星敏感器是一種高精度的航天器姿態(tài)測量儀器，通過探測天球上不同位置的恒星并進行解運算,，來確定航天器的姿態(tài),，其工作的可靠性對航天器姿態(tài)的測量和控制起著重要作用?？臻g環(huán)境溫度和太陽光熱效應(yīng)的變化對星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量有很大影響,，會造成恒星成像光斑偏移和成像光斑能量分布變化[1],；光學(xué)系統(tǒng)中的CCD組件對星敏感器探測精度影響比較大，光電子的熱運動會導(dǎo)致暗電流噪聲,，且暗電流噪聲對溫度非常敏感,，溫度每升高15℃，噪聲會增加一個量級[2],；此外會造成鏡筒的熱變形,，從而導(dǎo)致透鏡幾何位置偏離原來固定的安裝位置，透鏡的曲率和折射率也會隨著溫度的變化而變化[3],。因此,，星敏感器環(huán)境溫度的測量和控制對提高星敏感器的測量起著重要作用。有研究人員提出用熱敏電阻加模數(shù)轉(zhuǎn)換器對CCD溫度進行測量[2],，但熱敏電阻感溫時間長,，不適合溫度的實時測量。本文利用ADI公司推出的10位高精度數(shù)字溫度傳感器AD7416,，與可編程邏輯器件FPGA構(gòu)成了星敏感器的溫度測量控制系統(tǒng),，再通過芯片內(nèi)部的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采集到的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過FPGA內(nèi)部的判斷邏輯,，對星敏感器的溫度進行調(diào)節(jié),。AD7416高精度測量和FPGA對數(shù)據(jù)的高速并行處理滿足系統(tǒng)溫度快速測量和控制的要求。

1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計
    由于星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)對溫度的變化非常敏感,，因此,，選擇高精度溫度傳感器對星敏感器的成像質(zhì)量和工作穩(wěn)定性具有重要意義。本系統(tǒng)中所使用的CCD工作在-200℃~0℃范圍內(nèi)時,，星敏感器測量誤差最小,，對溫度傳感器的感溫時間要求較高，本文選用AD7416溫度傳感器作為CCD溫度測量器件,。AD7416[4]是一款多功能溫度傳感器,，內(nèi)部采用10位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，典型的溫度轉(zhuǎn)換時間為400 ?滋s,分辨率可達0.25℃,測量范圍為-40℃~+125℃,，最低功耗可達1.2 ?滋W,，采用I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸，并且具有過溫保護和采樣防錯機制,。由于AD7416內(nèi)部采用I2C總線接口,，使得它很容易和其他器件組成溫度測量系統(tǒng)。目前基于AD7416的溫度測量系統(tǒng)大多數(shù)采用的是單片機作為主控制器[5-6],，其結(jié)構(gòu)簡單,，容易編程，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于單片機資源有限,，外部可用的I/O接口有限,，工作穩(wěn)定性不好，程序編寫依靠具體的器件,，不具有可移植性,。為了滿足系統(tǒng)實時性要求，能在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作,，本系統(tǒng)采用資源更為豐富,、可靠性更高的FPGA作為AD7416的主控制器。Xilinx公司Spartan-3系列的FPGA器件XC3S400具有豐富的內(nèi)部邏輯資源和外部接口資源,最大I/O數(shù)可達264,， 內(nèi)部的RAM塊為288 KB,，廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。利用FPGA作為主控制器,，AD7416作為從設(shè)備,，構(gòu)成了星敏感器的溫度測量控制系統(tǒng)，AD7416和FPGA之間采用的是I2C通信協(xié)議,，當溫度高于0℃時,，啟動制冷系統(tǒng)對星敏感器制冷，使其工作在0℃以下,。為了驗證程序的正確性,，通過RS232接口將采集到的溫度值傳送給計算機，并通過上位機軟件來觀察采集到的溫度值和當前制冷器的工作狀態(tài),。系統(tǒng)的組成和測試框圖如圖1所示,。

    采用Verilog HDL設(shè)計AD7416的控制程序。由于Verilog HDL是IEEE的標準,能應(yīng)用于各種型號的FPGA和CPLD,，因此,，程序具有可移植性，且FPGA的執(zhí)行效率更高,，程序運行穩(wěn)定性更好,，滿足星敏感器實時溫控的要求,。
2 系統(tǒng)功能模塊及時序設(shè)計
2.1    硬件功能模塊設(shè)計
    圖2是系統(tǒng)具體的硬件連接圖,，由外部50 MHz晶振作為系統(tǒng)輸入時鐘， FPGA與AD7416之間采用I2C通信,，AD7416將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后通過SDA數(shù)據(jù)線串行傳送到FPGA內(nèi)部緩存器中,，F(xiàn)PGA將采集到的溫度值轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，輸出給顯示設(shè)備或作為其他控制邏輯的輸入,；FLAG是星敏感器制冷控制信號,。

    AD7416采用串行總線進行數(shù)據(jù)傳輸，時鐘周期最小為25 ?滋s,，即時鐘頻率最高為400 kHz,，在FPGA內(nèi)需要對輸入50 MHz的晶振進行分頻,，本系統(tǒng)中采用125 kHz時鐘對AD7416進行讀寫操作，讀寫的時序符合I2C時序要求,；溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)是串行輸出的,，而且是高10位有效，低6位無效,，F(xiàn)PGA需要將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸出,，同時根據(jù)溫度值來輸出制冷器的控制信號，F(xiàn)PGA功能模塊設(shè)計如圖3所示,。

