張博威，王棟*，何云豐，閆得杰，關海南，吳凡路，2

天問一號高分辨率相機反熔絲FPGA軟件系統(tǒng)設計

張博威1，王棟1*，何云豐1，閆得杰1，關海南1，吳凡路1，2

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院 月球與深空探測重點實驗室，北京 100101）

天問一號執(zhí)行的任務屬于深空探測任務，其上高分辨率相機主控單元工作時間較長，為了提高主控FPGA的抗單粒子效應及可靠性，選用反熔絲FPGA進行軟件系統(tǒng)設計。其中，主控FPGA管理的調焦單元、時間碼守時校時等功能為安全關鍵項目。為提高軟件的健壯性，主控FPGA根據(jù)調焦機構的光機結構，設計基于加減速曲線的二細分控制方法，在滿足調焦速度的前提下，避開機構共振頻率，實現(xiàn)步進電機驅動調焦機構平穩(wěn)的運轉；同時，天問一號環(huán)繞器在環(huán)火段位置時，高分相機需要執(zhí)行拍攝任務，拍攝指令為延時指令，對時間有較高要求，在此基礎上主控FPGA設計時間碼守時校時功能，確保高分相機在任務段精確執(zhí)行拍攝任務。實驗結果表明：調焦機構速度爬升時間為112.2 ms；時間守時的精度為1.25 s。實現(xiàn)了調焦單元的平穩(wěn)運行和可靠的守時系統(tǒng)。

反熔絲FPGA；步進電機；加減速曲線；星時管理

1 引　言

環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)高分辨率相機（以下簡稱高分相機）是“天問一號”火星探測環(huán)繞器上安置的有效載荷之一，其主要科學任務是獲取火星表面重點區(qū)域的高分辨率影像，觀測火星表面地質現(xiàn)象的形成和變化過程，為著陸探測優(yōu)選合適區(qū)域提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

高分辨率相機軟件系統(tǒng)配置項劃分的原則是以電子學子系統(tǒng)硬件功能需求來劃分。分系統(tǒng)電子學上分為主控及存儲處理子系統(tǒng)和成像子系統(tǒng)。其中高分辨率相機主控接口擴展邏輯FPGA屬于主控及存儲處理子系統(tǒng)，安裝在高分相機主控箱內(nèi)的主控板上。主要完成RS422通信，1553B通信控制、EMIF地址譯碼、調焦控制、編碼器采集、熱控采集等功能。

主控接口擴展邏輯FPGA和存儲處理FPGA、成像控制FPGA、載荷控制器FPGA之間采用RS-422串行通訊和選通信號進行信息交互，接收由載荷控制器FPGA發(fā)出的秒脈沖信號和遙控指令，采用差分傳輸方式采集絕對編碼器數(shù)據(jù)，按一定占空比的斬波信號對步進電機實現(xiàn)啟動和轉向控制，與主控DSP之間采用地址譯碼的形式進行數(shù)據(jù)的交互，接收看門狗復位處的復位信號，采集16路熱控溫信號和4路熱控測溫信號并通過熱控開關實現(xiàn)加熱功能［1-5］。

2 主控FPGA系統(tǒng)構成及其工作原理

2.1　主控FPGA系統(tǒng)的運行環(huán)境

圖1為主控接口擴展邏輯FPGA外部接口。芯片選用ACTEL公司的反熔絲器件A54SX72A-1-CQ208M，此芯片具有108 000個系統(tǒng)門。FPGA與CPU接口關系為20根地址線、32根數(shù)據(jù)線、以及CPU讀寫片選等信號。該FPGA主要用于產(chǎn)生CPU外圍設備讀寫、片選等接口信號，產(chǎn)生調焦步進電機驅動的控制信號，產(chǎn)生16路熱控控制信號，程控指令的鎖存與處理，實現(xiàn)四路RS-422接口，實現(xiàn)CPU與1553B之間的接口。

