多通路激光火工品等效测量装置设计

刘 永 田 宇 姜云涛 郜诗佳

(1.北京航天自动控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京 100854)

1 引 言

激光火工品以其抗电磁干扰能力强、强电磁干扰环境生存能力强等特点，在国内外得到越来越广泛的应用[1]。然而，激光火工品起爆回路可能由于光纤损伤、折断，端面污染等原因，影响激光火工品正常起爆[2]。由于火工品属于消耗品，使用真实火工品测试起爆回路不但经济性差，而且测试过程危险性高。因此，在真实火工品上装之前，利用火工品等效测量装置对起爆系统进行完整性检查可以极大提高火工品起爆的可靠性。

目前，针对火工品等效器的研究成果多集中于电起爆系统[3～5]，而激光火工品起爆系统及火工品测试仍以人工方式为主[6]，即检测人员利用光功率计测量起爆光纤末端的平均光功率。人工方式检测方法简单、易行，但是存在如下问题：1)测试过程随机误差大。测量精度受测试环境、光功率计精度和测试人员等因素影响，测量重复精度不高；2)测试效率低。每次测试仅能完成单一起爆通路的测试，多路测试过程复杂、效率低；3)安全性差。测试人员直接接触高功率激光，存在一定的职业风险；4)无法完成时序测量。通常情况下，起爆系统时序指令宽度约50ms，人工根本无法有效测量指令时序。

为了解决上述难题，在借鉴文献[7,8]光电探测组件设计的基础上，本文设计了一种基于FPGA和CPCI总线的激光火工品等效测量装置(下文简称“等效测量装置”)，该装置以FPGA为核心，利用光电探测器(Photo-electricity Detector, PD)测量起爆系统发出的激光功率，并对点火脉冲时序指令进行检测，同时提供CPCI总线接口以满足板卡与上位机之间高速数据交换的需求，进而实现了对激光火工品通路和时序指令等多参数的实时检测。

2 系统构成及原理

等效测量装置逻辑结构框图如图 1所示。图中所示等效测量装置主要由控制检测电路和光路两部分组成，其中，控制检测电路包括PD检测电路、调理单元电路、多路模拟开关、A/D采样电路、FPGA、DDRII高速缓存区、CPCI通讯单元、电源电路和时钟电路等九部分组成；光路部分主要包括光纤连接器、光衰减器和光纤等三部分。

图1 激光火工品等效测量装置逻辑结构框图Fig.1 Logic block diagram of laser initiating system equivalent

等效测量装置的工作原理为：激光火工品起爆系统发出的起爆激光通过光纤连接器进入光衰减器(光衰减器的衰减率为20dB)，光衰减器输出激光到PD，等效测量装置FPGA在接收到上位机通过CPCI总线发出控制指令后，启动A/D采样(利用多路模拟开关通过分时切换的方式完成4通道A/D采样)，完成对PD变换器的输出测量，并将数据缓存于板载存储空间内，以备上位机读取和使用。由于起爆激光功率高，为了避免PD饱和输出，本文在进行A/D采样之前利用光衰减器得到符合PD量程的待测激光，从而降低了光电转换电路的设计难度。

3 等效测量装置关键电路原理分析

3.1 光电探测器(PD)检测电路设计

本文设计选取了OSI Opotoelectronics生产的PN型FCI-InGaAs系列PD敏感起爆激光。PN型PD在受到光照时会产生一个与照度成正比的小电流，其入射光敏感波长范围为(500～1 000)nm，允许接收的光功率范围为(-60～16)dB，其积分敏感度为0.9mA/mW，暗电流约(10-11～10-10)A。为了缩短PN结耗尽层宽度，提高光谱响应灵敏度，需要在PD两端施加反向偏置电压，并利用外接负载电阻实现光电流的输出和I/V转换。I/V转换测量电桥如图 2所示，图中R1，R2，R3和PD构成测量电桥，电路输出双端信号(uPD_N、uPD_P)到信号调理单元电路。

