電控箱所發送的主備切換指令和開關機控制指令后進行相應的主備切換和開關機控制功能.當極紫外相機電控單元上電后，FPGA開始進行程序加載，加載成功后對其各單元進行初始化操作，運行在載荷電控箱CPU上的極紫外主控軟件部件根據地面注入的指令對FPGA進行訪問，以控制極紫外相機完成各類探測任務并讀取極紫外相機的各類遙測狀態和工程參數，以此判斷極紫外相機的工作狀態.

極紫外相機電控單元FPGA接收到極紫外主控軟件部件所發送的指令后，分別控制打開鏡頭蓋，方位機構和俯仰機構轉動到預定位置，與成像單元進行通訊發送測量命令和測量時間以及高壓電源的控制參數.當極紫外相機通過數傳總線接收到成像單元所發送的科學數據后，對其進行數據緩存和坐標計算，并將計算結果發送給極紫外主控軟件部件，由其實現坐標計數功能.

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

3.1硬件系統的設計與實現

極紫外相機電控單元的FPGA采用了XILINX公司生產的型號為XQR2V3000-4CG717V的抗輻照產品，其內部具有3 000 000個邏輯門，14 336個Slices，1 728 Kb的RAM，12個DCM，8個I/O塊，516個用戶I/O，這些豐富的資源為本系統的實現提供了基礎.同時還具有不低于200 krad（Si）的抗輻照總劑量能力和160 Me V-cm2/mg的抗單粒子鎖定能力，確保其在月面強輻照環境下的生存能力［9］.FPGA的配置芯片也采用了XILINX公司生產的型號為XQR17V16CC44V的抗輻照級PROM，可以存儲16 Mbits的配置位流.FPGA的配置電路如圖2所示，由于該款FPGA抗單粒子翻轉的能力較弱，為了降低FPGA發生單粒子翻轉事件的概率，采用了三模冗余和定時重加載的策略，所謂定時重加載，即每當主控軟件部件對鏡頭蓋步進電機、俯仰步進電機或方位步進電機進行控制前，對FPGA發送重加載命令，FPGA收到重加載命令后從其配置芯片讀取程序進行重加載操作，以此避免FPGA由于發生單粒子翻轉事件而造成的控制錯誤.

為了提高系統的可靠性，極紫外相機電控單元的FPGA電路和載荷電控箱的CPU之間采用了交叉備份的設計方案，如圖1所示，即載荷電控箱的主份CPU既可以和極紫外電控單元的主份FPGA進行通訊，也能與其備份FPGA進行通訊.為了實現該功能，需要對載荷電控箱的CPU和電控單元的FPGA之間的數據總線、地址總線及控制總線進行隔離設計以避免相互之間的潛通路.CPU總線隔離電路如圖3所示，采用型號為SNV54LVTH162245WD的總線收發芯片作為隔離芯片使用，該芯片在其輸出使能（OE）引腳為高電平時，其輸出總線與輸入總線隔離，且輸出總線為高阻態；同時當芯片處于上電或下電狀態時，其輸出總線也處于高阻態從而確保不發生總線沖突.基于該芯片的上述特點，可以將其作為總線隔離芯片應用于冷備份電路，如圖3所示，代號為D20和D24的芯片由主份+3.3 V電源供電，其B總線皆與極紫外電控單元的主份FPGA連接，D20的A總線與載荷電控箱的主份CPU數據總線連接，D24的A總線與載荷電控箱的備份CPU的數據總線連接，D20的輸出使能端（OE）與方向控制端（DIR）皆由主份CPU控制，D24的輸出使能端（OE）與方向控制端（DIR）皆由備份CPU控制，當極紫外電控單元的主份電路上電時，若載荷電控箱主份CPU工作，則D20的輸出使能端和方向控制端有效從而實現與主份FPGA的信息交互，此時D24的輸出使能端為高電平，其A總線和B總線相互隔離，從而實現了主份CPU與主/備份FPGA之間的交叉備份.

圖2　FPGA配置電路圖Fig.2　Configuration diagram of FPGA

圖3　CPU總線隔離電路圖Fig.3　Diagram of CPU bus

3.2軟件系統的設計與實現

極紫外相機電控單元的軟件由主控FPGA軟件和極紫外主控軟件部件構成.主控FPGA軟件的功能框圖如圖4所示，圖中時鐘管理模塊負責接收外部晶振所提供的時鐘信號，并對其進行處理后向其他模塊提供時鐘信號和全局復位信號，同時還向遙測電路提供周期為3 s的FPGA心跳信號作為模擬遙測量表征FPGA的工作狀態.地址分配模塊負責接收載荷電控箱提供的地址信號，對其進行地址譯碼，產生各功能單元的地址譯碼信號.中斷狀態寄存器表征各類中斷源的狀態，當CPU接收到外部中斷時，通過讀取中斷狀態寄存器的值以確定中斷源.步進電機控制模塊接收CPU發送的步進電機控制數據，然后產生相應的脈沖信號控制鏡頭蓋步進電機、方位步進電機和俯仰步進電機運行.高壓電源控制模塊接收到CPU發送的控制指令后產生脈沖寬度為（80±10）ms的正脈沖信號，以此控制高壓電源的輸出和禁止.數傳通訊模塊負責接收信號處理子系統所提供的數傳通訊時鐘信號、數據信號和使能信號，然后產生數據有效信號發送至攝像模式選擇模塊.RS-422通訊模塊負責與信號處理子系統之間的RS-422通訊，向信號處理子系統發送各類命令和參數，同時接收信號處理子系統返回的工程參數.攝像模式選擇模塊接收CPU發送的命令，并對命令進行解析確定所采取的攝像模式，然后產生相應的使能信號和數據有效信號發送給原始數據存儲模塊和坐標值存儲模塊.原始數據存儲模塊包含兩塊1k×12 bits的FIFO，采用乒乓控制方式將攝像模式選擇模塊輸出的原始數據進行存儲，當其中的1塊FIFO存滿時產生原始數據中斷信號輸出給中斷狀態寄存器.坐標值計算模塊接收攝像模式選擇模塊提供的原始數據，根據坐標值計算公式計算出坐標值X、Y并同時產生坐標值有效信號輸出給坐標值存儲模塊.坐標值存儲模塊功能與原始數據存儲模塊功能相同，區別只在于坐標值存儲的數據是通過坐標值計算模塊得到的坐標值而非原始數據.狀態參數模塊將主控FPGA的狀態參數和信息處理子系統所產生的工程參數打包后發送給載荷電控箱CPU.

