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基于FPGA的极紫外相机主控系统设计

作　者: 黄良
导　师: 韩诚山
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械电子工程
关键词: 极紫外相机 FPGA 数据预处理同步设计
分类号: V445.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

磁层空间暴是太阳活动高峰期日冕向外喷射的高速等离子体流被地磁场捕获引发的,是地球空间相机故障失效和损毁的诱发因素之一。研究地球等离子体层的整体运动行为和微观结构变化是探索地球空间暴的主要方法和手段。等离子体层中的氦核受到太阳辐射激发时会发射波长为30.4nm的强度正比于氦核粒子的浓度极紫外光辐射,对其进行成像探测便能间接观测到等离子体层的三维空间结构及其在磁扰动期间的变化。“嫦娥探月计划”二期工程的着陆器将搭载一台EUV相机,在月球表面对地球等离子体层进行30.4nm波段成像,以研究等离子体层的时空密度分布及其在太阳活动峰年期间的变化。在介绍了等离子体层成像探测的背景和意义之后,本文对月基对地观测、光子计数成像、MCP电子倍增、位敏阳极探测等关键技术原理进行详细说明,引出月基极紫外相机主控系统的研究任务。之后,从硬件设计和软件设计两个方面对系统的设计实现过程做了说明。硬件方面,根据任务需求,在对比了基于ASIC、基于DSP和基于FPGA的解决方案后,选择FPGA作为系统的主控制器,并进行了FPGA芯片选型。由此出发,确定了EUV相机的总体结构和外部接口,完成外部接口的硬件电路设计,最终完成极紫外相机主控板的硬件设计。软件方面,在对可编程逻辑的四个基本设计原则深入理解的基础上,介绍了系统的模块划分、各模块功能以及模块间的数据流图设计。然后逐一介绍各模块的详细设计:介绍了总线模块中地址译码、数据总线缓冲和中断状态处理的时序;介绍了基于环形分配器和位置信号采集的步进电机控制;介绍了RS-422通讯以及LVDS数据传输的电气特性、接口设计和工作方式;介绍了位置解码算法的原理,以并行执行和串行执行两种方法进行硬件实现,并根据面积与速度平衡原则进行权衡选择;介绍了乒乓结构的数据缓存结构,根据前端数据率确定了数据缓存深度,并设计了乒乓缓存时序。由于FPGA系统各模块工作时钟的多样性,根据同步设计原则进行了时钟域设计,提出了基于全局时钟网络、时钟鉴相和异步FIFO的混合时钟域解决方案,增加系统的可靠性。最后,结合数据处理和缓存的实验结果,对论文的研究工作进行了总结,分析了有待于进一步解决的问题,对今后的工作进行了展望。

基于FPGA的极紫外相机主控系统设计

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