用于深空粒子探測系統(tǒng)的自動標定裝置研制

孫志朋，千 奕，孔 潔，楊海波，佘乾順，趙紅赟*，蘇 弘，余玉洪，唐述文，張永杰，方 芳，蒲天磊，顏俊偉，柯凌云

(1. 中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000；2. 中國科學院大學核科學與技術學院 北京 石景山區(qū) 100049)

火星是太陽系中距離地球最近的類地行星，了解火星的演化對于了解地球的過去，更好預知地球的未來演化有著非常重要的意義，因此，火星探測成為繼月球探測之后深空探測的最大熱點[1-3]。我國計劃于2020 年開展首次火星探測任務?；鹦悄芰苛Ｗ犹綔y器是火星環(huán)繞器的一個重要科學載荷，由探測器單元和讀出電子學單元組成，主要用于開展地火轉移軌道及環(huán)火星軌道上的能量粒子分布情況的探測[4-5]。深空環(huán)境下巨大的晝夜溫差、長期不間斷運行的要求和強烈的空間粒子輻射會不可避免地造成電子學單元的性能改變、器件老化甚至永久性損傷[6-7]。為了及時評估探測器系統(tǒng)的噪聲基線、電子學單元的通道一致性、線性、能量分辨等性能，為離線數據分析以及在軌工作參數的修正提供依據，本文設計了一款可以應用于深空探測的自動標定裝置。該裝置由FPGA 和少量外圍電路構成，結構緊湊，可直接搭載于火星能量粒子探測器系統(tǒng)的電子學單元上。

1 標定裝置結構及功能

標定裝置主要用于對探測器系統(tǒng)(探測器+電子學)功能、性能和運行狀態(tài)的檢測與評估[8]。

1.1 標定裝置結構

圖1 所示為標定系統(tǒng)結構框圖，包括被標定模塊和標定裝置。其中被標定模塊由探測器單元和基于ASIC 芯片的前端電子學單元構成。標定裝置由標準脈沖產生單元、高速模數轉換單元和控制與數據處理單元構成。標準脈沖產生單元由高精度模數轉換器(DAC)和高速電子開關構成，產生標準脈沖信號作為被標定模塊的輸入信號。高速模擬數字轉換單元由高精度ADC 及其外圍電路構成，完成對被標定模塊輸出信號的采樣和數字化。控制與數據處理單元是基于FPGA 的固件代碼，該單元根據上位機的指令，設置標定參數；產生包括ADC、DAC、高速電子開關和被標定模塊在內的各模塊的控制信號；接收ADC 輸出的數據，并對數據進行一系列處理后上傳給上位機。上位機(載荷管理器或是星載計算機)用于接收上傳的數據和下發(fā)配置指令，對標定系統(tǒng)的標定參數進行靈活多樣的配置。

圖1 標定系統(tǒng)結構框圖

1.2 標定裝置功能

利用該裝置可實現對長期工作后的探測器系統(tǒng)進行基線噪聲的穩(wěn)定性測試與評估；實現對前端電子學單元的線性、通道一致性等性能的測試與刻度。

如圖1 所示，對探測器系統(tǒng)進行噪聲基線測試時，前端電子學單元直接采集來自探測器的本底噪聲信號，噪聲信號經過采樣及模數轉換后，送入FPGA 進行緩存并最終將數據打包上傳。同時，利用式(1)將標定所得數據求均值，在電子學單元性能標定和探測器實際工作過程中，作為當前探測器系統(tǒng)基線值，對采集到的數據進行基線扣除，如式(2)所示：

式中，Bi代表第i次采樣得到的數據；N表示采樣總次數；Bave表示基線的平均值；Vraw表示實際采樣得到的幅度值；Vact即為基線恢復之后的幅度值。

對電子學單元進行性能刻度時，FPGA 邏輯控制標準脈沖產生電路產生一系列等間隔、特定幅度的標準脈沖信號作為前端電子學單元的輸入信號。

探測器系統(tǒng)噪聲基線標定和電子學單元性能標定通過指令控制，可分別獨立進行，亦可由標定系統(tǒng)自動進行切換，聯合進行。為了應對深空條件下指令傳輸帶寬受限[9-11]，標定指令無法及時發(fā)送的情況，本裝置設計了自啟動功能，可依照默認的標定參數定時啟動標定過程，在不需要人工干預的情況下實現探測器系統(tǒng)的全自動標定，自動標定重復時間間隔可以由上位機進行配置。

2 裝置主要模塊設計與實現

如前所述，標定裝置主要由標準脈沖產生單元、高速模擬數字轉換單元(ADC)、控制與數據處理單元(FPGA 固件模塊)3 大模塊構成.。

2.1 標準脈沖產生單元

如圖2 所示，標準脈沖產生單元主要由12 bit高精度數字模擬轉換器(DAC)芯片TLV5638、高速電子開關芯片ADG201 和外圍脈沖成形電路構成。FPGA 控制DAC 產生一系列精準的電平信號并送入驅動模塊增加信號的帶負載能力，同時控制高速電子開關完成高速通/斷切換，配合外圍脈沖成形電路的工作，形成一系列標準脈沖信號。電平信號的幅度可通過FPGA 輸出碼值設置，轉換關系如式(3)所示：

