潘 攀，佟亞珍，宋佳赟，李晶晶，王培超

(北京東方計量測試研究所， 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)角的測量精度。衛(wèi)星控制系統(tǒng)對光電組件測試系統(tǒng)提出的要求為：信號幅值采集精度優(yōu)于50 mV/20 V，信號頻率測試精度優(yōu)于1 Hz/100 kHz。鑒于國內(nèi)對相關(guān)電信號測量的研究不多，設(shè)計了一種紅外地球敏感器光電組件測試系統(tǒng)，精確測量了光電組件的光柵信號和基準(zhǔn)信號的幅度、頻率等參數(shù)，對實現(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試系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成主要包括模擬信號采集模塊、數(shù)字信號采集模塊、電阻陣列模塊、電機控制模塊、輔助控制模塊、主控模塊和電源，測試系統(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)置的電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)傳輸給電機控制模塊以驅(qū)動電機并提取轉(zhuǎn)速等信號，另一方面完成測試過程的動作實施，通過反饋的相關(guān)信號進(jìn)行計算并存儲；模擬信號采集模塊為電機電流遙測信號及被測光電組件模擬信號采集硬件電路；數(shù)字信號采集模塊為電機轉(zhuǎn)速及被測光電組件信號頻率采集硬件電路。

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)和運算工作，且在驅(qū)動TFT、通信等方面非常穩(wěn)定。對于信號采集，采用FPGA+高精度AD實現(xiàn)。雙核ARM Cortex-A9提供最大667 MHz的頻率，極大增強了控制單元的控制和處理能力，并包含豐富的存儲功能，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)計原理框圖

1.2 模擬信號采集模塊

由于系統(tǒng)需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的信號較多，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、光柵信號可獨立通斷使用，也可以并行使用。

ADS8656為SAR類型ADC，對輸入信號要求較高，輸入電流由實際采樣率、輸入電壓、源阻抗決定。ADC工作時需要信號將內(nèi)部的充電電容充滿直到轉(zhuǎn)換周期開始，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)換時間280 ns為例，此時需要的前置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對信號源輸出阻抗也有較高要求，信號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時為10 pf)；RSER為200 Ω輸入電阻值；RSW為內(nèi)部開關(guān)電阻值。以最小轉(zhuǎn)換時間280 ns時為例，此時源阻抗必須小于2 kΩ，而在很多電壓測量環(huán)節(jié)，要求源阻抗小于2 kΩ幾乎不可能，所以在ADC之前需要增加一個高帶寬的ADC驅(qū)動器，要求其帶寬足夠大，輸出阻抗盡可能小。

1.3 數(shù)字信號采集模塊

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

圖3 頻率測量前端電路圖

圖3中被測信號通過P1輸入，R5為限流電阻，AR1為放大電路，使得0.1～12 V的電壓信號能放大到后級限幅電路的限制范圍。D1、D2將輸入信號限幅到0.7 V左右，再通過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，再輸入FPGA的IO做等精度頻率測量。

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

1.4 電阻陣列模塊

光柵信號、基準(zhǔn)信號通過調(diào)節(jié)電阻的阻值調(diào)節(jié)發(fā)光二極管強度。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電源通過過壓過流保護(hù)進(jìn)入電子開關(guān)。電子模擬開關(guān)輸入經(jīng)過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，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)，此時采樣電阻上的額定功率增加到1 W，系統(tǒng)正常工作時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

系統(tǒng)軟件運行在Linux 系統(tǒng)中，總體設(shè)計流程如圖6所示。系統(tǒng)上電啟動應(yīng)用程序，應(yīng)用程序開始后配置FPGA內(nèi)部ADC驅(qū)動、頻率測量模塊驅(qū)動，初始化各外設(shè)，運行TCP服務(wù)器并監(jiān)聽設(shè)定端口；ADC、頻率測量模塊得到的數(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)計流程框圖

光電組件光柵信號和基準(zhǔn)信號的幅值采用傅里葉變換將時域連續(xù)的信號轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，通過適當(dāng)?shù)奶綔y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)信號經(jīng)過加窗截斷后的數(shù)據(jù)再通過FFT計算可得到信號的頻譜，頻譜經(jīng)過相關(guān)計算即可得到信號的幅度譜。FFT計算過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)各個不在分辨率上的信號幅度。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計算點數(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)

時域、頻域的波形如圖7所示。

假設(shè)原始信號為

(5)

