高能電子探測器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計

趙 婷 ，荊 濤 ，余慶龍

（1.中國科學院國家空間科學中心北京100190；2.中國科學院大學北京100049）

地球輻射帶（又稱范艾侖輻射帶）分布的大量高能帶電粒子會經(jīng)由“劑量效應”，“單粒子作用”，“充放電事件”等，造成衛(wèi)星與飛船的故障，同時，高能粒子的輻射會損害人體基因，對航天員健康造成危害[1]。對輻射帶的探測有助于對輻射帶的理論研究，具有現(xiàn)實的工程意義[2]。

目前的空間高能粒子探測主要采用應用衛(wèi)星如中國FY系列氣候衛(wèi)星的搭載載荷。電子科技的發(fā)展使得衛(wèi)星載荷的開發(fā)周期短，載荷體積小，功能全面。

高能電子探測器采用半導體傳感器作為能量測量設備，電子學讀出系統(tǒng)采用集成度高、功耗小的ASIC芯片做前端電子學電路，最后將處理信號通過FPGA傳輸?shù)街鳈C進行數(shù)據(jù)顯示和保存。高能電子探測器采用FPGA和USB 2.0作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄巍?/p>

文中將介紹整個高能電子探測器的物理結構設計，詳細介紹探測器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟硬件設計。

1 高能電子探測器總體結構設計

高能電子探測器物理總體結構設計為準直結構，半導體探測器測量系統(tǒng)和電子學系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 高能電子探測器

準直結構可以形成合適的探測視場，也可以提供一定的屏蔽條件，降低斜入射粒子對探測系統(tǒng)的影響[3]。準直系統(tǒng)主要包括探頭外部結構，反散射結構和擋光層，外部結構設計為杯狀結構，并在探頭外部增加了額外的銅屏蔽；反散射結構目的是防止電子散射對測量的干擾[4]；擋光層的材料為15 um的鋁膜，能夠阻擋1 Mev以下的質子和30 KeV以下的電子。

半導體探測器測量系統(tǒng)采用六塊厚度均為1mm離子注入型硅半導體傳感器組成望遠鏡結構。半導體探測器收集帶電粒子入射后由電離效應等產(chǎn)生的能量損失，并將能量值轉換為脈沖信號提供給電子學系統(tǒng)。

電子學系統(tǒng)對傳感器的信號進行采集，通過信號放大、濾波成型、數(shù)模轉換等輸出為數(shù)字信號，并通過FPGA傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)顯示和存儲。

2 電子學系統(tǒng)設計

半導體探測器輸出的是一個電荷脈沖，對這個信號進行采集和分析，就是探測器的前端電子學電路。主要指在ADC之前的模擬電路，包括信號的前置放大電路、濾波成形電路、數(shù)模轉換等電路[5]。采用分立元件的前端電路已經(jīng)很難達到現(xiàn)在的需求，所以采用集成度高，功耗小的ASIC芯片。

本題采用的是英國盧瑟福.阿普爾頓實驗室RAL（Rutherford Appleton Laboratory）為歐空局的SIXS（The Solar Intensity X-ray and particle Spectrometer）項目研制的一款芯片。芯片采用0.35μm CMOS工藝，內部集成了8個相互獨立的傳感器信號處理通道，其中6個為硅（Si）半導體傳感器信號處理通道，2個碘化銫（CsI）閃爍體探測器信號處理通道，高能電子探測器只需要用到6個硅（Si）半導體傳感器信號處理通道。每個通道都含有電荷靈敏前置放大器，CR-RC濾波成型電路，峰值保持電路，閾值設置電路和閾值比較電路[6]。同時芯片配置了串行配置接口，方便外部設置內部工作電壓、比較閾值及ADC等參數(shù)。圖2為芯片的結構圖。

圖2 ASIC（SIXS）芯片內部原理圖

ASIC芯片輸出信號與輸入信號均為差分信號，所以需要添加差分驅動電路芯片對信號轉換與FPGA進行通信。差分電路選用了應用廣泛的DS26LV31T，DS26LV32T增強型CMOS四路差分線路驅動器。

3 傳輸系統(tǒng)設計

這部分主要是通過FPGA作為主控模塊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C，同時接收用戶配置的芯片信息。

