CN103149860A - 一种制冷红外探测器的加断电控制系统 - Google Patents

Abstract

一种制冷红外探测器的加断电控制系统，包括指令传输链路模块、温度采集模块、FPGA加断电控制模块、制冷器和继电器。指令传输链路模块中，加断电指令通过OC门发送端输出、三线协议传输、光耦隔离接收后送至FPGA加断电控制模块。温度采集模块中，采用三个独立的测温电路对探测器焦面温度进行测量，选择器分时选通三路测温电路的测温结果输入AD进行量化。FPGA加断电控制模块接收加断电控制指令以及AD量化后的测温结果，若接收到加电指令，打开制冷器对探测器焦面进行制冷，同时将AD量化结果分别与温度阈值比较，当至少两个量化结果低于温度阈值时，打开继电器对探测器加电；若收到断电指令，则断开继电器实现探测器断电。

Description

一种制冷红外探测器的加断电控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于对遥感用制冷红外探测器进行加断电控制的系统。

背景技术

制冷红外探测器在应用时需要制冷器保持探测器焦面的低温状态，只有其温度达到指定阈值后，才能根据指令加电开始工作，否则可能造成探测器的永久损坏。红外探测器用于空间遥感时，控制电路需要具备有效的减缓单粒子影响的措施，因此高可靠的红外探测器加断电控制系统是探测器安全使用的关键。

现有的制冷红外成像电路构成如图1所示，遥控遥测单元负责与整星1553B总线通讯，执行相关控制指令并返回遥测。在成像开始时，遥控遥测单元解析出遥控加电指令，通过板间连接器以LVTTL电平形式（高电平‘1’表示加电，低电平‘0’表示断电）传递给红外探测器控制单元。红外探测器控制单元的FPGA在接收到加电指令后，打开制冷器对探测器焦面进行制冷。探测器焦面温度值通过测温电路接入比较器的一端，设定的探测器安全工作的温度阈值输入比较器的另一端，若测量得到的温度值在设定阈值之下，则比较器输出高电平信号对探测器进行加电，否则等待温度继续降低。若FPGA收到断电指令，则停止对探测器焦面制冷，温度上升，等到测温电路测量得到的温度值高于设定阈值，比较器输出低电平信号实现断电。由此可见，现有的探测器加断电控制方式存在以下不足：

1、探测器控制电路加断电指令通过板间LVTTL电平传输，容易受到电磁干扰；

2、FPGA读入外部加断电控制信号的电平值，判断是否对探测器进行制冷，采用单Bit位判断，易受单粒子干扰；

3、采用单路测温电路对焦面温度进行测量，若测温电路失效，则无法实现对探测器的加断电控制；

4、温度比较器的精度和可靠性对加断电具有决定性影响，若受干扰可能对探测器误加电。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可靠性高、抗干扰能力强的制冷红外探测器加断电控制系统。

本发明的技术解决方案是：一种制冷红外探测器的加断电控制系统，包括控制指令传输链路模块、温度采集模块、FPGA加断电控制模块、制冷器和继电器，其中：

控制指令传输链路模块：将外部输入的成像控制指令传输至FPGA加断电控制模块，包括硬件电路以及三线指令传输协议，硬件电路包括三组相同的发送接收对，每一个发送接收对均包括一个三极管开集电极发送电路和一个光耦隔离接收电路；所述的成像控制指令通过三线指令传输协议传递，成像控制指令由数据信号SDATA、使能信号SEN以及发送时钟SCLK三个控制信号组成，其中数据信号SDATA作为加电指令或者断电指令的载体；所述的三线指令传输协议为采用三个发送接收对完成三个控制信号的传输，当使能信号SEN有效时，通过发送时钟SCLK将数据信号SDATA发送至FPGA加断电控制模块；

温度采集模块：包括三个相同的温度测量电路、一个3选1选择器、一个模数转换器；三个温度测量电路同时对红外探测器的温度进行测量，3选1选择器分时循环输出三个温度测量电路获取的测温值，模数转换器对测温值进行数字量化后送至FPGA加断电控制模块；

