CN104090509B - 基于fpga的编码式太阳敏感器信号处理系统 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的编码式太阳敏感器信号处理系统，包括FPGA、钟振、AD转换器和模拟开关，其中FPGA包括：时钟分频模块，粗码角度处理模块，细码角度处理模块、粗细码同步及数据打包模块。本发明充分利用FPGA在并行运行体系结构设计中的优势以及CORDIC快速优化算法在FPGA中的易实现性，大幅提高编码式太阳敏感器的处理速度和数据更新率，计算简单，工程实现容易。

Description

基于FPGA的编码式太阳敏感器信号处理系统

技术领域

本发明涉及一种编码式太阳敏感器信号处理系统，并基于FPGA在并行运行体系结构设计中的优势以及CORDIC快速优化算法在FPGA中的易实现性特点设计该算法。

背景技术

太阳敏感器是卫星姿态控制系统的一个重要测量部件，也是最早用于卫星姿态测量的姿态敏感器，用于测量太阳相对于敏感器的入射角度。

编码式太阳敏感器以专用集成硅光电池片为核心器件，具有0.05°测量精度和124°×124°的视场范围。太阳敏感器信号处理包括粗码信号处理、细码信号处理以及视场监视码信号处理。信号处理电路的功能是将光学探头的电流信号处理成反映入射太阳光线相对于敏感器的角度数据，同时提供反映敏感器工作状态的标志信息。

目前编码式太阳敏感器的信号处理方法主要为基于中小规模集成电路的相位检测法和基于微处理器的计算法。随着元器件集成度的提高以及太阳敏感器的小型一体化方向发展趋势，传统的信号处理方法已无法满足线路高集成度和小型化的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足之处，提供基于FPGA的编码式太阳敏感器信号处理系统，能够实现信号的快速处理运算。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：基于FPGA的编码式太阳敏感器信号处理系统，包括FPGA、钟振、AD转换器和模拟开关，其中FPGA包括：时钟分频模块，粗码角度处理模块，细码角度处理模块、粗细码同步及数据打包模块；

时钟分频模块，将系统输入时钟256分频，分频后时钟用于粗码角度处理模块，细码角度处理模块，粗细码同步及数据打包模块的输入时钟；

粗码角度处理模块依次输出模拟开关的地址选通信号和使能信号，在每个模拟开关的地址选通信号停留期间，启动AD转换器，完成数字量采集，依次输出模拟开关的地址选通信号和片选使能信号，完成每台太阳敏感器探头的一路全开码、两路监视码以及七路粗码的数字量信号采集工作，获得上述十路信号的原码信息；对所获得的十路原码信号进行太阳敏感器视场有效性判别以及格雷码到伪偏移二进制码转换，得到伪偏移二进制码，送至粗细码同步及数据打包模块；与此同时粗码角度处理模块依次采集太阳敏感器的四路细码原码信号，送至细码角度处理模块；

细码角度处理模块实现四路细码原码信号的CORDIC优化运算，得到细码角度，送至粗细码同步及数据打包模块；

粗细码同步及数据打包模块完成伪偏移二进制码和细码角度同步匹配以及角度数据打包；

所述细码角度处理模块实现四路细码原码信号的CORDIC优化运算的具体过程如下：

(1)首先将0～2°分成八个象限，将四路细码原码对应的0～2°细码角度旋转到0～0.25°的第一象限，记录旋转前的细码角度所对应象限区域；

(2)然后使用一次CORDIC算法，计算第一象限的细码角度值，根据CORDIC算法的基本公式，具体见下式：

x_i+1＝x_i-δ_iy_i·2^-i (1)

y_i+1＝y_i+δ_ix_i·2^-i (2)

z_i+1＝z_i-δ_i·θ_i (3)

其中旋转次数i＝0,1,2,…,N-1，旋转方向δ_i＝-1时顺时针旋转，δ_i＝1时逆时针旋转；z_i表示第i次旋转角度值；y_i表示经过i次转换后，第4路细码与第2路细码的差值；x_i表示经过i次旋转后，第3路细码与第1路细码的差值；θ_i表示经过i次旋转后的acrtan(2^-i)值；

