李錫瑞

(中國科學院上海天文臺，上海 200030)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

氫原子鐘輔助電子學系統(tǒng)電路設(shè)計改進*

李錫瑞

(中國科學院上海天文臺，上海 200030)

氫原子鐘輔助電子學系統(tǒng)已穩(wěn)定工作多年，但是與目前的先進技術(shù)相比，原來的設(shè)計理念已顯陳舊，同時暴露出外圍電路龐雜、故障點比較多、問題查找困難等諸多問題；運用ARM+FPGA模式對電路進行了改進，其中運用12 bit高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)參數(shù)采樣，數(shù)字化設(shè)計改進氫原子鐘智能溫度控制系統(tǒng)，采用直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)技術(shù)設(shè)計產(chǎn)生綜合器頻率信號，簡化設(shè)計實現(xiàn)氫原子鐘的通信功能；從測試結(jié)果來看，提高了參數(shù)的采樣精度，數(shù)字化的智能溫控模式實現(xiàn)了溫度的自動化智能調(diào)整，直接式頻率合成器技術(shù)簡化了設(shè)計電路，基于iCoupler磁隔離技術(shù)的隔離型RS-232接口收發(fā)器設(shè)計提高了接口的穩(wěn)定性；從整體設(shè)計來看，大大簡化了設(shè)計電路，提高了系統(tǒng)性能及可靠性。

氫原子鐘；輔助電子學系統(tǒng)；智能溫度控制；直接數(shù)字式頻率合成器技術(shù)

我國自1972年研制成功第1臺實驗室型氫原子鐘，經(jīng)過近半個世紀的改進工作，氫原子鐘頻率穩(wěn)定性指標從10-12量級水平邁進到10-16量級的行列。作為氫原子鐘重要組成部分的輔助電子學系統(tǒng)也由原來的電壓表頭模式改為智能化監(jiān)控模式，即可以通過串口通信在計算機上實現(xiàn)參數(shù)的讀取，并可通過發(fā)送指令的方式對參數(shù)進行修改，大大方便了設(shè)備的調(diào)試及故障的維修。然而從現(xiàn)在的角度來看，最初的智能化監(jiān)控系統(tǒng)電路龐雜，故障隱患多，因此本文采用ARM+FPGA的方案重新設(shè)計實現(xiàn)輔助電子學系統(tǒng)電路的功能。

1 輔助電子學系統(tǒng)電路設(shè)計實現(xiàn)

設(shè)計大體分為32位處理器ARM[1]以及現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)[2]控制部分兩大模塊實現(xiàn)，分別實現(xiàn)用戶界面管理和內(nèi)部各個模塊的邏輯控制，框圖如圖1。

1.1 ARM處理部分

針對ARM內(nèi)核的高速可順序執(zhí)行特性，更適合處理復雜協(xié)議信息。ARM處理部分在設(shè)計中主要負責協(xié)議層處理工作，包括通信信息、人機交互設(shè)定、系統(tǒng)工作參數(shù)監(jiān)測、報警數(shù)據(jù)設(shè)定和監(jiān)測、系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理等多方面的工作，整體采用搶占式進行多任務(wù)分配，提高中央處理器的利用率以及系統(tǒng)的魯棒性。1.2 現(xiàn)場可編程門陣列控制部分

總體來看，現(xiàn)場可編程門陣列主要負責外圍硬件設(shè)備底層驅(qū)動的讀寫，作為ARM的一個外部擴展RAM進行外設(shè)數(shù)據(jù)交換，所有現(xiàn)場可編程門陣列采集、輸出的數(shù)據(jù)均可通過ARM的可變靜態(tài)存儲控制器(Flexible Static Memory Controller, FSMC)總線讀寫。在設(shè)計中運用現(xiàn)場可編程門陣列獨特的可多任務(wù)并行執(zhí)行的特性，現(xiàn)場可編程門陣列控制部分主要負責外部通信模式的選擇、外部模擬信號的采集、輸出溫度的控制、時鐘同步、時鐘移相、數(shù)碼管計數(shù)顯示等多項功能的處理。