2.2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計
    溫度傳感器AD7416采用I2C總線接口,。I2C總線是PHILIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線,，其傳輸速率在標準模式下可達100 kb/s,，在快速模式下可達400 kb/s,在高速模式下可達3.4 Mb/s。I2C總線只有兩根雙向信號線：數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL,；I2C總線通過上拉電阻接正電源,，在總線空閑時均保持高電平。當連接到總線上的任一器件輸出低電平時,，總線信號將被拉低,。連接到I2C總線上的器件都有唯一地址，因此可以有多個器件同時連接到I2C總線上,，通過不同地址片選來確定當前工作的器件,。I2C協(xié)議規(guī)定SDA上的數(shù)據(jù)必須在時鐘的高電平期間保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的變化只能發(fā)生在時鐘的低電平期,，因為在時鐘高電平期間數(shù)據(jù)線上由高電平跳變到低電平被認為是起始信號,，由低電平跳變到高電平被認為是停止信號。主機每發(fā)送一個字節(jié)給從機,，從機會產(chǎn)生一個響應(yīng),，主機每讀取一個字節(jié)，也要向從機發(fā)送一個響應(yīng),。
    AD7416中的I2C總線接口與標準的I2C協(xié)議略有不同,，其時鐘線SCL是單向傳送，SDA是雙向傳送,，數(shù)據(jù)的傳送符合標準的I2C協(xié)議,。AD7416串行地址的前4位是固定的，為1001,，后三位串行地址由A2~A0確定,，原理圖中將A2~A0直接接地,因此, AD7416的串行地址為90 H。AD7416內(nèi)部有4個數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)寄存器的地址由內(nèi)部的地址寄存器指定,，前5位固定為0,， 低兩位(P1和P0)表示四個數(shù)據(jù)寄存器地址，其地址分配如表1所示,。

    對于AD7416,配置寄存器的高三位缺省設(shè)置為000,；D3~D4設(shè)置錯誤序列的長度，表示檢測到多少個錯誤序列后OTI輸出有效,，缺省為01,，表示檢測到一個錯誤序列后OTI輸出有效；D2設(shè)置OTI輸出的極性,；D1設(shè)置AD7416是處于比較模式（=0）還是中斷模式（=1）,；D0設(shè)置工作方式為正常工作方式(=0，缺省設(shè)置)或低功耗方式(=1),本系統(tǒng)中錯誤序列計數(shù)器采用缺省配置,，器件工作在比較模式,，采用正常工作模式，因此配置寄存器的配置數(shù)據(jù)為04H,。
    對AD7416的讀/寫時序如圖4所示,。

    從讀寫時序可以看出，每讀或?qū)? B需要9個時鐘周期,，因此采用有限狀態(tài)機來設(shè)計讀寫控制程序,。為了滿足I2C時序要求，避免在時鐘高電平期間數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)跳變,，設(shè)計時鐘時采用不同的跳變沿觸發(fā),。分頻后得到的時鐘作為狀態(tài)機的工作時鐘，在其上升沿觸發(fā),；AD7416的SCL時鐘在分頻時鐘的下降沿觸發(fā),，對其進行二分頻得到SCL時鐘信號。因此,，狀態(tài)機工作時鐘的上升沿發(fā)生在SCL的高電平期和低電平期,，而不會在SCL的跳變沿發(fā)生，通過對此時SCL的狀態(tài)（低電平/高電平）的判斷來改變或保持數(shù)據(jù),，避免了數(shù)據(jù)的混亂,，滿足I2C數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的要求。
    讀寫控制模塊和起始,、停止信號均用有限狀態(tài)機設(shè)計,，將起始,、停止和讀1 B,、寫1 B設(shè)計成task子程序，方便在讀、寫操作時調(diào)用,。
3 實驗結(jié)果
    利用示波器觀察SDA和SCL上的波形,，驗證其是否符合I2C時序要求。圖5為示波器觀察到的波形圖,，從圖中可以看出程序符合I2C協(xié)議,，在SCL高電平期間，SDA從高電平跳變到低電平為起始信號,，表明從下一個時鐘周期開始傳送數(shù)據(jù),。從圖5（a）中可以看出，起始信號后,，SDA傳送的是AD7416串行地址90H,，表示此時對AD7416進行寫操作，且數(shù)據(jù)的變化發(fā)生在SCL低電平期,，在SCL高電平期間數(shù)據(jù)是保持穩(wěn)定的,，在SCL高電平期間，SDA由低電平跳變到高電平即結(jié)束數(shù)據(jù)傳送,。圖5（b）中SDA上傳送的是串行地址91H,，表示此后將讀取AD7416轉(zhuǎn)換的溫度值，仿真結(jié)果表明程序符合I2C協(xié)議要求,。

    將AD7416固定在CCD傳感器背面,，對星敏感器進行環(huán)境實驗，將所測得到的溫度值通過RS232接口傳送給計算機,。為了實時觀測CCD溫度值,，利用VC編寫了的溫控數(shù)據(jù)接收軟件,。實驗結(jié)果表明,，星敏感器工作在正常狀態(tài)，其測量誤差在允許范圍內(nèi),。
    本文在研究環(huán)境溫度對星敏感器測量精度影響的基礎(chǔ)上,，利用高精度溫度傳感器AD7416與FPGA設(shè)計了星敏感器的溫度測量系統(tǒng)，對星敏感器的環(huán)境溫度進行測量和控制,。對系統(tǒng)進行了時序仿真和硬件平臺仿真,。實驗仿真結(jié)果表明，本系統(tǒng)能快速測量環(huán)境溫度,，使星敏感器工作在-20℃~0℃的穩(wěn)定范圍內(nèi),，減小了環(huán)境溫度對星敏感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成像質(zhì)量的影響，提高了星敏感器的測量精度,。
參考文獻
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