FPGA加断电控制模块：包括温度采集控制单元、三个相同的指令解析单元、指令执行单元、第一表决器以及第二表决器；温度采集控制单元完成对3选1选择器的时序控制，使得三个温度测量电路的测温结果依次被数字量化；第一表决器将三个温度量化值分别与预先设定的温度阈值进行比较，当三个温度量化值中有两个或者三个小于设定温度阈值时，第一表决器输出制冷完成信息给指令执行单元，否则第一表决器输出制冷未完成信息给指令执行单元；每一个指令解析单元均接收由三线协议传输的成像控制指令并进行解析，得到加电指令或者断电指令并送至第二表决器；第二表决器做三取二的多数判决，当三个指令解析单元的解析结果中有两个是加电指令时输出加电信号给指令执行单元，当三个指令解析单元的解析结果中有两个是断电指令时输出断电信号给指令执行单元；指令执行单元根据制冷状态信息以及加断电指令完成对制冷器以及继电器的控制，当第一表决器输出制冷未完成信息且第二表决器输出加电指令时，打开制冷器进行制冷；当第一表决器输出制冷完成信息且第二表决器输出加电指令时，控制继电器闭合对红外探测器加电；当第二表决器输出断电指令时，不对制冷器的状态进行判断，直接停止制冷器并断开继电器，对红外探测器断电；

制冷器：在指令执行单元的控制下对红外探测器进行制冷操作；

继电器：在指令执行单元的控制下对红外探测器进行加电或者断电操作。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明系统的指令传输采用高可靠传输链路设计，采用三线协议传输加断电指令，硬件发送端采用OC门发送，接收端采用光耦接收，提高了指令传输过程中的抗电磁干扰能力。探测器温度采集电路利用高精度AD分别对三个测温电路进行采样，避免了传统设计中单个测温电路的失效风险以及比较器的不稳定性。FPGA加断电控制模块接收AD量化输入以及32Bit控制指令，通过对AD量化输入以及控制指令的联合判断来决定是否开启制冷器以及是否对探测器加电。若收到的控制指令为加电指令，则首先打开制冷器对探测器焦面进行制冷，然后控制AD顺序采样三个焦面测温电路的测温结果，若采样得到的三个温度量化值有两个在设定的探测器安全工作阈值以下，则接通继电器对探测器进行加电，加电期间保持焦面制冷；若接收到的指令为断电指令，则停止焦面制冷，断开继电器实现探测器断电。在此基础上，本发明对FPGA中的指令解析单元进行了三模加固。三模冗余加固是将原电路逻辑复制三份，末尾添加多数表决器来缓解单粒子的影响。该结构能确保即使某一个分支发生逻辑错误仍能正确运行，有效缓解的单粒子翻转的影响，提高了控制系统工作的可靠性。

附图说明

图1为现有的制冷红外成像电路组成原理图；

图2为本发明加断电控制系统的组成原理图；

图3为本发明三线串行传输协议时序定义图；

图4为本发明FPGA加断电控制模块逻辑框图；

图5为本发明FPGA加断电控制模块三模冗余操作原理图。

具体实施方式

如图2所示，本发明控制系统主要包括是控制指令传输链路模块、温度采集模块、三模加固的FPGA加断电控制模块、制冷器和继电器。

控制指令传输链路模块完成控制指令从管理控制单元到红外探测器控制单元的传递，包括底层硬件电路以三线指令传输协议。硬件电路设计上，采用三极管开集电极（Open Collect）发送电路和光耦隔离接收电路构成一组发送接收对，完成一个信号的传输，同时实现发送端与接收端的地平面电磁隔离。成像控制指令通过三线协议传递，三线协议由三个发送接收对完成3个控制信号的传输，三个控制信号分别是数据信号SDATA、使能信号SEN以及发送时钟SCLK。协议定义为：当使能信号SEN为逻辑‘0’时，发送时钟SCLK的上升沿采样得到数据信号SDATA电平值为1的有效bit位信息，连续32个有效bit位构成一条有效的指令。加断电指令经过三线链路进入三模加固的FPGA加断电控制模块，由三模加固的FPGA加断电控制模块完成三线指令的解析执行。