在外部模擬量、氫原子鐘內(nèi)爐溫度采集部分，由現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部硬件采用狀態(tài)機形式通過兩片AD7490D對外部32路模擬量采集，并直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行控制處理；另一個狀態(tài)機通過熱敏電阻對內(nèi)爐頂、上、底等3部分溫度進行采集；在溫度輸出控制部分，通過3路PWM控制方式，以外部溫控器作為驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)加熱功率。

圖1 硬件電路框圖

Fig.1 A circuit diagram of the hardware system

在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分由專用基準電壓芯片REF192產(chǎn)生參考電壓，溫度轉(zhuǎn)換經(jīng)過帶有前置運算放大器(Operational amplifier, OP)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣，并同時具有抑制50 Hz的功能，以抵消測量中產(chǎn)生的工頻干擾。

在通信電路的設(shè)計部分由現(xiàn)場可編程門陣列選擇所采用的通信方式，其中串口通信采用隔離式電平變換芯片，避免電平不兼容或是不同設(shè)備間的靜電釋放(Electrostatic Discharge, ESD)所帶來的放電損壞；以太網(wǎng)部分采用專用以太網(wǎng)接口模塊，可同時兼容TCP/IP v4、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)等。

下面從以下幾個方面談?wù)勲娐返脑O(shè)計改進工作：

(1)串口通信接口的電路設(shè)計

原來的串口通信設(shè)計為了滿足兩路串口通信的技術(shù)指標，采用AT89C52結(jié)合通用同步異步接收發(fā)送器8251A實現(xiàn)雙串口的擴展。

本文采用ADM3251E[3]解決多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5 kV完全隔離、單通道RS-232/V.28收發(fā)器，具有isoPower隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器，設(shè)計中無需使用單獨的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。由于RIN和TOUT引腳提供高壓ESD保護，因此該器件非常適合在惡劣的電氣環(huán)境，或頻繁插拔RS-232電纜的場合。ADM3251E采用ADI公司的芯片級變壓器iCoupler技術(shù)，能夠同時用于隔離邏輯信號和集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此該器件可提供整體隔離解決方案。

(2)ADC模擬量采樣電路設(shè)計改進

原來的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣電路使用兩片ADC0816。ADC0816是逐次比較式16路8位A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包含一個8位A/D轉(zhuǎn)換器和16路的單端模擬信號多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換精度為1/2LSB，轉(zhuǎn)換時間為100 us(時鐘頻率為640 KHz)。

改進設(shè)計中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。同時AD7490采用單電源工作，電源電壓為2.7 V至5.25 V，最高吞吐量可達1 MSPS；內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器，可處理1 MHz以上的輸入頻率；轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時鐘進行控制，從而為器件與微處理器接口創(chuàng)造了條件。

(3)溫度控制部分的設(shè)計改進

溫度對于氫原子鐘來說是很重要的因素，溫度控制不好會引起氫原子鐘穩(wěn)定度變差；溫度失控會直接導致氫原子鐘沒有中頻信號輸出。因此在溫度控制的設(shè)計中首先要做到可靠、穩(wěn)定。原先的溫度控制系統(tǒng)采用模擬控制多塊電路板各溫度區(qū)域獨立控制模式，其缺點是變?nèi)荻O管參數(shù)值不在正常工作范圍時，需要人為調(diào)整電路板的電位器，即通過人為改變電阻的模式達到調(diào)整溫度的目的。

在數(shù)字化智能溫控設(shè)計中采用AD7792[4]，AD7792具有兩個高精度的可編程恒流激勵源，內(nèi)置可編程的儀表放大器，可以對不同的輸入信號選擇相應的放大倍數(shù)，實現(xiàn)信號的匹配。它內(nèi)置16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用SPI 串行接口，容易實現(xiàn)光耦隔離，有3路差分模擬輸入，可以滿足設(shè)計中分別對內(nèi)爐頂、上、底3部分溫度進行采集的要求。

AD7792為適應高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個低噪聲、帶有3個差分模擬輸入的16位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號；內(nèi)置一個精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準電壓源，而且也可采用一個外部差分基準電壓。圖2中CHAN表示溫度區(qū)域，其中CH1代表內(nèi)爐頂，CH2代表內(nèi)爐上，CH3代表內(nèi)爐底；

