紅外地球敏感器光電組件測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘 攀，佟亞珍，宋佳赟，李晶晶，王培超

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所， 北京 100086)

0 引言

圓錐掃描式紅外地球敏感器是中低軌道航天器姿態(tài)測(cè)量的關(guān)鍵部件，其中，光電組件的性能參數(shù)直接影響衛(wèi)星姿態(tài)角的測(cè)量精度。衛(wèi)星控制系統(tǒng)對(duì)光電組件測(cè)試系統(tǒng)提出的要求為：信號(hào)幅值采集精度優(yōu)于50 mV/20 V，信號(hào)頻率測(cè)試精度優(yōu)于1 Hz/100 kHz。鑒于國(guó)內(nèi)對(duì)相關(guān)電信號(hào)測(cè)量的研究不多，設(shè)計(jì)了一種紅外地球敏感器光電組件測(cè)試系統(tǒng)，精確測(cè)量了光電組件的光柵信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的幅度、頻率等參數(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的精準(zhǔn)定位，有效提高衛(wèi)星在軌的自主性具有參考意義。

1 系統(tǒng)硬件電路

紅外地球敏感器光電組件測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成主要包括模擬信號(hào)采集模塊、數(shù)字信號(hào)采集模塊、電阻陣列模塊、電機(jī)控制模塊、輔助控制模塊、主控模塊和電源，測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 紅外地球敏感器光電組件測(cè)試系統(tǒng)框圖

主控模塊為核心控制器模塊，它一方面將軟件界面設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)傳輸給電機(jī)控制模塊以驅(qū)動(dòng)電機(jī)并提取轉(zhuǎn)速等信號(hào)，另一方面完成測(cè)試過(guò)程的動(dòng)作實(shí)施，通過(guò)反饋的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并存儲(chǔ)；模擬信號(hào)采集模塊為電機(jī)電流遙測(cè)信號(hào)及被測(cè)光電組件模擬信號(hào)采集硬件電路；數(shù)字信號(hào)采集模塊為電機(jī)轉(zhuǎn)速及被測(cè)光電組件信號(hào)頻率采集硬件電路。

1.1 主控模塊

主控模塊采用ARM+FPGA方案，設(shè)計(jì)原理如圖2所示。ARM在控制方面性能優(yōu)異，能夠很好地完成分配調(diào)度任務(wù)和運(yùn)算工作，且在驅(qū)動(dòng)TFT、通信等方面非常穩(wěn)定。對(duì)于信號(hào)采集，采用FPGA+高精度AD實(shí)現(xiàn)。雙核ARM Cortex-A9提供最大667 MHz的頻率，極大增強(qiáng)了控制單元的控制和處理能力，并包含豐富的存儲(chǔ)功能，提供HDMI、VGA等多種接口形式滿足設(shè)備各種通信需求。

圖2 主控模塊設(shè)計(jì)原理框圖

1.2 模擬信號(hào)采集模塊

由于系統(tǒng)需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)較多，精度要求高，故采用TI的ADS8568作為A/D采集芯片，設(shè)置成8通道同步采樣，保證基準(zhǔn)信號(hào)、光柵信號(hào)可獨(dú)立通斷使用，也可以并行使用。

ADS8656為SAR類型ADC，對(duì)輸入信號(hào)要求較高，輸入電流由實(shí)際采樣率、輸入電壓、源阻抗決定。ADC工作時(shí)需要信號(hào)將內(nèi)部的充電電容充滿直到轉(zhuǎn)換周期開(kāi)始，設(shè)轉(zhuǎn)換周期為tACQ，則其 -3 dB帶寬為：

(1)

式中：n為ADC的有效位數(shù)。以最小轉(zhuǎn)換時(shí)間280 ns為例，此時(shí)需要的前置ADC帶寬約6.7 MHz，如果小于該值，引起的增益誤差將不能被修正。

SAR ADC對(duì)信號(hào)源輸出阻抗也有較高要求，信號(hào)源的輸出阻抗比滿足：

(2)