其中，主控FPGA與步進電機和絕對編碼器之間的通信構成調焦單元，主控FPGA與主控DSP和秒脈沖電路構成星時管理模塊。

圖1　主控接口擴展邏輯FPGA外部接口

2.2　主控FPGA系統(tǒng)的工作原理

相機控制器單元采用抗輻照的DSP+FPGA的構架組成核心處理器控制單元，完成系統(tǒng)的運控管理、內(nèi)外部通信管理、主動熱控策略的控制、調焦位置的計算、像移補償參數(shù)及偏流角的計算、成像子系統(tǒng)控制、存儲及處理子系統(tǒng)控制；為了降低由于平臺姿、軌參數(shù)廣播延時帶來的像移補償誤差，高分相機的控制系統(tǒng)接收載荷控制器轉發(fā)的環(huán)繞器平臺姿態(tài)參數(shù)、軌道參數(shù)以及雷達測高參數(shù)。相機控制器通過1553B總線接收有效載荷管理單元的數(shù)據(jù)注入，作為一個RT地址接入有效載荷通信數(shù)據(jù)網(wǎng)，根據(jù)接收的工作命令進行相應工作。相機控制單元與成像子系統(tǒng)、調焦編碼器、存儲處理單元采用RS422串行通信進行信息傳遞。

高分辨率相機主控接口擴展邏輯FPGA屬于相機主控單元，安裝在高分相機主控箱內(nèi)的主控板上。圖2為主控接口擴展邏輯FPGA運行環(huán)境圖，高分相機主控箱是相機的綜合控制和功能管理中心，負責對高分相機進行管理和控制，通過外部的數(shù)據(jù)和控制接口的輸入指令及參數(shù)完成CCD/CMOS成像控制、存儲處理控制、調焦控制、調光控制、熱控控制等規(guī)定的功能。［6-7］

圖2　主控接口擴展邏輯FPGA運行環(huán)境

3 調焦單元步進電機控制算法

3.1　調焦單元的設計

為了能適應運載條件、空間環(huán)境以及探測軌道變化對高分相機成像質量的影響，高分相機設置了調焦功能，通過對地面站接收到的圖像進行質量評估，采取地面注入方式進行在軌調焦，或根據(jù)高分相機溫度水平以及探測距離進行在軌調焦［8-10］。

相機控制器的FPGA作為調焦控制的核心單元，讀取編碼器信息，判斷調焦位置是否到達，如果調焦位置未到，則控制驅動器，使得步進電機轉動，從而帶動調焦鏡到達期望調焦位置。

高分相機的調焦采用德國Phytron公司的宇航級兩相混合式步進電機和以色列Netzer公司的成熟產(chǎn)品18位絕對式編碼器以閉環(huán)的方式實現(xiàn)。

考慮到調焦控制是短期的任務行為，且執(zhí)行次數(shù)很少，風險可控，因此根據(jù)系統(tǒng)總體設計，對調焦電機不進行備份設計和雙繞阻設計，對應主控單元中的電機驅動部分也不進行備份，編碼器雖然也不進行備份設置，但主控單元中的編碼器接收通信電路進行了備份設計，以應對通信失效。系統(tǒng)總體功能框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)總體功能框圖

3.2　基于S型曲線的2細分控制模式

主控FPGA根據(jù)地面發(fā)送的信息發(fā)送斬波脈沖信號和方向信號，控制電機轉動。該步進電機采用半步控制的方式（0.9°），在啟停位置加入S 形加減速曲線為基礎，用四相八拍的2細分工作方式轉動。電機相電流的大小采用斬波控制的方式，而實際輸入給步進電機的信號是從LMD18200輸出的，設備采用的步進電機有A、B、C、D四相，其中A、B相連，C、D相連；以A、B兩相為例，當PWM_A的占空比為70%（70%為電機相對調焦機構留有5倍裕量的力矩大小，占空比誤差范圍為±5%），DIR_A為‘1’，則A、B之間占空比為70%，相電流方向為A流向B；當PWM_A的占空比為70%，同時DIR_A為‘0’，則A、B之間占空比為30%，相電流方向為B流向A。按照以上關系，LMD18200按照電機控制時序，輸出占空比信號，并控制電流方向信號，實現(xiàn)步進電機正反轉。其中，電機正轉按0，1……7，0的方向，反轉按7，6……0，7的方向。當正向運動時，電機順時針旋轉，編碼器數(shù)值增大；當反向運動時，電機逆時針旋轉，編碼器數(shù)值減小。