溫度區(qū)域CHAN/n采樣溫度值A(chǔ)CTU/T設(shè)定溫度值SET/T輸出功率OUT/%區(qū)域1(CH1)4498450051區(qū)域2(CH2)5005432100區(qū)域3(CH3)12344500999

圖2 溫度控制的效果圖

Fig.2 A list for the effects of temperature control

ACTU代表采樣溫度數(shù)值；SET代表設(shè)定溫度數(shù)值；OUT代表輸出功率的大小。

(4)移相同步精度設(shè)計改進

傳統(tǒng)控制板同步精度為100 ns±邏輯門延時(約幾個ns)，移相分辨率為0.1 μs。經(jīng)過設(shè)計改進后，采用獨特的先倍頻后同步技術(shù)，可大大提高移相同步分辨率。在本次應用中，先對外部輸入的10 MHz方波信號，經(jīng)過現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部的鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop, PLL)的配置進行零度移相五倍頻，得到和輸入信號零相位差的50 MHz信號。其中圖3上一幅為10 MHz信號波形，下一幅為倍頻后的50 MHz方波信號波形。

圖3 10 MHz與倍頻后50 MHz的波形圖

Fig.3 The waveforms of the 10MHz input signal and the 50MHz signal that is modified from the 10MHz input signal through the frequency multiplier

然后用倍頻后的50 MHz信號和外部輸入秒信號進行同步處理，理論上，輸出信號最大相位差為20 ns，考慮元器件延時影響，附加±5 ns偏差，而移相分辨率可達0.02 μs，精度是原來的5倍。經(jīng)實際測試，經(jīng)過多次同步后，精度均可保證在25 ns以內(nèi)，如圖4。

圖4 同步精度測試圖

Fig.4 A screenshot of the output signal waveforms in the test for synchronization precision

(5)DDS電路設(shè)計部分

之前控制板在綜合器設(shè)計輸出時，采用AT89C52驅(qū)動3片74LS595串入，并輸出6位8421碼共24位數(shù)據(jù)信息經(jīng)25芯彎角插座(DR-25)將數(shù)據(jù)傳輸至接收機控制板，再由CPLD處理后輸出所需的頻率信號。而目前設(shè)計中選取AD9956[5]，使用直接數(shù)字式頻率合成器技術(shù)從監(jiān)控板輸出所需的頻率信號，AD9956是由美國Analog Device公司推出的高性能直接數(shù)字式頻率合成器芯片，提供速度高達400 MHz的內(nèi)部時鐘，可合成頻率高達160 MHz，支持2.7 GHz的時鐘輸入(可選2、4或8分頻)、內(nèi)部集成14位的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，具備快速頻率轉(zhuǎn)換、精細頻率分辨率和低相位噪聲輸出的性能，適用于快速跳頻頻率合成器的設(shè)計，本設(shè)計直接數(shù)字式頻率合成器輸出頻率信號可以根據(jù)鍵盤輸入的頻率值不同而輸出不同的頻率值。

(6)存儲器設(shè)計改進

氫原子鐘必需具有對時間以及對所監(jiān)測數(shù)據(jù)實時保存的功能。然而外部存儲器的選擇是多種多樣的，目前應用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM 3種方案。

目前使用的存儲器采用SRAM加后備電池的模式，型號62256，它是組織結(jié)構(gòu)為32k × 8位字長的高性能CMOS靜態(tài)RAM。在設(shè)備掉電的情況下，存儲數(shù)據(jù)易丟失。同時SRAM加后備電池的方法增加了硬件設(shè)計的復雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性；EEPROM 方式可擦寫次數(shù)較少(約10萬次)，且寫操作時間較長(約10 ms)；而NVRAM的價格又限制了它的普遍應用。因此越來越多的設(shè)計者將目光投向了新型的非易失性鐵電存儲器(FRAM)。鐵電存儲器具有以下幾個優(yōu)點：可以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時等待；有近乎無限次擦寫壽命；數(shù)據(jù)保持45年不丟失；具有較低的功耗。