式中，N為DAC 位寬；Uref為DAC 參考電壓；Dn為DAC 的輸入碼值；Uo為DAC 輸出電壓(即標準脈沖信號的幅度值)。

圖2 標準脈沖產生單元結構圖

標準脈沖波形產生過程如圖3 所示。在電子學性能標定過程中，該單元從設定的起始值開始，輸出等間隔、特定幅度的標準脈沖信號給前端電路，當輸出的脈沖信號個數達到預設的特定數量后，輸出幅度在原有基礎上增加一個步進值，繼續(xù)輸出特定數量標準脈沖信號，直到輸出幅度等于預設的終止幅度，結束電子學性能標定。

圖3 標準脈沖產生過程

2.2 高速模擬數字轉換單元

如圖4 所示，高速模數轉換單元包括信號調理電路和一片14 bit 高精度ADC 芯片B9243。前端電子學單元的模擬信號會以差分的形式輸出，為了提高信號質量，在信號進入ADC 前使用信號調理電路進行預處理，提高信噪比并對信號進行放大以匹配ADC 輸入量程；增強信號驅動能力并進行差分-單端轉換以匹配ADC 輸入端口。在實際設計中，取R3=R5，R1=R6，R2=R7，得到該信號調理電路的輸入輸出關系如式(4)，通過調整R4阻值，可以調整電路的放大倍數。通過調整參考電壓Vref，可以調整電路輸出信號的基線電平，以匹配后續(xù)ADC 電路的基準電壓。ADC 芯片在FPGA 固件控制下，對信號調理電路輸出的Vout數字化，并輸出數據到FPGA。

圖4 模擬數字轉換單元結構框圖

2.3 控制與數據處理單元

如圖5 所示，控制與數據處理單元主要由7個FPGA 固件模塊構成，分別為：指令接收、解析模塊；自守時模塊；觸發(fā)產生模塊；標準脈沖產生單元控制模塊；前端電子學單元控制模塊；模數轉換單元控制模塊；數據緩存、打包、傳輸模塊。本單元是標定裝置實現各項功能的核心控制單元。

指令接收、解析模塊實現和上位機之間的通信，根據上位機下發(fā)的指令完成裝置工作模式切換、標定參數配置以及啟動其他子模塊等功能；自守時模塊用于完成自啟動功能，該模塊在系統(tǒng)運行到預設時刻后，自動啟動標定過程，在不需要人為干預的情況下完成所有標定流程；觸發(fā)產生模塊在標定期間輸出定量的觸發(fā)信號，驅動相應模塊完成信號采集；標準脈沖產生單元控制模塊控制外部標準脈沖產生單元輸出標準脈沖信號；前端電路控制模塊控制基于ASIC 芯片的前端電路工作，采集來自探測器的噪聲基線信號或標準脈沖產生單元的脈沖信號；模數轉換單元控制模塊控制ADC 電路，將前端電子學單元輸出的模擬信號進行模-數轉換，并將轉換后的數據送入數據緩存、打包、傳輸模塊；數據緩存、打包、傳輸模塊完成數據的校驗、打包與上傳。

圖5 FPGA 固件模塊與構成

深空探測中，探測器系統(tǒng)一般由多種探測器組合構成，根據探測器輸出信號的特征，每種探測器都需要有對應的讀出電子學通道。為了滿足多通道、大動態(tài)范圍的讀出電子學刻度需求，標定裝置設計了參數重配置功能，標定信號幅度的起始值、步進值、終止值、頻率等參數均靈活可調。

為了應對深空探測過程中復雜的輻照環(huán)境[12-13]，在FPGA 固件設計中對關鍵模塊進行了3 模冗余加固，并在數據打包時加入時間戳、CRC 校驗碼等校驗信息以提高系統(tǒng)在數據傳輸過程中的可靠性。

3 測試與驗證

為了驗證和評估標定裝置的功能與性能，本文將標定電路與火星能量粒子探測器集成為一體，并搭建了地面模擬檢測系統(tǒng)(簡稱地檢系統(tǒng))，結合深空探測應用需求，對探測器系統(tǒng)共計11 個前端通道的基線穩(wěn)定性、電子學通道線性和通道能量分辨等性能開展了相應測試，標定測試所得數據，可以對探測器及讀出電子學性能的評估與優(yōu)化提供依據。