3.1 硬件設計

硬件設計主要是FPGA和USB芯片組成的電路。FPGA芯片采用Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX45，配置芯片為2CSG324C。該芯片采用45mm技術構建，功耗低、容量大，是一款新價比很高的芯片，可提供各種業(yè)界領先的連接特性，如高邏輯引腳比、小型封裝以及各種多樣化支持性I/O協(xié)議等[7]。芯片外接50 MHz有源晶振電路，晶振輸出連接到FPGA全局時鐘，可以通過調用FPGA IP核來實現(xiàn)時鐘的轉換。電路通過+5 V供電，通過三路DC/DC電源芯片MP1482轉成+3.3 V，+1.2 V，+1.5 V。

數(shù)據(jù)傳輸采用的是Cypress公司生產(chǎn)的EZUSB FX2LP系列的CY7C68013A，該芯片將USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）、增強的8051單片機及各種外圍接口集成于一體[8]。CY7C68013A芯片內部集成四個大小共為4K字節(jié)的FIFO，，可以設置其工作方式為Master或Slave模式。CY7C68013A外接EEPROM，用于固件程序下載，在芯片上電時可以自動讀取到內部RAM運行。其FPGA與CY7C68013A主要連接如圖3所示。

圖3 FPGA和CY7C68013A連接圖

3.2 軟件設計

軟件部分的設計主要分為FPGA部分和USB相關部分，其中USB部分程序又可分為固件設計、USB驅動程序、USB主機程序。

在USB協(xié)議中，按照傳輸數(shù)據(jù)量的大小、傳輸速率的高低和對時間的要求，分為四種數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸、中斷傳輸、同步傳輸、塊傳輸[9]。其中塊傳輸?shù)臋z測錯誤機制和重試機制能夠保證傳輸時數(shù)據(jù)的準確性，同時滿足大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3.2.1 FPGA程序設計

傳輸系統(tǒng)的FPGA部分程序設計只承擔和上位機通訊的功能，暫時沒有用到ASIC部分采集的數(shù)據(jù)。在FPGA中，首先會循環(huán)查詢CY7C68013A的端口是否有數(shù)據(jù)，如果查詢到數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CY7C68013A的輸出端口的FIFO中。

3.2.2 USB固件程序

USB固件程序是指在設備的微控制器中的可執(zhí)行程序，它一方面用來初始化和配置設備，另一方面用來完成外部硬件與主機之間的數(shù)據(jù)通信[10]。在USB固件程序開發(fā)中，最常使用的是Keil uVision系列軟件，Cypress公司為應用最為廣泛的EZ-USB芯片提供了一個開發(fā)包CY3684_EZ-USB_FX2LP_Development_Kit，其中包括了典型的固件代碼，方便用戶進行開發(fā)和調試。

一般的USB固件架構包括3個文件，一個是PERIPH.C（任務調度函數(shù)）、DECR.A51（描述符表）與FW.C（框架源文件）。其中FW.C是固件的原始程序代碼，主要實現(xiàn)上電枚舉，重枚舉，喚醒以及調用用戶自己的程序和控制命令[11]。在開發(fā)時可以根據(jù)需求變更文件PERIPH.C文件中的TD_Init（）函數(shù)，和 TD_Poll（）函數(shù)即可。TD_Init（）是初始化函數(shù)，TD_Poll（）為調度函數(shù)，一般是 TD_Init（）初始化之后，循環(huán)執(zhí)行TD_Poll（）函數(shù)。

傳輸系統(tǒng)采用Slave FIFO模式，啟用EP2、EP4為Bulk輸出端口，EP6、EP8為Bulk輸入端口，緩沖區(qū)設為512字節(jié)，緩沖深度為2級，數(shù)據(jù)總線寬度為16位。

TD_Poll（）函數(shù)功能在FPGA程序中實現(xiàn)，所以只需注釋掉函數(shù)即可。在程序中還引用了一些頭文件，fx2reg s.h 與 fx2.h，庫文件 EZUSB.LIB[12]。在設計時需要將fx2.H放在fx2reg s.h之前。固件程序編譯生成.Hex文件，存儲到片外的EEPROM芯片上，上電后自動將固件加載到內部RAM中運行[13]。

3.2.3 上位機程序

在Windows操作環(huán)境下，一般需要通過USB驅動程序作為USB主機程序和USB固件程序之間的開發(fā)橋梁。目前主要有3種方法開發(fā)USB驅動程序，分別為微軟公司的DDK（Driver Develop Kit，驅動開發(fā)工具包）工具、Compuware公司的DriverStudio工具和KRFTECH公司的WinDriver工具[14]。USB驅動程序最重要的文件，其中（*INF）文件表示設備的信息，（*sys）文件為程序文件。Cypress提供USB驅動程序包SuiteUSB 3.4，由CYUSBPRE.INF文件指定VID（04B4），PID（1004）。

