CN108459549A - 一种光谱成像仪控制器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光谱成像仪控制器电路，解决了现有技术集成度低、可靠性差、维护不方便、芯片需求及资源占有量大等问题。该光谱成像仪控制器电路主要包括六个电路板，其中下位机控制板中的CPU直接接收来自模拟量遥测采集板的模拟量、来自摆镜电机驱动及编码角度采集板的摆镜编码角度以及数管分系统通过CAN总线下发的指令，直接输出各种加断电指令、摆镜配置参数及驱动脉冲和通过CAN总线回传给数管分系统的反馈参数；CPU通过FPGA经内部总线接口间接获得光谱成像仪主体和信号处理器的具体工作信息，CPU通过FPGA经内部总线接口间接输出光谱成像仪主体和信号处理器的具体工作指令以及同步信号和秒脉冲信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱成像仪控制器电路。
背景技术
目前，星载的宽覆盖、高分辨率高光谱成像仪载荷设计为高光谱成像仪分系统，作为下位机与数据管理分系统(涉及命令、参数配置)、数据传输分系统(涉及业务数据)通信。
高光谱成像仪分系统主要包括光谱成像仪主体、以及放置于载荷舱内的信号处理器和光谱成像仪控制器。信号处理器与光谱成像仪主体、数据传输分系统以及光谱成像仪控制器通信；光谱成像仪控制器与光谱成像仪主体、数据管理分系统以及信号处理器通信。电源分系统为高光谱成像仪分系统供电(作为一次电源输入)。其中：
光谱成像仪主体包含：可见光光谱成像电路、短波红外光谱成像电路及其定标灯以及实现穿轨指向的摆镜组件。主成像系统采用大孔径干涉光谱成像技术，利用推扫成像的方式，通过干涉仪、光学成像镜获取目标辐射信息，由面阵探测器转换输出地面目标的空间图像信息和光谱干涉信息。其中可见光波段输出数字图像，短波红外波段输出模拟图像，摆镜组件实现穿轨成像指向与星上定标指向。
信号处理器通常包括：压缩编码电路、红外制冷机驱动电路、热控管理电路等，主要将短波红外光谱成像仪获得的短波红外干涉图模拟信号转换为数字图像，对可见光、红外干涉图像数据进行压缩编码，将压缩后的数据打包后输出给数传分系统；同时实现制冷机驱动控制、分系统热控管理功能。
光谱成像仪控制器主要完成分系统成像、压缩、控制电路供配电控制、遥控遥测、摆镜控制、定标供电等功能。
目前，常规的光谱成像仪控制器电路集成度低，可靠性差，存在开发难度大、维护不方便、芯片需求及资源占有量大、成本高等缺陷，无法满足现有航天产品对可靠性、资源占有率以及成本等方面的要求。
发明内容
本发明提供一种光谱成像仪控制器电路，旨在解决现有光谱成像仪控制器电路集成度低、可靠性差、开发难度大、维护不方便、芯片需求及资源占有量大等问题。
本发明的解决方案如下：
该光谱成像仪控制器电路，其特征在于，包括：
模拟量遥测采集板，设置有多路模拟开关、电压跟随器和A/D转换器；所述多路模拟开关对应于输入的多种模拟量状态信号，由下位机控制板中的CPU通过内部数据地址总线控制多路模拟开关分时转换采集通道，目标采集通道中的模拟量状态信号经过所述电压跟随器隔离送入A/D转换器，直接输出至下位机控制板中的CPU；
下位机控制板，设置有CPU、程序存储器和FPGA，CPU将内部总线扩展及总线帧频信息发送给FPGA，FPGA通过数据地址总线驱动器与CPU进行信号交换；CPU直接(通过外部总线接口)接收来自模拟量遥测采集板的模拟量、来自摆镜电机驱动及编码角度采集板的摆镜编码角度以及数管分系统通过CAN总线下发的指令，直接(通过外部总线接口)输出各种加断电指令、摆镜配置参数及驱动脉冲和通过CAN总线回传给数管分系统的反馈参数；CPU通过FPGA经内部总线接口间接获得光谱成像仪主体和信号处理器的具体工作信息，CPU通过FPGA经内部总线接口间接输出光谱成像仪主体和信号处理器的具体工作指令以及同步信号和秒脉冲信号；