式中：n為ADC有效位數(shù)；Cs為充電電容(4Vref時(shí)為10 pf)；RSER為200 Ω輸入電阻值；RSW為內(nèi)部開(kāi)關(guān)電阻值。以最小轉(zhuǎn)換時(shí)間280 ns時(shí)為例，此時(shí)源阻抗必須小于2 kΩ，而在很多電壓測(cè)量環(huán)節(jié)，要求源阻抗小于2 kΩ幾乎不可能，所以在ADC之前需要增加一個(gè)高帶寬的ADC驅(qū)動(dòng)器，要求其帶寬足夠大，輸出阻抗盡可能小。

1.3 數(shù)字信號(hào)采集模塊

數(shù)字采集模塊實(shí)質(zhì)上是FPGA對(duì)IO口TTL波形的計(jì)數(shù)。而基準(zhǔn)輸出信號(hào)、光柵輸出信號(hào)為正弦波信號(hào)，信號(hào)的幅值為0.1～12 V，不符合TTL信號(hào)電平要求，需要一個(gè)前端電路將其調(diào)理成TTL電平。該頻率測(cè)量前端電路如圖3所示。

圖3 頻率測(cè)量前端電路圖

圖3中被測(cè)信號(hào)通過(guò)P1輸入，R5為限流電阻，AR1為放大電路，使得0.1～12 V的電壓信號(hào)能放大到后級(jí)限幅電路的限制范圍。D1、D2將輸入信號(hào)限幅到0.7 V左右，再通過(guò)AR2放大到近似TTL電平的幅值范圍。AR2的輸出接到施密特芯片74HC14，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號(hào)，再輸入FPGA的IO做等精度頻率測(cè)量。

FPGA內(nèi)部時(shí)鐘頻率需要做出廠標(biāo)定，通過(guò)內(nèi)部程序?qū)?00 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘10分頻輸出，由片上系統(tǒng)內(nèi)部的選擇器將信號(hào)輸出到后面板，校準(zhǔn)時(shí)使用外接頻率計(jì)即可。

1.4 電阻陣列模塊

光柵信號(hào)、基準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的阻值調(diào)節(jié)發(fā)光二極管強(qiáng)度。電阻陣列模塊原理如圖4所示。

圖4 電阻陣列模塊原理圖

12 V電源通過(guò)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)進(jìn)入電子開(kāi)關(guān)。電子模擬開(kāi)關(guān)輸入經(jīng)過(guò)R11采樣電阻進(jìn)入電阻陣列R12～R12n，電阻陣列的輸出連接發(fā)光二極管L1的正極。L1通過(guò)的電流約為幾十毫安，所以采樣電阻選擇718廠RMK(1206)型有失效率等級(jí)的片式薄膜系列貼片電阻，阻值為10 Ω。電阻溫度系數(shù)為±10×10-6/K，阻值偏差±0.05%，極限電壓為100 V，滿足此處的電流采樣要求。同時(shí)，選用4只10 Ω(70°額定功率0.25 W)電阻串并聯(lián)組成10 Ω(圖5)，此時(shí)采樣電阻上的額定功率增加到1 W，系統(tǒng)正常工作時(shí)采樣電阻上的最大功率為：

(3)

額定功率遠(yuǎn)大于該采樣電阻上正常工作時(shí)的最大功率，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

圖5 10 Ω采樣電阻電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行在Linux 系統(tǒng)中，總體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。系統(tǒng)上電啟動(dòng)應(yīng)用程序，應(yīng)用程序開(kāi)始后配置FPGA內(nèi)部ADC驅(qū)動(dòng)、頻率測(cè)量模塊驅(qū)動(dòng)，初始化各外設(shè)，運(yùn)行TCP服務(wù)器并監(jiān)聽(tīng)設(shè)定端口；ADC、頻率測(cè)量模塊得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM Linux中進(jìn)行處理，ADC數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波、加窗、FFT、幅值恢復(fù)及顯示等處理，頻率結(jié)果直接修正顯示。