由于調焦方案選用的德國Phytron電機電阻較小，為了實現(xiàn)電機的開環(huán)控制，需采用恒流斬波控制方式，輸出驅動步進電機的四相八拍時序。以下計算占空比及設計驅動波形。

以AB相為例，如圖4所示為步進電機AB相電路圖。

以上式來確定到達額定電流所需時間t0。驅動波形及電流示意圖見圖5。如采用＋15 V電壓驅動試驗用電機，在0～t0時間內(nèi)，以＋15 V電壓驅動電機，t0～t1階段以恒定占空比驅動電機（2.5×0.35/15）。表1為電機四相八拍工作時序表。調焦電機模塊內(nèi)部單元結構圖如圖6所示。

圖5　驅動波形及電流示意圖

表1電機四相八拍工作時序表

Tab.1　Motor four-phase eight-beat work timing table

圖6　調焦電機模塊內(nèi)部單元結構

調焦模式開始時，調焦模塊上電，主控DSP通過與主控接口擴展邏輯FPGA的地址譯碼控制調焦指令。當檢測到調焦指令開時，電機開始轉動；根據(jù)方向指令電機逆時針或順時針轉動，直到運行到目標步數(shù)。

4 時間碼守時校時系統(tǒng)

星上的時間碼由于經(jīng)1553B傳輸，當高分相機接收到后，會產(chǎn)生時間的延遲，在此基礎上加入了秒脈沖信號輔助修正［11］。圖7為秒脈沖接口時序圖。

圖7　秒脈沖接口時序圖

針對以上問題，主控FPGA設計一套守時校時策略，方法如下：

（1）自守時功能，守時時鐘25 M，晶振誤差為±50 PPM（±百萬分之50），每計1 s，誤差在±50 μs之間；主時鐘每周期為40 ns，故25 000周期為1 ms；自守時的時鐘計數(shù)器分為4字節(jié)的秒寄存器和2字節(jié)的毫秒寄存器，高分相機的系統(tǒng)時間采用自守時的時鐘計數(shù)器的時間。

（2）校時功能，有兩個校時影響因素，一個是秒脈沖信號，一個是DSP發(fā)送的平臺時間碼。當接收秒脈沖信號后，啟動延時計數(shù)器計時；當收到EMIF寫入的平臺時間碼時，F(xiàn)PGA在收到平臺時間碼加上延時計數(shù)器計的值做為新的時間碼，更新到自守時的時鐘計數(shù)器中，同時清零延時計數(shù)器計；

（3）當秒脈沖到來超過1.25 s后，主控接口擴展邏輯FPGA仍未收到校時時間碼，延時計數(shù)器清零，時間系統(tǒng)按照內(nèi)部自守時的時鐘執(zhí)行。

（4）當只收到校時平臺時間碼時，秒脈沖信號缺失，采用校時平臺時間碼更新自守時計數(shù)器。

（5）秒脈沖信號、平臺時間碼都缺失時，時間系統(tǒng)按照內(nèi)部自守時的時鐘執(zhí)行。

時間碼校時守時示意圖如圖8。

圖8　時間碼校時守時示意圖

時間碼校時守時流程見圖9：

圖9　時間碼校時守時流程

（1）復位初始化后，系統(tǒng)進入自守時狀態(tài)，自守時秒計數(shù)器和毫秒計時器清零并開始計時，當檢測到秒脈沖信號來臨后，延時寄存器開始計時；

（2）當延時寄存器超過1.25 s后，主控接口擴展邏輯FPGA仍未收到校時時間碼標志信號，延時計數(shù)器清0，時間系統(tǒng)按照內(nèi)部自守時的時鐘執(zhí)行。

（3）當延時寄存器在1.25 s內(nèi)收到校時時間碼標志信號，延時計數(shù)器清0，同時將延時計數(shù)器內(nèi)的數(shù)值與校時時間碼的時間相加，賦給自守時計數(shù)器。