如图3所示，三线协议中三个控制信号分别为数据信号SDATA、使能信号SEN以及发送时钟SCLK。控制三线串行接口数据的长度为32bit，高8位（B1-7～B1-0）为指令识别码，B2-7～B2-0，B3-7～B3-0为加断电标识，B4-7～B4-0为校验位。SEN第一个下降沿到SCLK第一个下降沿时间大于1us，SCLK速率为1MHz，高电平占空比45％～55％。指令传输时，SEN被置为逻辑低电平，在SCLK的上升沿发送指令数据SDATA，按照B1，B2，B3，B4从高到低，Byte内的Bit位从高到低依次发送完成32个Bit位。SEN、SCLK、SDATA常态为高。三线中SEN，SCLK，SDATA均通过OC电路发送、光耦接收，实现发送接收端的电磁隔离。

温度采集模块在FPGA加断电控制模块的控制下完成探测器焦面的温度实时采集。组成包括三个温度测量电路，一个3选1选择器和一个高精度AD转换器。硬件连接上，三个温度测量电路的输出分别连接3选1选择器的3个输入，3选1选择器的输出连接AD转换器的输入端，AD转换器的量化结果接入FPGA加断电控制模块。3选1选择器的控制端以及AD转换器的控制端均接入FPGA加断电控制模块，受FPGA加断电控制模块的控制。功能实现过程为：三个温度测量电路同时对红外探测器的温度进行测量，并将温度测量值送至3选1选择器的3个输入端，3选1选择器在FPGA加断电控制模块的控制下分时输出三个温度测量电路的测温结果，AD对测量结果进行量化并将量化值输入FPGA加断电控制模块，从而完成探测器温度的采集。

FPGA加断电控制模块由温度采集控制单元、3个完全一样的指令解析单元、指令执行单元、第一表决器以及第二表决器组成，逻辑关系如图4所示。

温度采集控制单元完成对AD转换器以及3选1选择器的时序控制，使得三个温度测量电路的结果依次被量化，三个量化值被输入第一表决器。第一表决器将三个温度量化值分别与预先设定的温度阈值进行比较，输出制冷状态信息给指令执行单元。当三个温度量化值中有两个或者三个小于设定温度阈值时，第一表决器输出制冷完成信息，否则输出制冷未完成信息。

指令解析部分包括三个完全相同的指令解析单元和第二表决器，每一个指令解析单元同时接收由三线协议传输的加断电控制指令，完成串行bit流到并行指令的转换，完成指令的解释判断。当指令解析为加电指令时，输出加电指令至第二表决器；当指令解析为断电指令时，输出断电指令至第二表决器。第二表决器做3取2的多数判决，如图5所示，当3个输入中有2个是加电指令，则输出加电信号给指令执行单元；当3个输入中有2个是断电指令，则输出断电信号给指令执行单元。

指令执行单元根据制冷状态信息以及加断电指令完成对制冷机以及继电器的控制。当第一表决器输出制冷未完成信息且第二表决器为加电指令时，打开制冷器进行制冷；当第一表决器输出制冷完成信息且第二表决器为加电指令时，控制继电器闭合对探测器进行加电；第二表决器为断电指令时，不对制冷状态进行判断，直接停止制冷，断开继电器，探测器断电。

成像开始时，红外探测器的加电控制过程为：

管理控制单元发出探测器加电指令0x“10C3C396”，指令通过传输链路传输。OC门发送电路和光耦隔离电路采用常规的电路设计，光耦输出的SEN、SCLK、SDATA接入FPGA，FPGA中的指令解析单元在使能信号SEN为逻辑低电平期间，利用SCLK的下降沿采样数据SDATA，先接收的Bit位作为Byte的高位，依次接收32个Bit位，恢复出按B1，B2，B3，B4从高到低排列的4Byte指令。对4Byte指令进行判断，若为0x“10C3C396”，识别为加电指令，指令执行单元打开制冷器制冷。探测器焦面温度开始下降，FPGA中的温度采集控制单元控制AD以及选择器对探测器焦面上的三个测温电路分时采样，若三个采样值中有两个的温度低于设定阈值，第一表决器输出制冷到温信号，指令执行单元控制继电器对探测器加电，否则等待降温到设定阈值以下；探测器成像期间，控制制冷器一直工作。