定标电源及控制指令生成板，设置有定标电源模块、继电器、驱动电路，所述定标电源模块将控制器电源板提供的电源电压变换后输出为光谱成像仪的定标灯供电，并通过所述CPU产生对所述继电器的驱动控制信号，实现对定标灯的加断电和切换；
摆镜电机驱动及编码角度采集板，用于根据下位机控制板给出的摆镜配置参数及驱动脉冲，输出摆镜电机驱动信号，并采集摆镜限位反馈信号及编码器角度信号，通过内部数据总线送至下位机控制板；
控制器电源板，设置有电源模块DC-DC，由外部电源供电，并通过继电器实现一次电源输入使能、二次电源输出使能及电源变换；
设备电源控制板，基于控制器电源板提供的二次电源，并根据CPU的加断电指令通过继电器使能电压输出，分别为信号处理器和光谱成像仪主体供电。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
所述输入的多种模拟量状态信号包括：(1)来自光谱成像仪主体的可见光成像电路、红外成像电路的工作电压、红外制冷机温度测量电压值；(2)控制器电源板的供电电压、一次电源输入使能信号；(3)来自信号处理器的压缩编码电路、红外制冷机驱动电路的工作电压。
所述内部总线接口支持三路双向RS485总线和两路单向RS485总线；通过双向RS485总线对可见光成像电路、红外成像电路、压缩编码电路的命令设置及参数设置，接收可见光成像电路、红外成像电路、压缩编码电路的遥测数据；内部同步信号和秒脉冲信号各自组成单相信号通过单向RS485总线输出可见光、红外帧同步信号和秒脉冲信号。
所述定标电源及控制指令生成板还集成有时间基准信号收发电路和选通输出控制电路；时间基准信号收发电路接收来自数管分系统的两路所述秒脉冲信号，发送到选通输出控制电路进行自主选择输出；两路秒脉冲信号中，一路对应于可见光成像电路，另一路对应于红外成像电路。
模拟量遥测采集板、下位机控制板、定标电源及控制指令生成板、摆镜电机驱动及编码角度采集板、控制器电源板以及设备电源控制板均设置有主份、备份。
本发明具有以下优点：
该光谱成像仪控制器电路集成度高，存储资源较少，进行了模块化设计，易于维护，修改简便，可靠性高；所需芯片较少，成本低，通过内部485总线扩展将指令、秒脉冲分发给多个单机，避免了对高性能芯片的依赖。
该光谱成像仪控制器电路通过can总线接收来自数管的加断电指令、帧频参数等其他辅助数据，能够支持定标模式下控制光谱仪定标灯工作；通过RS485总线与可见光成像电路、压缩编码成像电路进行数据交换，通过A/D模拟量采集可遥测可见光、红外成像电路电压和电流信息；通过摆镜电机驱动及编码角度模块实现摆镜步进电机驱动及编码器角度编码，能够满足高光谱成像仪等待模式、成像模式、定标模式的工作需求。
附图说明
图1为本发明的高光谱成像仪控制器电路及其外围输入输出的示意图。
图2为AD采集电路原理图。
图3为32路模拟电压输入模拟开关示意图。
图4为程序存储器扩展电路设计原理图。
图5为内部双向485串行接口设计电路原理图。
图6为外部通信CAN总线接口电路设计原理图。
图7为定标电源及控制指令生成板的原理图。
图8为摆镜电机驱动及编码角度采集板的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例详述本发明。
如图1所示，本发明的高光谱成像仪光谱仪控制器电路由以下电路板组成：
一、模拟量遥测采集板：
采集的模拟量信息有：
a、可见光成像电路、红外成像电路的工作电压、红外制冷机温度测量电压值等状态信息(来自光谱成像仪主体)；b、控制器电源板的供电电压、一次电源加断电及主备切换继电器等状态信息；c、压缩编码电路、红外制冷机驱动电路的工作电压等状态信息(来自信号处理器)。这里所说的“红外制冷机”可以认为属于红外成像电路的一部分。
根据需要，控制器自身、信号处理器和光谱成像仪主体的部分状态信息(包括部分工作电压、红外制冷机温度测量电压值及红外制冷机锁定解锁状态等)，通过下位机控制板上传至数管分系统。