圖6 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程框圖

光電組件光柵信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的幅值采用傅里葉變換將時(shí)域連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，通過(guò)適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)算法得到想要的幅度譜數(shù)據(jù)。為了提高幅值的精度，通常采用加窗、頻譜修正等技術(shù)，加窗的目的是壓低旁瓣、減小頻譜的泄露。連續(xù)信號(hào)經(jīng)過(guò)加窗截?cái)嗪蟮臄?shù)據(jù)再通過(guò)FFT計(jì)算可得到信號(hào)的頻譜，頻譜經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算即可得到信號(hào)的幅度譜。FFT計(jì)算過(guò)程中包含各種窗函數(shù)，不同的窗函數(shù)得到的幅度譜精度不同，F(xiàn)lat Top窗函數(shù)可以較精確地恢復(fù)各個(gè)不在分辨率上的信號(hào)幅度。本文采用目前應(yīng)用較廣的Flat Top窗函數(shù)進(jìn)行幅度譜分析計(jì)算，該窗函數(shù)的形式為：

(4)

其中：ck為關(guān)于k的常數(shù)；N為FFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)。

不同維度的Flat Top窗能得到不同的精度，HFT248D是Flat top窗中誤差最小的算法，也最復(fù)雜，其公式為：

ωj=1-1.985 844 164 102cos(z)+

1.711 764 385 06cos(2z)-

1.282 075 284 005cos(3z)+

0.667 777 530 266cos(4z)+

0.240 160 796 576cos(5z)+

0.056 656 381 764cos(6z)-

0.008 134 974 479cos(7z)+

0.000 624 544 650cos(8z)-

0.000 019 808 998cos(9z)+

0.000 000 132 974cos(10z)

時(shí)域、頻域的波形如圖7所示。

假設(shè)原始信號(hào)為

(5)

式中：Adc為直流分量幅值；f1為被測(cè)信號(hào)頻率；P1為初始相位；fn為干擾信號(hào)頻率。

假定Adc=1.5，A1=3.1，A2=1.5，f1=6 274.25，f2=2 000.5，P1=-30，P2=90，其時(shí)域波形如圖8(a)所示，加窗后時(shí)域波形如圖8(b)所示，F(xiàn)FT結(jié)果如圖8(c)所示。

圖7 時(shí)域、頻域波形

圖8 信號(hào)FFTW前后波形

FFTW庫(kù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室超級(jí)計(jì)算組開(kāi)發(fā)的目前世界上公認(rèn)運(yùn)算較快、使用廣泛的串行C程序自適應(yīng)軟件包。FFTW庫(kù)能自適應(yīng)系統(tǒng)硬件，可移植性強(qiáng)，可用于計(jì)算任意維數(shù)的實(shí)、復(fù)數(shù)類型的離散傅里葉變換。FFTW庫(kù)主要通過(guò)靈活運(yùn)用運(yùn)行時(shí)性能分析和相關(guān)的搜索技術(shù)來(lái)選擇離散傅里葉變換的最優(yōu)分解路徑，可適應(yīng)于不同的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。FFTW庫(kù)主要由底層的代碼生成器和上層的運(yùn)行框架兩部分組成，F(xiàn)FTW底層基本實(shí)現(xiàn)了所有的快速傅里葉變換算法。在FFTW庫(kù)自動(dòng)化配置時(shí)會(huì)記下每一個(gè)算法的執(zhí)行時(shí)間和對(duì)于任意問(wèn)題規(guī)模的快速傅里葉變換。

光電組件光柵信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻率為0～44 kHz，測(cè)試精度不大于5″。采用等精度測(cè)量方法。等精度頻率測(cè)量法是在直接測(cè)頻方法基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其實(shí)際閘門(mén)時(shí)間不固定，是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，與被測(cè)信號(hào)同步，因此又稱為多周期同步法。此方法利用閘門(mén)與被測(cè)信號(hào)同步消除對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的±1個(gè)周期誤差，測(cè)量精度大為提高，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)測(cè)量期間的等精度測(cè)量。頻率測(cè)量原理及波形如圖9所示。

圖9 等精度頻率測(cè)量原理及波形

在測(cè)量過(guò)程中，有2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)Fs及被測(cè)頻率信號(hào)Fx同時(shí)計(jì)數(shù)。首先給出預(yù)置閘門(mén)上升沿開(kāi)啟信號(hào)，此時(shí)2個(gè)計(jì)數(shù)器并不開(kāi)始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)頻率信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)才真正開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置閘門(mén)下降沿關(guān)閉信號(hào)到來(lái)時(shí)，2個(gè)計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)頻率信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)才停止計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過(guò)程。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率為Fs，被測(cè)信號(hào)的頻率為Fx，在測(cè)量時(shí)間段Tws內(nèi)被測(cè)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Nx，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns，則式(6)成立。

