孫振亞　劉棟斌

摘要：在衛(wèi)星有效載荷的焦平面組件模塊中，為保證多個(gè)焦面的數(shù)據(jù)傳輸正確通常系統(tǒng)中會(huì)設(shè)計(jì)成像控制與數(shù)據(jù)傳輸模塊，同時(shí)為保證模塊的可靠性，該模塊需要調(diào)試并且需要與焦面進(jìn)行數(shù)據(jù)通信互傳。而實(shí)際焦面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)需要CCD或者探測(cè)器等，考慮到這些探測(cè)器的價(jià)錢昂貴，一般需要設(shè)計(jì)焦面仿真設(shè)備暫時(shí)代替焦面來(lái)調(diào)試數(shù)據(jù)傳送與控制模塊。該文章講述了地面檢測(cè)設(shè)備的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并給出了最終的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果。該地面檢測(cè)設(shè)備具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、便攜方便等特點(diǎn)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：載荷 ；數(shù)據(jù)傳輸；焦面仿真設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）05-0208-03

Abstract： It is required to be filtered to ensure the reliability of low-level device in space mission. In this paper， a screening test circuit is designed for 12 CCDs simultaneously screening against Kodak's commercial CCD detector KLI-2113. By carefully debugging the frequency， the pulse width and the signal positional relationships， we abtain a digital image meeting the SNR requirements. On this basis， conducting aging tests against Kodak's commercial CCD. The results show that the devices meet the requirements of reliability screening method. It also has reference value for other space missions in low-grade devices selecting.

Key word： Linear CCD ；FPGA； image transmission

1 概述

電荷耦合器件能夠存儲(chǔ)由入射光在光敏單元激發(fā)出的光圖像信息電荷，并且能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，把存儲(chǔ)的電荷定向轉(zhuǎn)移和傳輸，最終以收集到的電荷作為信號(hào)，因其具有質(zhì)量輕、體積小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航天遙感觀測(cè)、載荷對(duì)地觀測(cè)、空間科學(xué)等領(lǐng)域[1] [2][3]。

在實(shí)際的遙感衛(wèi)星中如果存在多個(gè)焦面探測(cè)器電路系統(tǒng)，那么一般為了與其他焦面以及主控制系統(tǒng)之間通信方便都會(huì)設(shè)置成像控制與數(shù)據(jù)傳輸模塊電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)加強(qiáng)了焦面和主控系統(tǒng)之間的通信，以及主控系統(tǒng)對(duì)焦面的控制。航天任務(wù)中，像探測(cè)器這種關(guān)鍵元器件的價(jià)格相當(dāng)昂貴，實(shí)際試驗(yàn)階段不可能將探測(cè)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用，但是為驗(yàn)證和保證成像控制與數(shù)據(jù)傳輸模塊電路系統(tǒng)的功能與性能，因此設(shè)計(jì)了焦面仿真設(shè)備。

2電路設(shè)計(jì)

成像焦面仿真設(shè)備為衛(wèi)星有效載荷的成像控制與數(shù)據(jù)傳輸模塊電路系統(tǒng)提供模擬的焦面數(shù)據(jù)，用以調(diào)試成像控制與數(shù)據(jù)傳輸電路系統(tǒng)。

成像焦面仿真設(shè)備由FPGA、RS422信號(hào)傳輸芯片、LVDS數(shù)據(jù)傳輸芯片組成。FPGA產(chǎn)生的模擬焦面數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS數(shù)據(jù)芯片傳輸給成像控制與數(shù)據(jù)傳輸板，同時(shí)通過(guò)RS422傳輸芯片實(shí)現(xiàn)通信控制。成像焦面仿真設(shè)備見(jiàn)圖1。

每個(gè)焦面?zhèn)鬏斠宦分鞣輬D像數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)以及備份圖像數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)，共4個(gè)焦面。LVDS數(shù)據(jù)的時(shí)鐘20MHz。