这里，“一次电源”即来自电源分系统的输入电压，相对的，“二次电源”指光谱仪控制器内电源模块的输出电压。
该模拟量遥测采集板主要由多路模拟开关(32路模拟量采集输入)、跟随器、A/D转换器组成，采集输入电压通过电压跟随器将要采集的电压输入到A/D转换器的采集输入端，采集结果通过内部数据总线送给CPU。
CPU通过内部8位数据地址总线控制采集通道变换，模拟开关分时转换采集通道，要采集的模拟量经过OP07运放组成的跟随器隔离送入A/D转换器。为了减小采集通道间的相互影响、提升系统性能，32路模拟量输入每路进入模拟开关前串联一个560K电路(如图2、图3所示)。
A/D转换器采取12位的AD574ATD，可见光、红外成像电路电压遥测信号通过模拟开关选通，送至AD574ATD，获取遥测电压信息。在有限的资源下，通过进行位数操作来提升模拟量采集的精度，既节省资源和成本，又提高精度。
二、下位机控制板：根据数管分系统的指令，输出高光谱成像仪成像电路(可见光成像电路、红外成像电路)的工作状态命令(控制信号)及秒脉冲信号，并向定标电源及控制指令生成板发送定标命令；完成对外(与数管分系统)、对内(与信号处理器)的信息通讯(卫星姿态数据、遥测信号、同步信号等)，读取模拟量遥测数据采集板输出的状态信息。
该下位机控制板主要由CPU、程序存储器和FPGA组成，并设置有内部总线接口和外部总线接口。其中：
CPU采用一片ATMEL公司生产的MC-80C32E-30，工作在16MHz频率上。采用地址数据总线方式与其它电路连接。
程序存储器采用两片设计，具体可用两片8*8K小容量程序存储器扩展成8*16K大容量程序存储器扩展，两片选通用地址A13控制选通，通过扩展节省成本，提升资源利用率，如图4所示。
CPU将内部485总线扩展及485总线帧频信息发送给FPGA，FPGA通过数据地址总线驱动器54LVCH245与CPU进行信号交换，共扩展两路双向异步串口和一路单向帧同步输出。串并转换FPGA采用一片xilinx公司生产的XQVR300-4CB228V，工作在16MHz频率上。
CPU直接接收的信息包括来自模拟量遥测采集板的模拟量、来自摆镜电机驱动及编码角度采集板的摆镜编码角度、数管分系统通过CAN总线下发的指令，直接输出的命令和参数主要有加断电指令、摆镜配置参数以及通过CAN总线回传给数管分系统的反馈参数；
CPU通过FPGA经内部总线接口间接获得的信息主要有光谱成像仪主体和信号处理器的具体工作信息；间接输出的主要是光谱成像仪主体(的成像电路)和信号处理器的具体工作指令以及同步信号和秒脉冲信号。
内部总线包括3路双向内部通信RS485总线(如图5所示)和两路单向RS485总线。双向RS485总线完成对可见光成像电路、红外成像电路、压缩编码电路的命令设置及参数设置，接收可见光成像电路、红外成像电路、压缩编码电路遥测数据。内部总线接口为双向RS485串行接口，接口芯片采用两片MAX485，实现与可见成像电路、红外成像电路、压缩编码电路等进行通信。内部同步信号和秒脉冲信号各使用一片MAX485组成单相信号传输，用于实现输出可见、红外帧同步信号和秒脉冲信号。
外部总线采用CAN总线与卫星数管分系统连接，接口芯片采用两片飞利浦生产的SJA1000T，工作在16MHz频率上，接口电路采用PCA82C250芯片，主备设计有两路CAN总线，定义为CAN1、CAN2，具体如图6所示。
三、定标电源及控制指令生成板：控制定标灯主、备定标电压加、断电，生成可见光成像电路、红外成像电路定标灯的加断电指令、压缩编码电路的加断电指令。
该定标电源及控制指令生成板主要由定标电源模块、继电器和驱动电路组成。其中：定标电源模块的+12V模拟电压(来自控制器电源板转换得到)经两个MSK5130电压变换后分别输出+6.5V和+2.2V，作为可见光光谱相机和红外光谱相机的定标灯电压。主备份定标电压由主备份+12V变换，如图7所示。