成像结束时，红外探测器的断电控制过程为：

管理控制单元发出探测器断电指令0x“103C3C88”，指令通过三线传输。光耦接收并输出至FPGA。此时，FPGA指令解析单元为断电代码，第二表决器输出断电指令，指令执行单元控制制冷器停止制冷，断开继电器实现探测器断电。

假设加断电逻辑某一天因单粒子事件的影响而出错的概率为P₀，表决器出错概率为P₁，两者都采用FPGA中相同的逻辑资源实现，因此具有相同的数量级，三模操作之后，出错的概率为P_A：

$P_A=\{C_3^2(P_0*P_0*(1-P_0))+C_3^3(P_0*P_0*P_0)\}*(1-P_1)+P_1$

$={{3P}_0}^2-{{2P}_0}^3+(1-{{3P}_0}^2+{{2P}_0}^3)*P_1<<P_0$

可见，判断逻辑经三模操作后，电路受单粒子事件的影响而出错的概率大大降低。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种制冷红外探测器的加断电控制系统，其特征在于：包括控制指令传输链路模块、温度采集模块、FPGA加断电控制模块、制冷器和继电器，其中：

控制指令传输链路模块：将外部输入的成像控制指令传输至FPGA加断电控制模块，包括硬件电路以及三线指令传输协议，硬件电路包括三组相同的发送接收对，每一个发送接收对均包括一个三极管开集电极发送电路和一个光耦隔离接收电路；所述的成像控制指令通过三线指令传输协议传递，成像控制指令由数据信号SDATA、使能信号SEN以及发送时钟SCLK三个控制信号组成，其中数据信号SDATA作为加电指令或者断电指令的载体；所述的三线指令传输协议为采用三个发送接收对完成三个控制信号的传输，当使能信号SEN有效时，通过发送时钟SCLK将数据信号SDATA发送至FPGA加断电控制模块；

温度采集模块：包括三个相同的温度测量电路、一个3选1选择器、一个模数转换器；三个温度测量电路同时对红外探测器的温度进行测量，3选1选择器分时循环输出三个温度测量电路获取的测温值，模数转换器对测温值进行数字量化后送至FPGA加断电控制模块；

FPGA加断电控制模块：包括温度采集控制单元、三个相同的指令解析单元、指令执行单元、第一表决器以及第二表决器；温度采集控制单元完成对3选1选择器的时序控制，使得三个温度测量电路的测温结果依次被数字量化；第一表决器将三个温度量化值分别与预先设定的温度阈值进行比较，当三个温度量化值中有两个或者三个小于设定温度阈值时，第一表决器输出制冷完成信息给指令执行单元，否则第一表决器输出制冷未完成信息给指令执行单元；每一个指令解析单元均接收由三线协议传输的成像控制指令并进行解析，得到加电指令或者断电指令并送至第二表决器；第二表决器做三取二的多数判决，当三个指令解析单元的解析结果中有两个是加电指令时输出加电信号给指令执行单元，当三个指令解析单元的解析结果中有两个是断电指令时输出断电信号给指令执行单元；指令执行单元根据制冷状态信息以及加断电指令完成对制冷器以及继电器的控制，当第一表决器输出制冷未完成信息且第二表决器输出加电指令时，打开制冷器进行制冷；当第一表决器输出制冷完成信息且第二表决器输出加电指令时，控制继电器闭合对红外探测器加电；当第二表决器输出断电指令时，不对制冷器的状态进行判断，直接停止制冷器并断开继电器，对红外探测器断电；

制冷器：在指令执行单元的控制下对红外探测器进行制冷操作；

继电器：在指令执行单元的控制下对红外探测器进行加电或者断电操作。

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