設(shè)計中采用的FM25L16是串行鐵電存儲器，其內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)形式為2k×8位，地址范圍為0000H～07FFH， FM25L16支持SPI方式0和方式3。具有先進的寫保護設(shè)計，包括硬件保護和軟件保護雙重保護功能。FM25L16的數(shù)據(jù)讀寫速度能達到18 MHz，可與當前高速的RAM相媲美。

2 結(jié)束語

從設(shè)計的測試結(jié)果來看，全新的設(shè)計模式對電路的性能、可靠性、穩(wěn)定性等多方面都有很大的提高，具體表現(xiàn)如下：

(1)設(shè)計中采用AD7490替代ADC0816，從而使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度提高 8 bit升級到12 bit，精度提高了16倍，并且無需經(jīng)過外接模擬開關(guān)，減小了信號經(jīng)過多個模擬芯片引起的誤差。

(2)溫度控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化設(shè)計模式，提高測量精度，降低干擾，可避免處理運放電路所造成的對溫度飄移的影響以及多級模擬帶來的累計誤差，最重要的一點是不再人為地通過改變電阻模式達到調(diào)整溫度的目的。

(3)綜合器設(shè)計部分采用直接數(shù)字式頻率合成器處理技術(shù)，直接從監(jiān)控板輸出所需的頻率信號，從而大大減少設(shè)計中潛在的故障點，提高了設(shè)計的可靠性、穩(wěn)定性。

(4)通信電路采用的ADM3251E是ADI公司推出的基于其專利iCoupler和isoPower磁隔離技術(shù)的RS-232隔離器，在性能、功耗、體積等方面都有傳統(tǒng)光電隔離器(光耦)無法比擬的優(yōu)勢。它的功耗僅為光電耦合器的1/10～1/6，具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，大大提高了通信的質(zhì)量和正確性。

[1] STMicroelectronics Incorporation. STM32F103xB數(shù)據(jù)手冊[DB/OL]. 2008[2014-10-20]. http://www.st.com/st-web-ui/static/active/cn/resource/technical/document/datasheet/CD00161566.pdf.

[2] Altera Corporation. Cyclone III device handbook, Volume 1[DB/OL]．2012[2014-10-20]. http://www.ee.ic.ac.uk/pcheung/teaching/ee2_digital/cyclone3_handbook.pdf.

[3] Analog Devices Incorporation. ADM3251E 中文產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊[DB/OL]. 2008[2014-10-20]. http://www.analog.com/static/imported-files/zh/data_sheets/ADM3251E_cn.pdf.

[4] Analog Devices Incorporation. AD7792/ AD7793 中文產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊[DB/OL]. 2007[2014-10-20]. http://www.analog.com/static/imported-files/zh/data_sheets/AD7792_7793_cn.pdf.

[5] Analog Devices Incorporation. AD9956英文產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊[DB/OL]. 2004[2014-10-20]. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9956.pdf.

A Design of Improved Circuits of the Auxiliary ElectronicSystem of a Hydrogen Maser

Li Xirui

(Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China, Email: xrli@shao.ac.cn)

The auxiliary electronic system of the first hydrogen maser in China has been working for many years. Nevertheless, the design of this system is outdated and the system has certain defects such as complicated peripheral circuits, many fault points, and occurrences of malfunctions not easily discernable. In this paper, we present a design of improved circuits of the auxiliary electronic system using the ARM+FPGA scheme. The design adopts 12-bit high-precision analog-to-digital conversion chips for wideband sampling, and incorporates a digital mode to improve the intelligent temperature control of the system. In the design we also use the DDS technology to generate signals for the frequency synthesizer. The design is simplified enough to realize communication of the system with the hydrogen maser. We have carried out tests of the design. The tests show that the design improves precisions of signal sampling, effective intelligent temperature adjustment has been realized with the digital temperature-control mode, circuit simplification has been achieved through the DDS technology, and the stability of the interface has been enhanced by the isolated RS-232 transceiver based on the iCoupler magnetic isolation technology. Overall, our design dramatically improves the capability and reliability of the system yet in the mean time simplifies the system.

Hydrogen maser; Auxiliary electronics system; Intelligent temperature control; DDS

2014-10-22；修定日期：2014-11-02 作者簡介：李錫瑞，男，碩士. 研究方向：信號與信息處理. Email: xrli@shao.ac.cn

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1672-7673(2015)03-0312-05