3个4JRB-4继电器控制着可见光光谱相机、红外光谱相机定标灯的加断电。
可见光光谱相机、红外光谱相机定标灯电压输出由CPU控制4JRB-4继电器切换实现，具体是CPU产生继电器的驱动控制信号，经54HC573锁存由LB8169执行驱动输出给4JRB-4继电器。
该定标电源及控制指令生成板还集成有时间基准信号收发电路(包括同步信号、秒脉冲信号的接收电路和发送电路)和选通输出控制电路。
时间基准信号收发电路接收来自数管分系统的两路秒脉冲(一路对应于可见光成像电路、另一路对应于红外成像电路)，发送到选通输出控制电路进行自主选择(根据需要决定是否)输出。
四、摆镜电机驱动及编码角度采集板：接收下位机控制板(CPU直接)发送的摆镜驱动脉冲，输出摆镜电机驱动信号，并采集摆镜限位反馈信号及编码器角度信号，将编码器角度信号处理得到角度编码值，通过内部数据总线送至下位机控制板中的CPU，如图8所示。
该摆镜电机驱动及编码角度采集板主要由步进脉冲锁存电路、步进驱动输出电路、编码器电源变换电路、光电信号处理电路、编码器译码电路、编码器粗放电路、编码器电阻链细分电路、编码器编码输出电路这8部分组成。其中：
1、步进脉冲锁存电路：产生步进脉冲锁存及驱动输出继电器控制信号，具体可由译码电路、锁存电路及OC门电路(加断电门电路)组成；
译码电路由54HC138执行，产生脉冲锁存及驱动输出继电器控制信号锁存；
OC门电路用于驱动摆镜步进电机脉冲驱动输出继电器，驱动步进电机，由LB8169执行，主备驱动互锁，主份控制步进脉冲驱动输出的同时控制备份步进脉冲驱动输出断开，相反备份控制步进脉冲驱动输出的同时控制主份步进脉冲驱动输出断开。
2、步进驱动输出电路：用于输出步进脉冲驱动信号，驱动信号由3DK103和3DK9组成单相驱动，共由相同4路驱动，主备驱动输出由继电器隔离，继电器选用2JB0.5-1。
3、编码器电源变换电路：本电路由MSK5115和LM137组成编码器需要的+9V、+5V、-9V、-5V供电电源。
4、光电信号处理电路：光电信号处理电路由LM124AWG/883对编码器光电信号进行处理得到角度细分译码需要的SIN、COS、SIN180三种信号。
5、编码器译码电路：由SNJ54AC86W和SNJ54AC32W组成对细分电路产生的信号进行译码形成角度编码信号。
6、编码器粗放电路：由LM124AWG/883和LM139AWG/883组成对光电信号进行角度粗放，输出作为角度编码信号的一部分，用于查找角度值。
7、编码器电阻链细分电路：由LM139AWG/883对SIN、COS和SIN180信号进行细分，形成精确的角度编码值，输出给译码电路进行译码。
8、编码器编码输出电路：编码器编码输出电路输出编码器角度编码值由于查找角度值，输出电路由4块54HC573组成，主备采用热备，防止输入电路潜通，输出控制由与非门54HC00和或非门54HC02组成。主份加电时主份输出，备份高阻输出，备份加电时主份高阻输出。
五、控制器电源板：主要由继电器和电源模块DC-DC组成，实现高光谱成像仪控制器本身的加断电及主/备份切换、二次电源输出使能及二次电源变换。
具体是8个2JB0.5-1继电器组成二次电源输出使能控制，继电器采用触点两并两串冗余设计。
电源模块DC-DC为控制器提供下位机控制板工作需要的+5V、+15V、-15V电源工作电压。主备两套冷备工作模式。
六、设备电源控制板：设备电源控制板实现红外制冷机主备二次电源输出使能控制信和可见光成像电路、压缩编码电路二次电源输出使能控制信，使能信号通过电连接器输出给信号处理器,用于控制红外制冷机驱动、可见光成像电路、压缩编码电路主备二次电源输出，同时输出红外焦面10V供电控制信号。该设备电源控制板由20个磁保持2JB0.5-1继电器进行使能输出控制。
