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(jìn)行解運(yùn)算，來確定航天器的姿態(tài)，其工作的可靠性對(duì)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(duì)星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量有很大影響，會(huì)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(duì)星敏感器探測精度影響比較大，光電子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致暗電流噪聲，且暗電流噪聲對(duì)溫度非常敏感，溫度每升高15℃，噪聲會(huì)增加一個(gè)量級(jí)[2]；此外會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)CCD溫度進(jìn)行測量[2]，但熱敏電阻感溫時(shí)間長，不適合溫度的實(shí)時(shí)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(duì)星敏感器的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。AD7416高精度測量和FPGA對(duì)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(jì)
    由于星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度的變化非常敏感，因此，選擇高精度溫度傳感器對(duì)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(shí)，星敏感器測量誤差最小，對(duì)溫度傳感器的感溫時(shí)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(shí)間為400 ?滋s,分辨率可達(dá)0.25℃,測量范圍為-40℃~+125℃，最低功耗可達(dá)1.2 ?滋W，采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且具有過溫保護(hù)和采樣防錯(cuò)機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)時(shí)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(dá)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(dāng)溫度高于0℃時(shí)，啟動(dòng)制冷系統(tǒng)對(duì)星敏感器制冷，使其工作在0℃以下。為了驗(yàn)證程序的正確性，通過RS232接口將采集到的溫度值傳送給計(jì)算機(jī)，并通過上位機(jī)軟件來觀察采集到的溫度值和當(dāng)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(jì)AD7416的控制程序。由于Verilog HDL是IEEE的標(biāo)準(zhǔn),能應(yīng)用于各種型號(hào)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(yùn)行穩(wěn)定性更好，滿足星敏感器實(shí)時(shí)溫控的要求。
2 系統(tǒng)功能模塊及時(shí)序設(shè)計(jì)
2.1    硬件功能模塊設(shè)計(jì)
    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(shí)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(hào)。

    AD7416采用串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)鐘周期最小為25 ?滋s，即時(shí)鐘頻率最高為400 kHz，在FPGA內(nèi)需要對(duì)輸入50 MHz的晶振進(jìn)行分頻，本系統(tǒng)中采用125 kHz時(shí)鐘對(duì)AD7416進(jìn)行讀寫操作，讀寫的時(shí)序符合I2C時(shí)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(shí)根據(jù)溫度值來輸出制冷器的控制信號(hào)，F(xiàn)PGA功能模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)
    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(jī)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(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 kb/s，在快速模式下可達(dá)400 kb/s,在高速模式下可達(dá)3.4 Mb/s。I2C總線只有兩根雙向信號(hào)線：數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL；I2C總線通過上拉電阻接正電源，在總線空閑時(shí)均保持高電平。當(dāng)連接到總線上的任一器件輸出低電平時(shí)，總線信號(hào)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(gè)器件同時(shí)連接到I2C總線上，通過不同地址片選來確定當(dāng)前工作的器件。I2C協(xié)議規(guī)定SDA上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)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(shí)鐘的低電平期，因?yàn)樵跁r(shí)鐘高電平期間數(shù)據(jù)線上由高電平跳變到低電平被認(rèn)為是起始信號(hào)，由低電平跳變到高電平被認(rèn)為是停止信號(hào)。主機(jī)每發(fā)送一個(gè)字節(jié)給從機(jī)，從機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)，主機(jī)每讀取一個(gè)字節(jié)，也要向從機(jī)發(fā)送一個(gè)響應(yīng)。
    AD7416中的I2C總線接口與標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議略有不同，其時(shí)鐘線SCL是單向傳送，SDA是雙向傳送，數(shù)據(jù)的傳送符合標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)寄存器地址，其地址分配如表1所示。

    對(duì)于AD7416,配置寄存器的高三位缺省設(shè)置為000；D3~D4設(shè)置錯(cuò)誤序列的長度，表示檢測到多少個(gè)錯(cuò)誤序列后OTI輸出有效，缺省為01，表示檢測到一個(gè)錯(cuò)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(cuò)誤序列計(jì)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(duì)AD7416的讀/寫時(shí)序如圖4所示。

    從讀寫時(shí)序可以看出，每讀或?qū)? B需要9個(gè)時(shí)鐘周期，因此采用有限狀態(tài)機(jī)來設(shè)計(jì)讀寫控制程序。為了滿足I2C時(shí)序要求，避免在時(shí)鐘高電平期間數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)跳變，設(shè)計(jì)時(shí)鐘時(shí)采用不同的跳變沿觸發(fā)。分頻后得到的時(shí)鐘作為狀態(tài)機(jī)的工作時(shí)鐘，在其上升沿觸發(fā)；AD7416的SCL時(shí)鐘在分頻時(shí)鐘的下降沿觸發(fā)，對(duì)其進(jìn)行二分頻得到SCL時(shí)鐘信號(hào)。因此，狀態(tài)機(jī)工作時(shí)鐘的上升沿發(fā)生在SCL的高電平期和低電平期，而不會(huì)在SCL的跳變沿發(fā)生，通過對(duì)此時(shí)SCL的狀態(tài)（低電平/高電平）的判斷來改變或保持?jǐn)?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(hào)均用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，將起始、停止和讀1 B、寫1 B設(shè)計(jì)成task子程序，方便在讀、寫操作時(shí)調(diào)用。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    利用示波器觀察SDA和SCL上的波形，驗(yàn)證其是否符合I2C時(shí)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(hào)，表明從下一個(gè)時(shí)鐘周期開始傳送數(shù)據(jù)。從圖5（a）中可以看出，起始信號(hào)后，SDA傳送的是AD7416串行地址90H，表示此時(shí)對(duì)AD7416進(jìn)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(duì)星敏感器進(jìn)行環(huán)境實(shí)驗(yàn)，將所測得到的溫度值通過RS232接口傳送給計(jì)算機(jī)。為了實(shí)時(shí)觀測CCD溫度值，利用VC編寫了的溫控?cái)?shù)據(jù)接收軟件。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jì)了星敏感器的溫度測量系統(tǒng)，對(duì)星敏感器的環(huán)境溫度進(jìn)行測量和控制。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)序仿真和硬件平臺(tái)仿真。實(shí)驗(yàn)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(duì)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。
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