高能質(zhì)子探測(cè)器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常遠(yuǎn) 沈國(guó)紅 荊濤

摘 ?要： 高能質(zhì)子探測(cè)器是重要的星載空間環(huán)境探測(cè)類(lèi)儀器，在其研制測(cè)試等過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要對(duì)大量探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了高效、準(zhǔn)確地處理這些探測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)基于FPGA與LabVIEW的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。硬件采用Xilinx公司Spartan?6系列XC6SLX9和Silicon Labs CP2102GM，上位機(jī)采用LabVIEW開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，該傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定高效，達(dá)到使用要求。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)傳輸; 高能質(zhì)子探測(cè)器; 數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)處理; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 程序設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34; TP301.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）20?0005?04

Design of data transmission system for high energy proton detector

CHANG Yuan1， 2， 3， 4， SHEN Guohong1， 3， 4， JING Tao1， 3， 4

（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Science， Beijing 100190， China;

2. University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China;

3. Beijing Key Laboratory of Space?based Space Environment Exploration， Beijing 100190， China;

4. Key Laboratory of Space Environment Situation Awareness Technology， Chinese Academy of Science， Beijing 101499， China）

Abstract： High energy proton detector is an important satellite?borne space environment detection instrument. In the courses of development and testing， the design of data transmission system for high energy proton detector is very important and a large amount of detected data needs to be processed by using this system. A data transmission system based on FPGA and LabVIWE is designed to process the data efficiently and accurately. The XC6SLX9 of Spartan?6 series made by Xilinx company and Silicon Labs CP2102GM are adopted in the hardware of the system， and the host computer program is developed with LabVIEW. ?The test for the system was carried out. The results show that the data transmission system is stable and efficient， and can meet the requirements of application.

Keywords： data transmission; high energy proton detector; data acquisition; data processing; system design; program design

0 ?引 ?言

星載空間高能粒子探測(cè)器的主要探測(cè)對(duì)象是衛(wèi)星運(yùn)行軌道的高能帶電粒子，主要為地球輻射帶（又稱(chēng)范艾倫帶）的粒子[1]。地球輻射帶是由空間中高能帶電粒子組成的輻射層，被分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶，粒子成分主要包括質(zhì)子、電子[2]。高能粒子探測(cè)器的探測(cè)內(nèi)容為質(zhì)子、電子的能譜及通量。通過(guò)測(cè)量空間帶電粒子的能譜和通量，可以得到粒子的空間分布，進(jìn)而做進(jìn)一步研究。高能粒子探測(cè)器提供大量數(shù)據(jù)的累積研究粒子的時(shí)間、空間分布和高能粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[3]，為我國(guó)空間環(huán)境保障監(jiān)測(cè)和體系提供探測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)為衛(wèi)星飛控管理和異常情況分析提供分析數(shù)據(jù)。本文采用Spartan?6系列和Silicon Labs CP2102GM，上位機(jī)采用LabVIWE開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)針對(duì)高能質(zhì)子探測(cè)器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 ?高能質(zhì)子探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高能質(zhì)子探頭采用多片硅半導(dǎo)體傳感器組成的望遠(yuǎn)鏡形式對(duì)高能質(zhì)子進(jìn)行測(cè)量[4]。通過(guò)質(zhì)子在硅傳感器中的能量沉積，配合邏輯工作方式對(duì)質(zhì)子的能譜進(jìn)行劃分[5]。探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?高能質(zhì)子探測(cè)器

為了降低電子對(duì)質(zhì)子測(cè)量的影響，質(zhì)子探頭的前端增加了偏轉(zhuǎn)磁鐵。準(zhǔn)直儀系統(tǒng)包括了最外層的支撐和屏蔽結(jié)構(gòu)，反散射結(jié)構(gòu)和擋光層。外層支撐和屏蔽結(jié)構(gòu)可以降低從側(cè)面斜入射粒子對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。反散射結(jié)構(gòu)降低了電子在材料中的彈性散射效應(yīng)。為了消除空間中高能電子對(duì)質(zhì)子探頭的干擾和輻照影響，在準(zhǔn)直儀加入了永久磁鐵對(duì)電子進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。使中心磁場(chǎng)達(dá)到4 200 Gs，可以有效去除小于1 MeV的電子影響。

傳感器系統(tǒng)中使用1片500 μm和6片1 mm的離子注入型硅半導(dǎo)體傳感器，粒子在半導(dǎo)體傳感器內(nèi)沉積能量，轉(zhuǎn)化為脈沖電荷信號(hào)，信號(hào)由后續(xù)電子學(xué)線路進(jìn)行信號(hào)放大、處理和分析;同時(shí)，結(jié)合其邏輯工作方式和幅度分析法，從而可以測(cè)量粒子的能譜和通量。

2 ?電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高能質(zhì)子探測(cè)器電子學(xué)系統(tǒng)的原理如圖2所示。電子學(xué)線路主要包括前置放大電路、高壓電路、A/D采集電路、FPGA處理電路、存儲(chǔ)器及總線接口電路。前置放大電路主要用于完成對(duì)傳感器輸出電荷脈沖信號(hào)的電荷靈敏放大、成形及主放大等功能，確保輸出信號(hào)能夠滿足后續(xù)A/D采集電路的要求。模擬開(kāi)關(guān)及A/D采集電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行多路選通和采樣。FPGA電路按照設(shè)定的邏輯處理方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析處理，并存儲(chǔ)打包，通過(guò)RS 422總線與衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下傳。

3 ?數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集以及對(duì)探測(cè)器進(jìn)行參數(shù)配置主要依賴(lài)于FPGA，本文選擇串口Uart與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.1 ?Uart的通信協(xié)議和傳輸時(shí)序

Uart需要先將收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來(lái)傳輸[6]。消息幀以一個(gè)起始位開(kāi)始，后面跟7～8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，最后為一個(gè)或幾個(gè)高位停止位[7]。接收器從接收到起始位開(kāi)始準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)過(guò)程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，如果添加了奇偶校驗(yàn)位再進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)從串行轉(zhuǎn)成并行。圖3展示了UART傳輸時(shí)序。

圖2 ?電子學(xué)系統(tǒng)原理圖?