2.1 FPGA及內(nèi)部編程設(shè)計(jì)

由于FPGA擔(dān)負(fù)整個(gè)焦面仿真設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)生和控制任務(wù)，因此選擇了Xilinx公司XCV300-4PQ240N。該芯片具有200MHz的工作速度，316個(gè)用戶IO， 98304Bits的分布式塊RAM，以及非常豐富的寄存器資源，完全可以滿足整個(gè)焦面仿真設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)生和控制任務(wù)。本設(shè)計(jì)使用VHDL的硬件描述語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境為ISE10.1。

圖2中給出的是FPGA配置電路圖。可以看出是采用Master Serial模式的配置方式。

2.2 LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

LVDS差分傳輸使用的是SN65LVDS31。該芯片完全達(dá)到了ANSI TIE/EIA-644標(biāo)準(zhǔn)。輸出典型的差分信號(hào)，信號(hào)幅值350mV，負(fù)載100Ω。輸出電壓的上升沿和下降沿500ps（400Mbps）。傳輸延時(shí)1.7ns。在信號(hào)工作頻率200MHz時(shí)功耗25mW。輸入電平邏輯為low-voltage TTL（LVTTL）。圖3為SN65LVDS31電路原理圖。

所有的輸入脈沖由FPGA產(chǎn)生，并且上升沿和下降沿均小于1ns，脈沖重復(fù)速率50Mpps，脈沖寬度10ns±0.2ns

2.3 RS-422差分輸出電路設(shè)計(jì)

RS-422協(xié)議的差分輸出電路使用的是DS26LV31TM。該芯片是高速4通道差分CMOS輸出，并且兼容TIA/EIA-422-B和ITU-TV.11標(biāo)準(zhǔn)。該芯片的ICC最大穩(wěn)態(tài)電流值125uA ，是理想的低功耗芯片。 差分輸出信號(hào)的差模電平VOD能夠確保大于等于2V，使得該芯片完全可以兼容5V的RS-422協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。圖7中給出該芯片的電路設(shè)計(jì)，電路的輸入是由FPGA產(chǎn)生的時(shí)序信號(hào)，通過(guò)該芯片轉(zhuǎn)成差分信號(hào)再通過(guò)連接器傳送給成像控制與數(shù)據(jù)傳輸板。

2.4 RS-422差分輸入電路設(shè)計(jì)

RS-422協(xié)議的差分輸入電路使用的是DS26LV32ATM。該芯片是高速4通道差分CMOS輸入，并且兼容TIA/EIA-422-B和ITU-TV.11標(biāo)準(zhǔn)。該芯片在3V～3.6V的低電壓工作時(shí)的共模電壓范圍是-0.5V～+0.5V。 該芯片可以接收到±200mV電平的差分輸入信號(hào)。該芯片的輸出可以兼容TTL和LVCMOS電平。該芯片的功耗也很低典型值30mW。該芯片完全也可以兼容5V的RS-422協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。圖9中給出該芯片的電路設(shè)計(jì)，電路的輸入是由成像控制數(shù)據(jù)傳輸板的DS26LV31TM傳送過(guò)來(lái)的差分信號(hào)，輸出送給FPGA處理。

3電路板

電路板布局布線時(shí)應(yīng)該考慮信號(hào)的速度以及干擾性等多項(xiàng)因素。本電路由于全都是數(shù)字電路不需要進(jìn)行模擬和數(shù)字的分割。因此設(shè)計(jì)日只需要考慮電流分布以及高速信號(hào)和低速信號(hào)分布即可。電源走線線要盡量的粗，并且不要有回流線性。同時(shí)IC電源引腳就近安置旁路電容用以抑制電磁輻射干擾。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)LVDS芯片和RS-422芯片進(jìn)行了區(qū)域分離，LVDS在左側(cè)，RS422在上側(cè)，這樣可以防止不同速度芯片之間的串?dāng)_。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)成像控制與數(shù)據(jù)傳輸模塊的要求，設(shè)計(jì)完成了焦平面仿真設(shè)備，該設(shè)備完全可以替代4個(gè)焦平面組件完成焦平面組件的基本功能。本電路板在實(shí)際使用過(guò)程中，性能良好、可靠性高、兼容性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)中焦平面仿真設(shè)備也對(duì)其他航天任務(wù)中焦平面的實(shí)驗(yàn)替代具有一定的參考借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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