当最后一次(即第i次)CORDIC迭代完成后，根据y_i的正负对角度z_i进行补偿，如果y_i≤0：取z_i的前i-1位数据；反之：取z_i前i-1位再加“1”后的数据。否则，CORDIC运算后最小码当量会出现2×(±0.00390625°)(即±28.125″)的情况，影响运算精度；

(3)最后搜索旋转前原始象限区域，输出最终细码角度值：在CORDIC运算前，根据存储的细码角度所对应象限区域，将CORDIC运算后的0～0.25°的细码角度转换回至0～2°的细码角度，将最终的细码角度整理为9位2进制数字量数据；

所述伪偏移二进制码和细码角度同步匹配以及角度数据打包的具体过程如下：

(1)根据伪偏移二进制码和细码角度同步匹配，获得数字太阳敏感器角度：

其中同步匹配原则：粗细码匹配前提是粗码过渡误差≤0.5°：

a.当细码角度最高两位都为0，且伪偏移二进制码最低两位都为1时，将伪偏移二进制码加1；

b.当细码角度最高两位都为1，且伪偏移二进制码最低两位都为0时，将伪偏移二进制码减1；

d.其余情况不作任何处理；

伪偏移二进制码和细码角度同步匹配完成后组成同步匹配后角度值，如果同步匹配后的角度值为正角度，将同步匹配后的角度值右移一位，将正符号置于同步匹配后角度值的最高位；如果同步匹配后的角度值为负角度，将同步匹配后的角度值取补后右移一位，将负符号置于同步匹配后角度值的最高位；经上述处理得到的角度为数字太阳敏感器角度；

(2)数据打包过程：数据处理完成后，为保护打包发送数据的完整性，在系统时钟边沿处，计算通讯累加和，并将两台数字太阳敏感器的角度、视场、全开码原码以及累加和数据锁存至相应寄存器内部，等待响应星上计算机的通讯指令。

本发明采用的方法，与现有技术相比，其优点进和有益效果是：

(1)充分利用FPGA在并行运算体系结构设计中的优势，采用CORDIC优化算法实现细码运算，大幅提高运算速度和太阳敏感器的数据更新率。

(2)本发明可移植到专用集成芯片内部，提高电路集成度，实现电路小型化。

总之，本发明已在小型长寿命编码式太阳敏感器工程样机中，并通过各项环境试验验证，采用的关键技术具备良好的可实现性，工程技术易实现，因此具有实用性。

附图说明

图1为本发明编码式太阳敏感器FPGA内部实现信号处理的模块结构图；

图2为本发明粗码角度处理的工作流程图；

图3为本发明细码角度处理的工作流程图；

图4为本发明粗细码同步及数据打包的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示为编码式太阳敏感器FPGA内部实现信号处理的模块结构图，由图1可知基于FPGA的编码式太阳敏感器信号处理系统，包括FPGA、钟振、AD转换器和模拟开关，其中FPGA包括：时钟分频模块，粗码角度处理模块，细码角度处理模块、粗细码同步及数据打包模块；

时钟分频模块将系统输入时钟256分频，分频后时钟用于粗码角度处理模块，细码角度处理模块，粗细码同步及数据打包模块的输入时钟。

如图2所示为粗码角度处理的工作流程图，FPGA输出相应的模拟开关的片选使能信号和地址信号，输出方式依次为：数字太阳敏感器1的两路监视码原码信号和一路全开码原码信号→数字太阳敏感器1的七路粗码原码信号→数字太阳敏感器1的四路细码原码信号→数字太阳敏感器2的两路监视码原码信号和一路全开码原码信号→数字太阳敏感器2的七路粗码原码信号→数字太阳敏感器2的四路细码原码信号。FPGA按照上述循环周而复始，循环反复采集各路模拟开关的通道信号。

采用上述输出顺序可以使FPGA并行工作，具体工作情况如下：

(1)FPGA选通模拟开关2#(或模拟开关4#)的片选使能信号，同时依次选通模拟开关2#(或模拟开关4#)的A4～A6地址信号，选通延时，完成A/D转换后，数字太阳敏感器1(或数字太阳敏感器2)的两路监视码原码信号和一路全开码原码信号采集完成；