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

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

圖7 時域、頻域波形

圖8 信號FFTW前后波形

FFTW庫是美國麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)實驗室超級計算組開發(fā)的目前世界上公認(rèn)運算較快、使用廣泛的串行C程序自適應(yīng)軟件包。FFTW庫能自適應(yīng)系統(tǒng)硬件，可移植性強，可用于計算任意維數(shù)的實、復(fù)數(shù)類型的離散傅里葉變換。FFTW庫主要通過靈活運用運行時性能分析和相關(guān)的搜索技術(shù)來選擇離散傅里葉變換的最優(yōu)分解路徑，可適應(yīng)于不同的計算機體系結(jié)構(gòu)。FFTW庫主要由底層的代碼生成器和上層的運行框架兩部分組成，F(xiàn)FTW底層基本實現(xiàn)了所有的快速傅里葉變換算法。在FFTW庫自動化配置時會記下每一個算法的執(zhí)行時間和對于任意問題規(guī)模的快速傅里葉變換。

光電組件光柵信號和基準(zhǔn)信號的頻率為0～44 kHz，測試精度不大于5″。采用等精度測量方法。等精度頻率測量法是在直接測頻方法基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其實際閘門時間不固定，是被測信號周期的整數(shù)倍，與被測信號同步，因此又稱為多周期同步法。此方法利用閘門與被測信號同步消除對被測信號計數(shù)時產(chǎn)生的±1個周期誤差，測量精度大為提高，實現(xiàn)了在整個測量期間的等精度測量。頻率測量原理及波形如圖9所示。

圖9 等精度頻率測量原理及波形

在測量過程中，有2個計數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號Fs及被測頻率信號Fx同時計數(shù)。首先給出預(yù)置閘門上升沿開啟信號，此時2個計數(shù)器并不開始計數(shù)，而是等到被測頻率信號的上升沿到來時才真正開始計數(shù)。當(dāng)預(yù)置閘門下降沿關(guān)閉信號到來時，2個計數(shù)器并不立即停止計數(shù)，而是等到被測頻率信號的上升沿到來時才停止計數(shù)，完成一次測量過程。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為Fs，被測信號的頻率為Fx，在測量時間段Tws內(nèi)被測頻率信號的計數(shù)值為Nx，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的計數(shù)值為Ns，則式(6)成立。

(6)

設(shè)被測信號的頻率準(zhǔn)確值為Fx0。在一次測量過程中，由于被測信號Fx計數(shù)的起停時間是由該信號的上升沿控制的，因此在測量時間段Tws內(nèi)對Fx的計數(shù)Nx無誤差。在此時間段內(nèi)對Fs的計數(shù)Ns最多相差1個脈沖，即|ΔNs|≤1，則下列等式成立：

(7)

根據(jù)相對誤差公式：

(8)

則被測信號Fx的相對誤差

(9)

由式(9)可知：被測信號頻率的相對誤差與被測信號的頻率無關(guān)，增大測量時間段Tws或提高Fs可以增大Ns，從而減小相對誤差，提高測量精度。測量精度與實際閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率Fs有關(guān)，與被測信號頻率無關(guān)，因此能獲得較高的精度。

等精度測量過程中會產(chǎn)生2個量：Nx和Ns，位寬都是32 bit，而AXI4_Lite位寬為8 bit，兩接口的對接使用到雙口RAM，且N通道的頻率測量模塊結(jié)果將達(dá)到N*32 bit，無法直接連接到只有8bit的AXI4_Lite接口，中間還需要一級FIFO轉(zhuǎn)換，利用這種方法可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。但由于在ARM中實時讀取設(shè)備文件時保證Nx和Ns數(shù)據(jù)對齊異常困難，很容易出現(xiàn)錯誤，因此設(shè)計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和CPU占用率高的問題，其計算流程見圖10。

圖10 測量結(jié)果計算流程框圖

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)帶來的運算，Nx擴大了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寫入數(shù)據(jù)過程中可保證不會丟失任何一個通道的數(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，該算法帶來的誤差為2-32，對于測量來說可忽略不計。同時，控制器的結(jié)果計算只需要32移位操作，極大降低了CPU使用率。

3 系統(tǒng)測試

3.1 幅度測試

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

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

3.2 頻率測試

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

表1 幅度測試結(jié)果

表2 頻率測試結(jié)果

4 結(jié)論

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

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