图2 电流-电压转换电路Fig.2 Current-to-voltage conversion circuit

以等效测量装置单通道起爆激光输入光功率3 000mW为例，经过光衰减器后PD的输入光功率为30mW，结合PD的积分敏感度可知，光探测器最大响应电流为0.27A，故此起爆激光输入下，双端信号uPD的范围为(-0.27～0)V。

3.2 调理单元电路设计

调理电路的性能在很大程度上影响着等效测量装置的性能，为了保证光电变换得到信号的品质，调理电路需要具有如下特性：1)确保检测电路在动态光输入作用下具有足够的频率响应，能对复杂信号(如光信号阶跃输入)进行无频率失真的变换；2)降低光电变换中的噪声影响，提高整个测量系统的精度。光电探测器主要噪声源为产生-复合噪声和1/f噪声[9]，需要设计低通滤波器对高频测量噪声进行滤波处理。

图3 信号调理电路Fig.3 Signal processing circuit

本文所设计的调理单元电路如图 3所示，包括两级放大部分和一级电压跟随部分。前置级放大电路使用ISL28533仪表运算放大器u21完成差模输入的放大，而后再经过由元器件C21，C22，R23，R24，R25和u22(使用OP27运算放大器)构成中间级放大电路，进行低通滤波和信号二次放大。最后设置由U23(使用OP27运算放大器)组成的电压跟随电路，实现电路隔离作用。

在调理单元电路中，由u21组成的前置级放大电路的放大倍数设定为2，中间级放大电路的低通滤波部分截止频率设计为

式中：R25，R24，C22，C21——分别代表电阻R25的阻值，R25=10kΩ，电阻R24的阻值，R24=2.5kΩ，电容C22的容值，C22=100pF，电容C21的容值，C21=100pF。

滤波器品质因数

式中：R23——代表电阻R23的阻值2.5kΩ。

滤波器放大倍数

从滤波器品质因数可以看出，本文所设计的低通滤波器具有较好的频率分辨能力，通频带具有足够频率响应能力，在截止频率处可以快速抑制噪声影响，满足光电变换信号的调理需求。

3.3 AD采样电路

等效测量装置中A/D采样电路的精度很大程度上决定了系统对起爆激光功率测量的精度。本设计选用ANALOG DEVICES(AD)公司生产的AD7091低功耗12位A/D转换芯片，该芯片输入电压Vdd=(2.09～5.25)V，模拟量输入范围0～Vdd，额定功耗1.1mW。A/D转换电路如图 4所示。图中AD7091采用SPI串行接口与FPGA交换数据，SDO为串行数据输出端，外加100Ω上拉电阻，连接至FPGA IO引脚，/CS为片选信号。/CONVEST引脚接收启动A/D转换指令，当/CONVEST为下降沿时，触发芯片开始进行A/D转换。VIN引脚为uAD采样模拟量输入。

图4 AD4079采样电路Fig.4 Sampling circuit using AD4079

根据前文设计可以测算信号uAD输入范围(0～2.16)V，使用3.3V电源为AD7091供电能够满足uAD采样输入范围要求。同时，可以进一步计算得到A/D采样电路的分辨率为

(4)

式中：A——调理电路放大倍数，A=8；R1——电阻R1的阻值，R1=10Ω；N——光路衰减比例，N=100；kPD——PD的积分敏感度，kPD=0.9mA/mW。代入数据后可得，A/D采样电路分辨率d=1.12mW，满足等效测量装置采样精度需求。