(6)

設(shè)被測(cè)信號(hào)的頻率準(zhǔn)確值為Fx0。在一次測(cè)量過(guò)程中，由于被測(cè)信號(hào)Fx計(jì)數(shù)的起停時(shí)間是由該信號(hào)的上升沿控制的，因此在測(cè)量時(shí)間段Tws內(nèi)對(duì)Fx的計(jì)數(shù)Nx無(wú)誤差。在此時(shí)間段內(nèi)對(duì)Fs的計(jì)數(shù)Ns最多相差1個(gè)脈沖，即|ΔNs|≤1，則下列等式成立：

(7)

根據(jù)相對(duì)誤差公式：

(8)

則被測(cè)信號(hào)Fx的相對(duì)誤差

(9)

由式(9)可知：被測(cè)信號(hào)頻率的相對(duì)誤差與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，增大測(cè)量時(shí)間段Tws或提高Fs可以增大Ns，從而減小相對(duì)誤差，提高測(cè)量精度。測(cè)量精度與實(shí)際閘門(mén)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率Fs有關(guān)，與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，因此能獲得較高的精度。

等精度測(cè)量過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生2個(gè)量：Nx和Ns，位寬都是32 bit，而AXI4_Lite位寬為8 bit，兩接口的對(duì)接使用到雙口RAM，且N通道的頻率測(cè)量模塊結(jié)果將達(dá)到N*32 bit，無(wú)法直接連接到只有8bit的AXI4_Lite接口，中間還需要一級(jí)FIFO轉(zhuǎn)換，利用這種方法可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。但由于在ARM中實(shí)時(shí)讀取設(shè)備文件時(shí)保證Nx和Ns數(shù)據(jù)對(duì)齊異常困難，很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此設(shè)計(jì)了一種新型頻率采樣方案。該方案能夠有效解決同步傳輸易出錯(cuò)和CPU占用率高的問(wèn)題，其計(jì)算流程見(jiàn)圖10。

圖10 測(cè)量結(jié)果計(jì)算流程框圖

如圖10所示，左移32位是為了減少ARM中處理FPGA產(chǎn)生的復(fù)雜小數(shù)帶來(lái)的運(yùn)算，Nx擴(kuò)大了232倍，小數(shù)結(jié)果保存到整數(shù)部分的64位數(shù)據(jù)中，在FIFO寫(xiě)入數(shù)據(jù)過(guò)程中可保證不會(huì)丟失任何一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，也不存在Nx和Ns不同步的情況。結(jié)果傳輸?shù)紸RM中只需右移32 bit，再乘以修正晶振頻率即可得到精確結(jié)果，該算法帶來(lái)的誤差為2-32，對(duì)于測(cè)量來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)。同時(shí)，控制器的結(jié)果計(jì)算只需要32移位操作，極大降低了CPU使用率。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 幅度測(cè)試

采用紅外地球敏感器光電組件測(cè)試系統(tǒng)對(duì)幅值范圍為0.1～20 V，頻率范圍為DC～10 kHz的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的光電組件測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)幅值采集精度優(yōu)于0.2%(47 mV/20 V，10 kHz)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 頻率測(cè)試

采用設(shè)計(jì)的紅外地球敏感器光電組件測(cè)試系統(tǒng)和頻率計(jì)分別對(duì)400 Hz～10 MHz的被測(cè)頻率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的光電組件測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)頻率測(cè)試精度優(yōu)于1×10-7(0.01 Hz/100 kHz)，能滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 幅度測(cè)試結(jié)果

表2 頻率測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的紅外地球敏感器光電組件測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足光電組件測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)光電組件的光柵信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的幅度、頻率的精確測(cè)量。

2) 該系統(tǒng)在達(dá)到較高集成度的同時(shí)保證了較強(qiáng)的性能和較好的計(jì)量特性。