(2)FPGA选通模拟开关1#(或模拟开关3#)的片选使能信号，同时依次选通模拟开关1#(或模拟开关3#)的A0～A6地址信号，选通延时，完成A/D转换后，数字太阳敏感器1(或数字太阳敏感器2)的七路粗码原码信号采集完成；

(3)FPGA选通模拟开关2#(或模拟开关4#)的片选使能信号，同时依次选通模拟开关2#(或模拟开关4#)的A0地址信号，选通延时，完成A/D转换后，数字太阳敏感器1(或数字太阳敏感器2)的一路细码原码信号(F1)采集完成；然后：

a.启动线程1：读取FPGA端口的视场状态电平，设置对应的视场监视码固定门槛值；然后分别进行敏感器视场有效性判断和敏感器粗码角度计算；最后将数字太阳敏感器1(或数字太阳敏感器2)的视场标志和粗码角度值分别存储于相应寄存器内部，用于后续粗细码同步及数据打包模块。

b.同时启动线程2：FPGA依次选通模拟开关2#(或模拟开关4#)的A1～A3地址信号，选通延时，完成A/D转换后，数字太阳敏感器1(或数字太阳敏感器2)的其他三路细码原码信号(F2～F4)采集完成；其中：

i.线程1中敏感器视场监视码固定门槛值：读取FPGA端口的视场状态电平并判断端口设置状态为高轨道视场状态还是中低轨道视场状态，针对不同的轨道FPGA内部设置不同的视场监视码固定门槛值，用于过滤地球反照等杂散光影响。为防止FPGA内部的视场监视码门槛值常数在轨发生单粒子翻转事件，对门槛值常数进行3模冗余处理；

ii.线程1中视场有效性判断：FPGA将采集到的两路视场监视码原码信号分别与视场监视码固定门槛值比较，仅当两路视场监视码原码信号均大于固定门槛值时，敏感器视场标志为视场内，否则为视场外；

iii.线程1中敏感器粗码角度计算：在数字太阳敏感器中，对七路粗码原码信号和一路细码原码信号进行二值化处理，处理后的数字太阳粗码角度以格雷码形式编码；然后将格雷码转换为伪偏移二进制码；

(4)FPGA按照上述步骤(1)～(3)周而复始、循环反复依次采集两台数字太阳敏感器探头信号。

在线程2中，FPGA依次选通模拟开关2#(或模拟开关4#)的A0～A3地址信号并完成A/D转换后，即完成数字太阳敏感器1(或数字太阳敏感器2)的全部四路细码原码信号(F1～F4)的采集过程。

如图3所示为细码角度处理的工作流程图，FPGA采集到的四路细码原码信号对应的细码角度为0～2°，将0～2°分成八个象限；然后将0～2°的细码角度旋转到0～0.25°的第一象限中，记录旋转前的细码角度所对应象限区域；使用CORDIC算法计算第一象限的细码角度值；最后搜索旋转前原始象限区域，输出最终细码角度值。

其中图3的CORDIC计算方法主要采用CORDIC算法的圆周系统向量模式。

在0～0.25°的第一象限范围内，细码角度计算公式：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{180}\·a\tan \left(\frac{F_4-F_2}{F_3-F_1}\right)$

其中，数据最小码当量为±0.00390625°(即±14.0625″)。

采用CORDIC算法的圆周系统向量模式时，设置计算起始值：z₀＝0、y₀＝F4-F2、x₀＝F3-F1以及acrtan(2^-i)(可表示θ_i，i＝0)。

根据CORDIC算法的基本公式，具体见下式：

x_i+1＝x_i-δ_iy_i·2^-i (5)

y_i+1＝y_i+δ_ix_i·2^-i (6)

z_i+1＝z_i-δ_i·θ_i (7)