3.4 电源设计

等效测量装置内部使用的放大器、FPGA、DDRII SDRAM和CPCI接口芯片使用电源种类繁多。逻辑芯片Virtex 5系列XC5VSX50T FPGA需要使用1.0V内核电压、2.5V参考电压和3.3V外设电压。DDRII SDRAM需要使用0.9V和1.8V两种直流电源供电。CPCI接口芯片需要使用3.3V供电。放大电路需要±5V电源。为了适应上述复杂的供电体系，本文采用一级DC/DC供电和二级LDO的二级供电体系。一级DC/DC电路将上位机主机输入的+12V直流供电进行降压和滤波，电路使用Linear公司生产的LT8471电源芯片，该芯片的输入电压范围为DC(6～32)V，输出电压为DC 5V、DC -5V，效率达到80%以上，芯片电路如图 5所示。二级LDO转换电路将输入的5V电源转换为板载各器件需要的供电电压。

图5 板载DC/DC模块电路Fig.5 Circuit of DC/DC power module on board

3.5 存储空间

存储器的性能决定了等效测量装置采样电路的性能。为了适应激光火工品等效器高速、大数据量的特点，本文设计了一个双DDRII SDRAM的数据存储系统。两块DDRII SDRAM组成一簇存储空间，利用DDRII SDRAM高速、大容量、性价比高等特点，实现数据连续采样-缓存。

由于DDRII SDRAM在时钟上升沿和下降沿都进行数据采样，因此在硬件电路设计布线过程中优先布局数据信号线DQ，其次布局差分选通信号线DQS，时钟信号线CK，反馈信号线。同时，数据信号线、差分选通信号线和时钟信号线的使用0.762mm的铜质带状线，长度控制在5.08mm以内，以保证DDRII SDRAM读操作和写操作时序具有更短的时钟建立时间、保持时间。

3.6 CPCI接口设计

PCI9656负责完成CPCI总线的申请和数据传输，整个总线申请和数据传输过程需要上位机CPCI总线和板卡的局部总线配合完成。PCI9656起到了一个桥接作用，它的一端连接上位机CPCI总线，另一端连接板卡局部总线，由于CPCI总线的申请和释放由PCI9656和上位机操作系统配合完成，因此本文CPCI接口设计仅需要考虑板卡局部总线。

根据PCI9656用户手册可知，其接口包括CPCI总线、局部总线接口和EEPROM串行接口。EEPROM串行接口用于上电后对PCI9656内部寄存器的配置。局部总线接口主要包括LHOLD，LHOLDA，/ADS，/READY，LWR等握手信号，以及数据总线LD、地址总线LA。由于PCI9656局部总线具有M，C，J三种工作模式，区别主要体现在地址总线和数据总线是否复用，为了降低系统的复杂程度，故本文选用C模式作为FPGA与PCI9656连接的局部总线的工作模式。PCI9656接口电路如图 6所示。

图6 CPCI接口电路示意图Fig.6 CPCI interface circuit

4 控制逻辑

根据等效测量装置的设计需求，本文在FPGA内部开辟了一系列存储空间，上层应用软件可以通过设置寄存器的方式控制等效测量装置的工作状态。同时，将FPGA内部接口模块分为存储管理模块、局部总线控制模块、A/D控制模块、时钟模块等。逻辑实现框图如图 7所示。下文针对存储管理和A/D采样等关键模块的逻辑实现进行详细论述。

图7 FPGA逻辑实现框图Fig.7 FPGA logic diagram

4.1 A/D功能实现

A/D采样过程需要通过FPGA配置A/D芯片后触发A/D转换，等待A/D转换完成后，通过SPI总线将数据读入。具体过程如下：首先，将FPGA配置为3线SPI总线主机模式，/CS信号由一个通用I/O接口输出，时钟SCLK由内部时钟分频得到，相位和极性配置均为0。而后，产生A/D转换开始信号AD_CONVST_TRIG(连接至AD芯片引脚/CONVEST)启动采样，计数器AD_TIMER从设定值AD_TIMER_VALUE开始自减。当计数器AD_TIMER自减到0时(650ns后)，FPGA通过I/O接口输出/CS信号并维持，而从SDO接口读入数据，经过12个SCLK周期后数据全部读入FPGA内部，此时释放/CS完成数据读取时序，并将数据按照DDRII SDRAM写时序将数据发送至RAM存储器。当读时序结束后，AD采样管理模块重新回到idle状态。A/D采样仿真时序如图 8所示。