圖3 ?UART傳輸時(shí)序

3.2 ?硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要由FPGA和Silicon Labs CP2102GM芯片組成。對(duì)于FPGA，本文選擇的是Xilinx公司Spartan?6系列XC6SLX9。Spartan?6系列采用成熟的45 nm低功耗銅制程技術(shù)制造，實(shí)現(xiàn)了性價(jià)比與功耗的完美平衡，功耗僅為上一Spartan系列的50%。時(shí)鐘管理模塊（CMT）可以對(duì)時(shí)鐘低噪聲、高靈活度的時(shí)鐘控制。頻率綜合實(shí)現(xiàn)倍頻、分頻和調(diào)相。

CP2102GM芯片是USB和UART電平轉(zhuǎn)換的橋梁。CP2102包括USB 2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器、E2PROM和異步串行數(shù)據(jù)總線（UART）[8]。封裝在一個(gè)緊湊的5 mm×5 mm QFN?28封裝中。Silicon實(shí)驗(yàn)室提供基于CP2102的虛擬COM端口（VCP）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB轉(zhuǎn)串口原理圖如圖4所示。

3.3 ?FPGA設(shè)計(jì)

FPGA程序由主程序和4個(gè)子程序構(gòu)成，4個(gè)子程序分別為串口發(fā)送程序、串口接收程序、時(shí)鐘產(chǎn)生程序和串口發(fā)送控制程序。程序流程圖如圖5所示。

UART是異步傳輸，沒(méi)有傳輸同步時(shí)鐘，所以采用16倍數(shù)據(jù)波特率的時(shí)鐘進(jìn)行采樣[9]。每個(gè)數(shù)據(jù)有16個(gè)時(shí)鐘采樣，取中間的采樣值，以保證采樣不會(huì)滑碼或誤碼。一般UART一幀的數(shù)據(jù)位為8，這樣保證了如果每個(gè)數(shù)據(jù)有一個(gè)時(shí)鐘的誤差，接收端采樣到的數(shù)據(jù)仍然是正確的。所以在時(shí)鐘產(chǎn)生程序時(shí)，把產(chǎn)生的時(shí)鐘設(shè)置為波特率[10]的16倍。

圖4 ?USB轉(zhuǎn)串口

圖5 ?FPGA程序框圖

3.4 ?LabVIEW程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面程序在此選擇LabVIEW的編程環(huán)境。LabVIEW不只是一種編程語(yǔ)言，還是一種為科學(xué)家和工程師等設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行系統(tǒng)，具有圖形化、跨平臺(tái)、易掌握等優(yōu)點(diǎn)。

3.4.1 ?LabVIEW與串口通信

LabVIEW與串口進(jìn)行通信前還需要安裝官方提供的虛擬儀器軟件規(guī)范（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）庫(kù)，安裝VISA庫(kù)后可以使用函數(shù)?儀器I/O?串口內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括VISA配置串口、VISA寫(xiě)入、VISA讀取、VISA關(guān)閉等[11]。這也是實(shí)現(xiàn)串口通信必用的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。一些情況下，還可以使用VISA清空I/O緩沖區(qū)節(jié)點(diǎn)來(lái)清空緩沖區(qū)[12]。

3.4.2 ?程序設(shè)計(jì)

前面板主要包括串口設(shè)置和一些顯示控件，如圖6所示。本項(xiàng)目設(shè)置波特率為9 600 b/s，校驗(yàn)為奇校驗(yàn)。波形圖表用來(lái)實(shí)時(shí)顯示下位機(jī)傳回的數(shù)據(jù)[13]?！敖邮站彺鎱^(qū)”得到的是接收到的數(shù)據(jù)。96位配置信息流寫(xiě)在“配置數(shù)據(jù)”窗口，通過(guò)“寫(xiě)入配置”按鈕發(fā)送數(shù)據(jù)，寫(xiě)入成功后，上位機(jī)會(huì)將寫(xiě)入的數(shù)據(jù)顯示在“接收緩存區(qū)”窗口，保存數(shù)據(jù)按鈕可以將數(shù)據(jù)保存為Excel格式，退出按鈕可以退出此程序。

圖6 ?程序運(yùn)行圖

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，通過(guò)使用FPGA與LabVIEW編程構(gòu)成的傳輸系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地傳輸高能質(zhì)子探測(cè)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。利用顯示控件，可以直觀地觀察到數(shù)據(jù)的變化，保存數(shù)據(jù)與回放數(shù)據(jù)功能為數(shù)據(jù)大量傳輸以及重復(fù)分析提供了保障。

注：本文通訊作者為沈國(guó)紅。

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