3.1 大溫度范圍內系統(tǒng)非線性及能量分辨測試

在深空探測中，晝夜溫差較大[14]，為了驗證系統(tǒng)及標定裝置在大溫度范圍內的性能，使用ETOMA公司的NT408 型高低溫干燥試驗箱進行了溫度范圍為-40°～+50°的循環(huán)實驗，以10°為單位步進，在每個溫度點進行2 h 溫度平衡后再進行電子學線性和能量分辨標定。給定的標定參數為：起始值為0 V，終止值為2 V，步進值為100 mV，頻率為1 kHZ，能量分辨標定采用500 mV 標準脈沖信號作為輸入。表1 給出硅探測器對應讀出電子學通道的數據擬合分析結果，該通道非線性好于1.86%，能量分辨σ好于1.91 個 ADC 道(0.125 mV/道)。整個系統(tǒng)所有探測器對應的電子學通道在各個溫度點下非線性性能均優(yōu)于2%，且同一通道全溫度范圍內變化小于1%。系統(tǒng)所有探測器對應電子學通道在各個溫度點下能量分辨性能優(yōu)于3.3 個ADC 道，且同一通道全溫度范圍內變化小于0.5 個ADC 道。該項測試表明系統(tǒng)在大溫度范圍內有著良好的能量分辨和線性性能，從而驗證了探測器系統(tǒng)和標定裝置在惡劣環(huán)境下的工作的性能。根據測試結果中各通道輸出達到飽和時的輸入值，得到了相應通道的線性輸入范圍，以判定電子學通道是否滿足對應探測器讀出需求。

表1 不同溫度下通道非線性及能量分辨統(tǒng)計表

3.2 系統(tǒng)長期穩(wěn)定性測試

為了驗證系統(tǒng)及標定裝置在復雜條件下長時間工作后的性能，于2018 年10 月-2019 年10 月開展了力學實驗、EMC 電磁兼容實驗、超過1 000 h的高低溫老練實驗等一系列性能實驗。期間，于2018 年的12 月8 日-10 日進行了束流實驗，將整個探測器系統(tǒng)置于高強度的重離子束流輻照環(huán)境下，模擬深空輻射環(huán)境。在性能試驗開始前和結束后，分別對整個探測器系統(tǒng)在相同條件(恒溫20°，有屏蔽)下進行相同配置的噪聲基線測試、線性標定(起始值為0 V，終止值為2 V，步進值為100 mV，頻率為1 kHz)和能量分辨標定(500 mV 標準脈沖信號作為輸入)。對實驗前后的標定數據進行對比，選取碘化銫探測器對應讀出電子學通道的結果進行展示。如圖6 所示，實驗后噪聲基線穩(wěn)定度依然良好，滿足設計指標要求。該通道實驗前后線性標定結果如圖7 所示，實驗前通道非線性為 1.41%，實驗后通道非線性為 1.46%。殘差分布如圖8 所示，在通道非飽和范圍內(＜14 000 道)，實驗前后殘差分布范圍均小于200 道(0.125 mV/道)且分布規(guī)律相似，線性擬合的斜率變化小于0.05，該項測試說明在經過性能實驗后，該通道線性以及增益幾乎沒有變化，經過分析，系統(tǒng)所有探測器對應的電子學通道實驗前后線性變化均小于0.5%，增益變化小于0.5%，滿足設計指標要求。該通道能量分辨測試結果如圖9 所示，實驗前能量分辨(ADC 道)為3.140 46，實驗后能量分辨(ADC 道)為3.322 11。實驗前后能量分辨變化小于0.2道，中心道值在輸出幅度超過4 400 道的情況下，變化小于20 道(小于0.5%)，經過分析，系統(tǒng)所有探測器對應電子學通道的能量分辨在實驗前后變化小于0.4 道，且所有通道仍優(yōu)于3.3 道，同一輸入對應輸出的中心道值變化小于0.5%，滿足設計指標要求。通過以上性能測試，驗證了系統(tǒng)在經過長期穩(wěn)定性實驗后，仍滿足各項設計指標的要求，從而表明了標定裝置與整個探測器系統(tǒng)具有較好的工作可靠性，具備在復雜環(huán)境下長期工作的能力。

圖6 性能實驗前后系統(tǒng)基線穩(wěn)定性測試結果對比

圖7 可靠性實驗前后單通道線性標定結果對比

圖8 可靠性實驗前后單通道擬合殘差分布對比

圖9 性能實驗前后單通道能量分辨標定結果對比

4 結 束 語

本文針對深空探測的應用設計了一款基于FPGA 的標定裝置，目前該標定裝置已經成功應用于我國首顆火星探測衛(wèi)星的有效載荷-火星能量粒子探測器，為未來空間飛行中的在板標定和自動測試提供手段。在研發(fā)階段，利用該裝置多次對系統(tǒng)進行標定以驗證設計是否滿足指標要求。該標定裝置采用FPGA 作為核心控制器件，外圍電路少、結構簡單、體積小且功耗低，具有很強的可移植性，便于在其他空間粒子探測系統(tǒng)中構建板上標定裝置。