其中i＝0,1,2,…,N-1，δ_i＝-1时顺时针旋转，δ_i＝1时逆时针旋转；当y₁≥0时，δ_i＝-1；当y₁＜0时，δ_i＝1。

θ_i值(acrtan(2^-i))转换为二进制数，存储于存储单元中，为每一次迭代提供查找表。

表1 θ_i查找表

迭代次数i	角度αi(0≤αi＜0.25°)	θi
			0	0.25°	{3’b100,12’h000}
1	0.147584°	{3’b010,12’h5C8}
			2	0.077979°	{3’b001,12’h3F6}
3	0.039583°	{3’b000,12’hA22}
			4	0.019869°	{3’b000,12’h516}
5	0.009944°	{3’b000,12’h28C}
			6	0.004973°	{3’b000,12’h146}
7	0.002487°	{3’b000,12’h0A3}

采用上式(5)、(6)、(7)可以实现一次迭代过程，然后分别更新x_i,y_i,z_i,θ_i，并根据y_i的正负进行下一次迭代运算，移位的位数等于当前的迭代次数，经过N次迭代运算后，z_n的值即为arctan(y₀/x₀)。FPGA中的每一次迭代运算仅包括2个移位器和3个加(减)法器。

因数字太阳敏感器角度数据的最小码当量为±0.00390625°(即±14.0625″)，故CORDIC的迭代次数i取8次时即可保证最小码当量要求。

当最后一次CORDIC迭代完成后，通过y₈的正负对角度z₈进行补偿，如果y₈≤0：取z₈的前7位数据；反之：取z₈前7位再加“1”后的数据。否则，CORDIC运算后最小码当量会出现2×0.00390625°(即28.125″)的情况，影响运算精度。

角度补偿后，采用原始象限搜索方法获取最终细码角度值，具体见图3所示：根据CORDIC运算前，FPGA存储的细码角度所对应象限区域，将CORDIC运算后的0～0.25°的α角度转换回至0～2°的细码角度。将最终的细码角度整理为9位2进制数字量数据，见下表2所示。

表2 细码换算后的角度格式(单位：°)

20

2-1

2-2

2-3

2-4

2-5

2-6

2-7

2-8

注：最小码当量—±2^-8°＝±0.00390625°＝±14.0625″

如图4所示为本发明粗细码同步及数据打包的工作流程图，FPGA将伪偏移二进制码和细码角度数据按照粗细码同步原则处理，将处理的相关数据打包，等待响应星上计算机的取数指令。

其中粗细码同步匹配原则：粗细码匹配前提是粗码过渡误差≤0.5°：

a.当细码角度最高两位都为0，且伪偏移二进制码最低两位都为1时，将伪偏移二进制码加1；

b.当细码角度最高两位都为1，且伪偏移二进制码最低两位都为0时，将伪偏移二进制码减1；

c.其余情况不作任何处理；

伪偏移二进制码和细码角度同步匹配完成后组成同步匹配后角度值，如果同步匹配后的角度值为正角度，将同步匹配后的角度值右移一位，将正符号置于同步匹配后角度值的最高位；如果同步匹配后的角度值为负角度，将同步匹配后的角度值取补后右移一位，将负符号置于同步匹配后角度值的最高位；经上述处理得到的角度为数字太阳敏感器角度；

其中数据打包过程：数据处理完成后，为保护打包发送数据的完整性，在系统时钟边沿处，计算通讯累加和，并将两台数字太阳敏感器的角度、视场、全开码原码以及累加和数据锁存至相应寄存器内部，等待响应星上计算机的通讯指令。

本发明提出的基于FPGA的编码式太阳敏感器信号处理算法包括FPGA、钟振、AD转换器和模拟开关，其中FPGA包括：时钟分频模块，粗码角度处理模块，细码角度处理模块、粗细码同步及数据打包模块。各模块间协同配合，共同完成编码式太阳敏感器的信号快速处理工作。本方法将数据处理的所有计算过程集成于单片FPGA中，功耗低、小型化，系统设计简洁，可以充分发挥其并行计算的优势，显著提高处理速度与数据更新率。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.基于FPGA的编码式太阳敏感器信号处理系统，其特征在于包括FPGA、钟振、AD转换器和模拟开关，其中FPGA包括：时钟分频模块，粗码角度处理模块，细码角度处理模块、粗细码同步及数据打包模块；

