劉 冰，王永成

（1.長春工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130012；

2.中國科學(xué)院長春光學(xué)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(shè)計與實現(xiàn)

劉 冰1，王永成2?

（1.長春工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130012；

2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

為了實現(xiàn)對極紫外相機控制及管理功能，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于FPGA的電控單元.該系統(tǒng)以FPGA為核心，經(jīng)過RS-422接口與信號處理子系統(tǒng)進行通訊，通過LVDS接口接收信號處理子系統(tǒng)發(fā)送的科學(xué)數(shù)據(jù)，與CPU之間通過數(shù)據(jù)總線進行通訊.為了提高電控單元的可靠性，在設(shè)計過程中采用了抗輻照設(shè)計和交叉?zhèn)浞莸娜哂嘣O(shè)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(jié)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(zé)對地球周圍等離子體層產(chǎn)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(jiān)測其空間分布和變化，為此極紫外相機實設(shè)計了較大的視場和較高的角分辨率；同時，極紫外相機設(shè)計了方位和俯仰轉(zhuǎn)動機構(gòu)以實現(xiàn)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(chǎn)生大量的月塵，為了避免月塵對相機的光學(xué)系統(tǒng)造成污染，設(shè)計了鏡頭蓋防護機構(gòu)，鏡頭蓋機構(gòu)采用雙繞阻步進電機進行驅(qū)動［3-4］.

月球環(huán)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(shè)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(wèi)星有效載荷的電控單元相比設(shè)計時在滿足其常規(guī)的功能和性能指標的基礎(chǔ)上，還需要在抗輻照、EMC、輕量化、低功耗、高可靠等方面進行設(shè)計.受制于火箭及衛(wèi)星運載能力的限制以及衛(wèi)星能源的約束，探月載荷與常規(guī)衛(wèi)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(shè)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(wèi)星相同規(guī)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(jié)合極紫外相機電控單元的研制過程，詳細闡述其結(jié)構(gòu)框架及工作原理、系統(tǒng)的實現(xiàn)和在工程中的驗證結(jié)果.

2　電控單元構(gòu)成及工作原理

為了實現(xiàn)輕量化和低功耗的設(shè)計目標，有效載荷分系統(tǒng)將各載荷的公用單元進行了集成化設(shè)計，通過公用單元實現(xiàn)對各載荷電子學(xué)單元的供電及任務(wù)調(diào)度功能，各載荷電子學(xué)單元根據(jù)公用單元的綜合調(diào)度實現(xiàn)對各自載荷的任務(wù)安排及控制功能.有效載荷公用單元和各載荷的電子學(xué)單元集成后安裝在載荷電控箱中，該設(shè)計較以往的各載荷單獨使用供電和控制的設(shè)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(guān)機控制電路、主備切換控制電路、俯仰電機和方位電機驅(qū)動電路之外的其余電路都采用了冷備份設(shè)計，電控單元和有效載荷公用單元的CPU接口之間采用交叉?zhèn)浞莸脑O(shè)計.電控單元以FPGA為核心，根據(jù)有效載荷公用單元的調(diào)度完成對極紫外相機的控制和綜合管理功能，接收并執(zhí)行有效載荷公用單元發(fā)送的擴展指令使其開機/關(guān)機或者處于主份/備份狀態(tài)；極紫外相機的電源由有效載荷公用單元提供再經(jīng)電控單元二次穩(wěn)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(guān)量遙測信號發(fā)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(tài)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(fā)送的科學(xué)數(shù)據(jù)，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(nèi)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(tài)采集及相關(guān)控制功能，與成像單元之間的RS-422通訊和數(shù)傳功能，圖像數(shù)據(jù)的緩存及圖像坐標的計算功能，為CPU產(chǎn)生中斷狀態(tài)寄存器及外部中斷功能，產(chǎn)生表征FPGA工作狀態(tài)的心跳信號功能.

3　電控單元的設(shè)計與實現(xiàn)

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(fā)送的主備切換指令和開關(guān)機控制指令后進行相應(yīng)的主備切換和開關(guān)機控制功能.當(dāng)極紫外相機電控單元上電后，F(xiàn)PGA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(jù)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(wù)并讀取極紫外相機的各類遙測狀態(tài)和工程參數(shù)，以此判斷極紫外相機的工作狀態(tài).

極紫外相機電控單元FPGA接收到極紫外主控軟件部件所發(fā)送的指令后，分別控制打開鏡頭蓋，方位機構(gòu)和俯仰機構(gòu)轉(zhuǎn)動到預(yù)定位置，與成像單元進行通訊發(fā)送測量命令和測量時間以及高壓電源的控制參數(shù).當(dāng)極紫外相機通過數(shù)傳總線接收到成像單元所發(fā)送的科學(xué)數(shù)據(jù)后，對其進行數(shù)據(jù)緩存和坐標計算，并將計算結(jié)果發(fā)送給極紫外主控軟件部件，由其實現(xiàn)坐標計數(shù)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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

極紫外相機電控單元的FPGA采用了XILINX公司生產(chǎn)的型號為XQR2V3000-4CG717V的抗輻照產(chǎn)品，其內(nèi)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(tǒng)的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ).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(huán)境下的生存能力［9］.FPGA的配置芯片也采用了XILINX公司生產(chǎn)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(zhuǎn)的能力較弱，為了降低FPGA發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)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(dāng)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(fā)送重加載命令，F(xiàn)PGA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(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事件而造成的控制錯誤.