5 測量實驗與結果

為保證電機不產(chǎn)生“失步”現(xiàn)象，需要對電機的矩頻特性進行測試。

為此，搭建了步進電機矩頻試驗測試環(huán)境，測量不同電流不同轉速下的提起物塊的質量。試驗中采用+15 V驅動電機，在0～0時間內(nèi)驅動電機，0～1以恒定占空比控制電機。表2和圖10是電機矩頻特性的試驗結果，由試驗數(shù)據(jù)可知，在步進電機繞組電流為0.56 A，轉速為10轉/分時，電機力矩為0.165 N·m，且力矩大小受轉速的影響并不大，由此可知電機實際力矩達到指標與電機標稱力矩指標一致。

表2不同電流不同轉速下的提起物塊的質量

Tab.2　Mass of the lifted block under different currents and different speeds

圖10　電機矩頻特性曲線

在力矩滿足的基礎上，根據(jù)上述調焦機構的控制算法設計，設定點擊運行100步，結果如圖11～14。

圖11　調焦電機加速段

圖12　調焦電機調整時間

Fig12Focus motor adjustment time

圖13　調焦電機減速段

圖14　調焦電機勻速段

6 結　論

本文根據(jù)火星探測中對高分相機主控單元可靠性的要求，提出了基于反熔絲FPGA對調焦電機加減速和一種可靠的星時管理方法，并介紹了主控FPGA的軟硬件結構和工作原理。研究了在減少結構振動的前提下快速調焦的控制方式，并提高了星時管理的魯棒性。實驗結果證明：調焦機構速度爬升時間為112.2 ms；時間守時的精度為1.25 s。

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Design of Tianwen-1 high-resolution camera anti-fuse FPGA software system

ZHANG Bowei1，WANG Dong1*，HE Yunfeng1，YAN Dejie1，GUAN Hainan1，WU Fanlu1，2

（1，，，130033，；2，，100101，），：

In the context of deep-space exploration， such as the Tianwen-1 mission， reliability over a long working time is an essential requirement for the main control unit of the high-resolution camera. To improve the anti-single event effect and reliability of the master FPGA， an anti-fuse FPGA is used for the software system design. Functions such as focusing unit control， time code punctuality， and time correction， managed by the master FPGA， are safety-critical items. To improve the robustness of the software， the main control FPGA design employs a two-division control method based on the acceleration and deceleration curve for the optical-mechanical structure of the focusing mechanism. A stepper motor driver is used to match the focusing speed and avoid the resonance frequency of the mechanism， for the focusing mechanism to run smoothly； at the same time， when the Tianwen-1 surround is in the ring fire section， the high-resolution camera needs to perform shooting tasks by following delayed commands， creating a requirement for highly accurate timing. Thus， the master control FPGA design must ensure time code punctuality and timing function such that the high-resolution camera accurately executes the shooting task. The experimental results show that the movement time of the focusing mechanism is 112.2 ms and the accuracy of time keeping is 1.25 s. The design satisfies the requirements of a stable operation of the focusing unit and reliable timing.

anti-fuse FPGA； stepper motor； acceleration and deceleration curve； star time management

TP394.1；TH691.9

A

10.37188/OPE.20223002.0170

張博威（1988），男，遼寧葫蘆島人，碩士，助理研究員，2011年、2015年于東北大學分別獲得學士、碩士學位，主要從事航天運動控制系統(tǒng)設計等方面的研究。E-mail：avkatdongda@163.com

王棟（1979），男，山西陽泉人，博士，研究員，碩士生導師，2002年于長春理工大學獲得學士學位，2007年于中國科學院研究生院獲得博士學位，主要從事空間光學遙感器總體設計、空間電子學總體設計、數(shù)字圖像處理等方面的研究。E-mail：wangd@ciomp.ac.cn

1004-924X（2022）02-0170-08

2020-09-21；

2020-11-08.

國家自然科學基金資助項目（No.42001345）；中國科學院月球與深空探測重點實驗室開放基金資助項目（No.LDSE201901）