时钟分频模块，将系统输入时钟256分频，分频后时钟用于粗码角度处理模块，细码角度处理模块，粗细码同步及数据打包模块的输入时钟；

粗码角度处理模块依次输出模拟开关的地址选通信号和使能信号，在每个模拟开关的地址选通信号停留期间，启动AD转换器，完成数字量采集，依次输出模拟开关的地址选通信号和片选使能信号，完成每台太阳敏感器探头的一路全开码、两路监视码以及七路粗码的数字量信号采集工作，获得上述十路信号的原码信息；对所获得的十路原码信号进行太阳敏感器视场有效性判别以及格雷码到伪偏移二进制码转换，得到伪偏移二进制码，送至粗细码同步及数据打包模块；与此同时粗码角度处理模块依次采集太阳敏感器的四路细码原码信号，送至细码角度处理模块；

细码角度处理模块实现四路细码原码信号的CORDIC优化运算，得到细码角度，送至粗细码同步及数据打包模块；

粗细码同步及数据打包模块完成伪偏移二进制码和细码角度同步匹配以及角度数据打包；

所述细码角度处理模块实现四路细码原码信号的CORDIC优化运算的具体过程如下：

(1)首先将0～2°分成八个象限，将四路细码原码对应的0～2°细码角度旋转到0～0.25°的第一象限，记录旋转前的细码角度所对应象限区域；

(2)然后使用一次CORDIC算法，计算第一象限的细码角度值，根据CORDIC算法的基本公式，具体见下式：

x_i+1＝x_i-δ_iy_i·2^-i (1)

y_i+1＝y_i+δ_ix_i·2^-i (2)

z_i+1＝z_i-δ_i·θ_i (3)

其中旋转次数i＝0,1,2,…,N-1，旋转方向δ_i＝-1时顺时针旋转，δ_i＝1时逆时针旋转；z_i表示第i次旋转角度值；y_i表示经过i次转换后，第4路细码与第2路细码的差值；x_i表示经过i次旋转后，第3路细码与第1路细码的差值；θ_i表示经过i次旋转后的acrtan(2^-i)值；

当最后一次(即第i次)CORDIC迭代完成后，根据y_i的正负对角度z_i进行补偿，如果y_i≤0：取z_i的前i-1位数据；反之：取z_i前i-1位再加“1”后的数据；否则，CORDIC运算后最小码当量会出现2×(±0.00390625°)即±28.125″的情况，影响运算精度；

(3)最后搜索旋转前原始象限区域，输出最终细码角度值：在CORDIC运算前，根据存储的细码角度所对应象限区域，将CORDIC运算后的0～0.25°的细码角度转换回至0～2°的细码角度，将最终的细码角度整理为9位2进制数字量数据。

2.根据权利要求1所述的编码式太阳敏感器信号处理系统，其特征在于：所述伪偏移二进制码和细码角度同步匹配以及角度数据打包的具体过程如下：

(1)根据伪偏移二进制码和细码角度同步匹配，获得数字太阳敏感器角度：

其中同步匹配原则：粗细码匹配前提是粗码过渡误差≤0.5°：

a.当细码角度最高两位都为0，且伪偏移二进制码最低两位都为1时，将伪偏移二进制码加1；

b.当细码角度最高两位都为1，且伪偏移二进制码最低两位都为0时，将伪偏移二进制码减1；

c.其余情况不作任何处理；

伪偏移二进制码和细码角度同步匹配完成后组成同步匹配后角度值，如果同步匹配后的角度值为正角度，将同步匹配后的角度值右移一位，将正符号置于同步匹配后角度值的最高位；如果同步匹配后的角度值为负角度，将同步匹配后的角度值取补后右移一位，将负符号置于同步匹配后角度值的最高位；经上述处理得到的角度为数字太阳敏感器角度；

(2)数据打包过程：数据处理完成后，为保护打包发送数据的完整性，在系统时钟边沿处，计算通讯累加和，并将两台数字太阳敏感器的角度、视场、全开码原码以及累加和数据锁存至相应寄存器内部，等待响应星上计算机的通讯指令。