為了提高系統(tǒng)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?zhèn)浞莸脑O(shè)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(xiàn)該功能，需要對載荷電控箱的CPU和電控單元的FPGA之間的數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線進行隔離設(shè)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(fā)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(tài)；同時當(dāng)芯片處于上電或下電狀態(tài)時，其輸出總線也處于高阻態(tài)從而確保不發(fā)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(yīng)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(shù)據(jù)總線連接，D24的A總線與載荷電控箱的備份CPU的數(shù)據(jù)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(dāng)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(xiàn)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(xiàn)了主份CPU與主/備份FPGA之間的交叉?zhèn)浞?

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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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(gòu)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(zé)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(fù)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(tài).地址分配模塊負責(zé)接收載荷電控箱提供的地址信號，對其進行地址譯碼，產(chǎn)生各功能單元的地址譯碼信號.中斷狀態(tài)寄存器表征各類中斷源的狀態(tài)，當(dāng)CPU接收到外部中斷時，通過讀取中斷狀態(tài)寄存器的值以確定中斷源.步進電機控制模塊接收CPU發(fā)送的步進電機控制數(shù)據(jù)，然后產(chǎn)生相應(yīng)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(fā)送的控制指令后產(chǎn)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(shù)傳通訊模塊負責(zé)接收信號處理子系統(tǒng)所提供的數(shù)傳通訊時鐘信號、數(shù)據(jù)信號和使能信號，然后產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效信號發(fā)送至攝像模式選擇模塊.RS-422通訊模塊負責(zé)與信號處理子系統(tǒng)之間的RS-422通訊，向信號處理子系統(tǒng)發(fā)送各類命令和參數(shù)，同時接收信號處理子系統(tǒng)返回的工程參數(shù).攝像模式選擇模塊接收CPU發(fā)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(chǎn)生相應(yīng)的使能信號和數(shù)據(jù)有效信號發(fā)送給原始數(shù)據(jù)存儲模塊和坐標值存儲模塊.原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行存儲，當(dāng)其中的1塊FIFO存滿時產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)中斷信號輸出給中斷狀態(tài)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(shù)據(jù)，根據(jù)坐標值計算公式計算出坐標值X、Y并同時產(chǎn)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(shù)據(jù)存儲模塊功能相同，區(qū)別只在于坐標值存儲的數(shù)據(jù)是通過坐標值計算模塊得到的坐標值而非原始數(shù)據(jù).狀態(tài)參數(shù)模塊將主控FPGA的狀態(tài)參數(shù)和信息處理子系統(tǒng)所產(chǎn)生的工程參數(shù)打包后發(fā)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(shù)據(jù)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(xué)數(shù)據(jù)的采集和處理，并通過RS-422通道向信號處理子系統(tǒng)發(fā)送高壓電源的設(shè)定值、探測器閾值以及圖像校正參數(shù)，同時還負責(zé)工程參數(shù)的采集、存儲和打包功能.

3.3可靠性設(shè)計

由于月球表面惡劣的空間輻射環(huán)境，需要重點考慮單粒子防護設(shè)計，避免SEU和SEL現(xiàn)象的發(fā)生，或者盡量降低可能發(fā)生的SEU和SEL帶來的危害程度，保護系統(tǒng)，極紫外相機電控單元抗輻射設(shè)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(xiàn)整機總劑量防護；

（b）選用抗輻射性能強或?qū)椛洳幻舾械脑骷?/p>

（c）對CMOS芯片電源端串聯(lián)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(shè)計和定時重加載設(shè)計，以此避免FPGA發(fā)生SEU事件；

（e）采取容錯設(shè)計和EDAC設(shè)計手段，提高系統(tǒng)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(nèi)），根據(jù)前述極紫外相機電控單元的功能框圖，構(gòu)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(jīng)過硬件系統(tǒng)的設(shè)計和軟件系統(tǒng)的設(shè)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(diào)試、子系統(tǒng)測試、系統(tǒng)級聯(lián)試、高溫存儲試驗、熱真空試驗、力學(xué)試驗、老練試驗等各類環(huán)境試驗和可靠性驗證試驗.在這些測設(shè)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(fā)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(xué)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F(xiàn)ig.6　Photo of printed circuit board

5　結(jié) 論

本文介紹了極紫外相機電控單元的構(gòu)成和工作原理，對其進行了硬件系統(tǒng)的設(shè)計和軟件系統(tǒng)的設(shè)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(xué)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(shè)計要求，充分證明了其設(shè)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，F(xiàn)ine 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(yè)于長春工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2008年畢業(yè)于長春工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，從事數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析方向的研究，以及本科數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)工作. E-mail:39352307@qq.com

王永成（1980-），男，甘肅嘉峪關(guān)人，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，2003年畢業(yè)于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2010年畢業(yè)于中國科學(xué)院研究生院，獲得博士學(xué)位，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(lián)系人，E-mail:wyc_dyy@sina.com