極紫外主控軟件部件主要完成通過1553B通道所數據注入的接收和處理，對鏡頭蓋電機、俯仰電機和方位電機的控制，科學數據的采集和處理，并通過RS-422通道向信號處理子系統發送高壓電源的設定值、探測器閾值以及圖像校正參數，同時還負責工程參數的采集、存儲和打包功能.

3.3可靠性設計

由于月球表面惡劣的空間輻射環境，需要重點考慮單粒子防護設計，避免SEU和SEL現象的發生，或者盡量降低可能發生的SEU和SEL帶來的危害程度，保護系統，極紫外相機電控單元抗輻射設計方面的具體措施如下:

（a）依靠箱體材料的選取、箱體厚度和箱體的密封性實現整機總劑量防護；

（b）選用抗輻射性能強或對輻射不敏感的元器件；

（c）對CMOS芯片電源端串聯限流電阻的措施來提高芯片的抗閂鎖能力；

（d）對FPGA進行三模冗余設計和定時重加載設計，以此避免FPGA發生SEU事件；

（e）采取容錯設計和EDAC設計手段，提高系統的安全性.

極紫外相機單機分配給極紫外相機電控單元的可靠度是0.994（在1年壽命期內），根據前述極紫外相機電控單元的功能框圖，構建其可靠性框圖和可靠性模型，可靠性框圖如圖5所示，可靠性模型為:

圖4　FPGA功能框圖Fig.4　Function diagram of FPGA

圖5　可靠性框圖Fig.5　Reliability diagram

4　驗證與實驗

極紫外相機電控單元經過硬件系統的設計和軟件系統的設計后形成了圖6所示的線路板，并對其功能和性能進行了充分的測試，在地面測試階段先后進行了單板調試、子系統測試、系統級聯試、高溫存儲試驗、熱真空試驗、力學試驗、老練試驗等各類環境試驗和可靠性驗證試驗.在這些測設和試驗過程中，極紫外相機電控單元的各項功能和性能得到了充分的驗證，同時也確保了其在軌運行的可靠性.

2013年12月2日嫦娥三號探測器成功發射升空，2013年12月15日著陸器和巡視器成功分離后，極紫外相機也正式開啟了其月球之旅，在隨后的各類測試中，極紫外相機取得了大量的科學探測成果，極紫外相機電控單元作為其重要組成部分，也成功的完成了各項功能，取得了圓滿成功.

圖6　線路板實物照片Fig.6　Photo of printed circuit board

5　結 論

本文介紹了極紫外相機電控單元的構成和工作原理，對其進行了硬件系統的設計和軟件系統的設計，并對其地面測試和試驗驗證以及在軌驗證的情況進行了介紹.極紫外相機作為世界上首臺在月面對地球等離子體層進行觀測的科學儀器已取得了圓滿成功，極紫外相機電控單元作為其重要組成部分，在軌工作期間圓滿完成了其各項功能，性能指標達到設計要求，充分證明了其設計的合理性和高可靠性.

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Design and implement of extreme ultraviolet camera electronic control unit

LIU Bing1，WANG Yong-cheng2?（1.School of Computer Science and Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China；2.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

In order to control and manage extreme ultraviolet camera，the electronic control unit based on FPGA is designed.This system adopts FPGA as processing and control core.It communicates with signal processing subsystem through RS-422 and receives science data with LVDS.It communicates with CPU through data bus.The radiation-hardened and cross backup redundancy design is adopted in order to improve the reliability of the system.The electronic control unit tests for extreme ultraviolet camera show that the function and performance of extreme ultraviolet camera are qualified. It plays an important role for extreme ultraviolet camera in-orbit operation.

extreme ultraviolet camera；electronic control unit；FPGA

TN919.5

A doi:10.3788/YJYXS20153006.0972

1007-2780（2015）06-0972-07

劉冰（1978-），男，吉林長春人，碩士，講師，2001年畢業于長春工業大學獲得學士學位，2008年畢業于長春工業大學獲得碩士學位，從事數據挖掘、數據分析方向的研究，以及本科數據結構課程教學工作. E-mail:39352307@qq.com

王永成（1980-），男，甘肅嘉峪關人，博士，副研究員，碩士生導師，2003年畢業于吉林大學獲得學士學位，2010年畢業于中國科學院研究生院，獲得博士學位，主要從事嵌入式系統設計和可靠性工程方面的工作. E-mail:wyc_dyy@sina.com.

2015-05-08；

2015-06-15.

探月工程二期

Supported by Chinese Lunar Exploration Project

?通信聯系人，E-mail:wyc_dyy@sina.com