图8 A/D转换时序序列Fig.8 A/D conversion time sequence

4.2 双SDRAM乒乓存储机制

为了提升CPCI总线的数据传输效率，需要使用DMA的方式实现数据“段传输”，即当DDRII SDRAM存贮空间存满后启动CPCI总线传输，但是此时数据采样和记录过程不应中断。为了解决上述矛盾，本文采用了双SDRAM乒乓存储机制。所谓双SDRAM乒乓存储机制是指，存储过程中，FPGA需要控制一片SDRAM读数据的时候，另一片SDRAM写入数据，读和写操作并行进行，保证数据记录过程不间断。

如图 7所示，data_in为数据输入SDRAM，data_out为数据输出SDRAM，wrt_sel[0：1]为写入数据片选信号。双SDRAM乒乓存储操作方式如下：当SDRAM0执行“写操作”时，FPGA通过内部“非”门取反输出wrt_sel[0]=1，wrt_sel[1]=0，采样数据则通过data_in写入SDRAM0，而SDRAM1的数据则执行“读操作”；当SDRAM1执行“写操作”时，FPGA输出wrt_sel[0]=0，wrt_sel[1]=1，采样数据则通过data_in写入SDRAM1，而SDRAM0的数据则执行“读操作”。因此，两片SDRAM进行交替读写，提高了SDRAM的数据吞吐能力，保证数据读写过程中数据采样的连续性。

5 测试结果与分析

为了验证激光火工品等效测量装置的性能，本文搭建了一套激光火工品起爆验证系统。系统的工作原理为：起爆激光光源发出的激光经过光纤连接器进入激光火工品等效装置，等效装置对激光进行衰减、采样后得到电信号，再经过调理电路和A/D采样得到光功率数据，最后上位机对光功率信息进行存储或传输处理。起爆激光光源的主要技术指标如表 1所示。

表1 起爆激光光源主要技术参数

Tab.1 Initiating laser source specifications

测试过程使用3个激光点火通路，点火通路按照图 9时序关系发出火工品起爆激光，测试结果如图 10所示。

图10 等效测量装置采样结果Fig.10 Sampled data of the equivalent instrument

通过比较通路时序图和采样结果可以看出，通道1、通道2和通道3时序宽度均为10.0ms，各通道起爆激光时序关系与图 9要求一致，说明系统多路时序采样功能工作正常，采样结果满足设计要求。进一步将各通路对激光脉冲的采样结果进行分析(如图 11～图 13所示)可知，每一通路到采样得到的激光脉冲幅值均为3.00W，激光脉冲建立/关断时间均小于0.5ms，与激光发生器光源特性一致，说明等效测量装置各通路采样精度满足设计要求。综上可知，此试验验证了等效测量装置方案设计的正确性和工程实践的可行性。

图11 通道1点火激光脉冲采样结果Fig.11 Sampled data of the initiating laser in channel 1

图12 通道2点火激光脉冲采样结果Fig.12 Sampled data of the initiating laser in channel 2

图13 通道3点火激光脉冲采样结果Fig.13 Sampled data of the initiating laser in channel 3

6 结束语

针对多路激光火工品等效测量问题，本文设计了基于FPGA和CPCI总线的激光火工品等效测量装置。该装置具有集成化程度高、多通道、高精度的特点，通过大容量双RAM交替存储机制实现了连续实时采样，进而记录了激光脉冲的特征细节，避免了数据丢失。合理的光路设计、FPGA选型以及A/D调理电路设计，提高了板卡的集成度，实现了板卡的各项功能。试验验证了产品设计的正确性，结果表明，该等效测量装置采样精度满足设计要求。

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