该光谱成像仪控制器电路设计集成度高，涉及4组串口，2组can总线以及电机、编码器角度控制、AD模拟量采集，37个继电器驱动与控制，FPGA的通信等模块；存储资源较少，只利用128Kb PROM程序存储；开发使用模块化设计，易于维护，修改简便；所需芯片较少，成本低，通过内部485总线扩展将指令、秒脉冲分发给多个单机，程序存储器通过两片8*8K小容量程序存储器扩展成8*16K大容量程序存储器，避免了对高性能芯片的依赖。
Claims (5)
1.一种光谱成像仪控制器电路，其特征在于，包括：
模拟量遥测采集板，设置有多路模拟开关、电压跟随器和A/D转换器；所述多路模拟开关对应于输入的多种模拟量状态信号，由下位机控制板中的CPU通过内部数据地址总线控制多路模拟开关分时转换采集通道，目标采集通道中的模拟量状态信号经过所述电压跟随器隔离送入A/D转换器，直接输出至下位机控制板中的CPU；
下位机控制板，设置有CPU、程序存储器和FPGA，CPU将内部总线扩展及总线帧频信息发送给FPGA，FPGA通过数据地址总线驱动器与CPU进行信号交换；CPU直接接收来自模拟量遥测采集板的模拟量、来自摆镜电机驱动及编码角度采集板的摆镜编码角度以及数管分系统通过CAN总线下发的指令，直接输出各种加断电指令、摆镜配置参数及驱动脉冲和通过CAN总线回传给数管分系统的反馈参数；CPU通过FPGA经内部总线接口间接获得光谱成像仪主体和信号处理器的具体工作信息，CPU通过FPGA经内部总线接口间接输出光谱成像仪主体和信号处理器的具体工作指令以及同步信号和秒脉冲信号；
定标电源及控制指令生成板，设置有定标电源模块、继电器、驱动电路，所述定标电源模块将控制器电源板提供的电源电压变换后输出为光谱成像仪的定标灯供电，并通过所述CPU产生对所述继电器的驱动控制信号，实现对定标灯的加断电和切换；
摆镜电机驱动及编码角度采集板，用于根据下位机控制板给出的摆镜配置参数及驱动脉冲，输出摆镜电机驱动信号，并采集摆镜限位反馈信号及编码器角度信号，通过内部数据总线送至下位机控制板；
控制器电源板，设置有电源模块DC-DC，由外部电源供电，并通过继电器实现一次电源输入使能、二次电源输出使能及电源变换；
设备电源控制板，基于控制器电源板提供的二次电源，并根据CPU的加断电指令通过继电器使能电压输出，分别为信号处理器和光谱成像仪主体供电。
2.根据权利要求1所述的光谱成像仪控制器电路，其特征在于：所述输入的多种模拟量状态信号包括：(1)来自光谱成像仪主体的可见光成像电路、红外成像电路的工作电压、红外制冷机温度测量电压值；(2)控制器电源板的供电电压、一次电源输入使能信号；(3)来自信号处理器的压缩编码电路、红外制冷机驱动电路的工作电压。
3.根据权利要求2所述的光谱成像仪控制器电路，其特征在于：所述内部总线接口支持三路双向RS485总线和两路单向RS485总线；通过双向RS485总线对可见光成像电路、红外成像电路、压缩编码电路的命令设置及参数设置，接收可见光成像电路、红外成像电路、压缩编码电路的遥测数据；内部同步信号和秒脉冲信号各自组成单相信号通过单向RS485总线输出可见光、红外帧同步信号和秒脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的光谱成像仪控制器电路，其特征在于：所述定标电源及控制指令生成板还集成有时间基准信号收发电路和选通输出控制电路；时间基准信号收发电路接收来自数管分系统的两路所述秒脉冲信号，发送到选通输出控制电路进行自主选择输出；两路秒脉冲信号中，一路对应于可见光成像电路，另一路对应于红外成像电路。
5.根据权利要求3所述的光谱成像仪控制器电路，其特征在于：模拟量遥测采集板、下位机控制板、定标电源及控制指令生成板、摆镜电机驱动及编码角度采集板、控制器电源板以及设备电源控制板均设置有主份、备份。
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