在USB設備程序開發(fā)中，可以選用不同的開發(fā)平臺，如Visual C++，Visual C#與Labview等，基于本課題設計并開發(fā)了基于Microsoft Visual C++6.0的上位機程序[15]。Cypress公司提供了全面的CY3684開發(fā)包，包括CYIOCTL控制函數(shù)類和CyAPI控制函數(shù)類對USB設備進行讀寫。將CYAPI.h、CYIOCTL.h和CyAPI.lib添加到工程項目中，同時需要安裝Windows Device Develepment Kit，添加 Windows DDK的頭文件到項目中即可。如圖4所示。

圖4 DDK包含目錄

Visual C++提 供 MFC（Microsoft foundation classes）框架，把數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理程序分開，方便開發(fā)應用程序[16]。軟件傳輸系統(tǒng)的上位機程序就是應用MFC框架，建立基于CDialog的應用程序。

在開發(fā)時Visual C++首先需獲得要USB設備的控制句柄，調用IsOpen函數(shù)檢測USB設備，并獲取設備信息。設備連接成功后，在配置窗口進行芯片配置，生成96位配置信息流，“重新配置”清除配置信息，顯示框實時顯示配置的信息和位數(shù)。“Start”開啟數(shù)據(jù)傳輸，“清除輸出窗口”清除顯示框文本，“保存數(shù)據(jù)”將保存為TXT文件，“退出”按鈕可以退出程序。圖5顯示配置窗口配置的96位數(shù)據(jù)信息流發(fā)送到FPGA，接收窗口接收到配置信息，并顯示為8位數(shù)據(jù)串。

圖5 上位機程序

4 結 論

基于FPGA與USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，選取塊傳輸模式，采用Visual C++編寫，具有界面友好，數(shù)據(jù)傳輸快速準確的特點，可以在傳輸任務完成時，靈活的進行數(shù)據(jù)處理。實驗結果表明，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸準確，達到探測器數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

參考文獻:

[1]周大莊，王世金，張斌全，等.近地空間輻射和航天員輻射風險[J].載人航天，2013（4）:81-89.

[2]楊曉超，朱光武，符養(yǎng)，等.中地球軌道高能電子輻射環(huán)境特性分析[J].空間科學學報，2015（5）:581-587.

[3]張忠兵，張顯鵬，陳亮，等.脈沖中子測量中的準直器設計[J].核電子學與探測技術，2014（7）:820-824.

[4]張煥新.中能電子探測器的設計與研制[D].北京：中國科學院研究生院，2013.

[5]夏文明，龔軍軍，張磊，等.用于個人劑量測量的硅探測器信號處理電路的設計[J].核電子學與探測技術，2014（12）:1478-1481.

[6]徐英姿，余慶龍，梁金寶，等.基于SIXS-ASIC的半導體傳感器信號讀出電子學系統(tǒng)的研制[J].電子設計工程，2014（11）:54-56，60.

[7]石梅林，趙月琴.Spartan-6系列FPGA的配置方法研究[J].電子科學技術，2016（5）:553-558.

[8]吳磊，郭超平，申世濤.基于CY7C68013與FPGA的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計算機應用，2012，32（S1）：164-166.

[9]張超，李洪文，朱丹丹，等.基于USB的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計[J].計算機應用，2013（S2）:54-56.

[10]李咪咪，韋飛，梁金寶，等.一種應用于CCD讀出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2016（14）:70-73.

[11]王孝娟.基于MOEMS掃描光柵微鏡的微型近紅外光譜儀的控制與信號獲取系統(tǒng)[D].重慶：重慶大學，2014.

[12]王東，李公平，潘小東，等.基于EZ-USB FX2的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB接口設計[J].現(xiàn)代電子技術，2015（4）:73-76.

[13]劉志華，郭付才，彭新偉，等.基于CY7C68013A的FPGA配置和通信接口設計[J].電子技術應用，2013（2）:18-21.

[14]楊新友，鄒嵐，鐘建軍.基于WinDriver的USB驅動程序開發(fā)[J].電腦知識與技術，2015（11）:231-232.

[15]段曉敏，郭濤.基于USB 2.0的光散射系統(tǒng)上位機軟件設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2015（6）:2200-2202.

[16]張弦弦，朱全松.基于MFC軟件界面設計的視覺優(yōu)化[J].兵工自化，2016（12）:38-40，48.