0 引言

　　脈沖星導(dǎo)航是利用脈沖星穩(wěn)定的輻射周期特性，在太空中為星際空間飛行器提供位置、速度和時(shí)間等導(dǎo)航信息。這是一種新型的導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)階段美國、俄羅斯和歐洲空間局正在研究脈沖星導(dǎo)航的新技術(shù)和新方法[1-5]。本文提出的X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)是基于中國科學(xué)院西安光機(jī)所X射線脈沖星地面模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成的，圖1所示為X射線脈沖星地面模擬系統(tǒng)的整體框圖[6，7]。

圖1  X射線脈沖星地面模擬系統(tǒng)框圖

　　X射線脈沖星模擬光源相當(dāng)于一種特殊的信號發(fā)生器，模擬X射線脈沖星的物理特性，如X射線輻射能譜、能量、脈沖輪廓以及脈沖周期等，為實(shí)驗(yàn)提供模擬的X射線脈沖星。X射線只能在真空中傳輸，圖1所示的真空系統(tǒng)能為X射線光路提供10-5Pa的真空環(huán)境。脈沖星的傳播方向是四面八方的，聚焦型（SSD）探測器則相當(dāng)于凸面鏡的作用把X射線脈沖星聚集起來增強(qiáng)X射線的強(qiáng)度，然后再轉(zhuǎn)換成電子為后端電子學(xué)所用。

1 后端電子學(xué)設(shè)計(jì)及信號處理系統(tǒng)

　　經(jīng)過SSD探測器得到電子輸出后，由于輸出信號微弱并不能被數(shù)字電路所識(shí)別，所以必須經(jīng)過前置放大、增行后得到光子脈沖到達(dá)信號，再把光子脈沖到達(dá)信號送入時(shí)間測量電路得到此刻脈沖到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)刻，最后通過USB把光子到達(dá)時(shí)刻送入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使其知道采集到的是哪一顆脈沖星。圖2所示為后端電子學(xué)的整體設(shè)計(jì)流程圖。

圖2  后端電子學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

　　在SSD聚焦型探測器接收到的入射光很微弱時(shí)，探測器輸出信號為圖3(a)所示，其中一個(gè)脈沖代表一個(gè)光子事件的發(fā)生。當(dāng)入射光相對較強(qiáng)時(shí)，探測器輸出信號如圖3(b)所示，將會(huì)出現(xiàn)脈沖堆積的現(xiàn)象。

(a)光輸入微弱        (b)光輸入較強(qiáng)

圖3  探測器輸出信號

　　根據(jù)實(shí)際測得的SSD聚焦型探測器的輸出電子脈沖(圖3(a)中)下降沿約為10 ns左右，上升沿約為400 ?滋s。為了進(jìn)行后端電路的設(shè)計(jì)，采用前置放大將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號[7]。圖4所示即為經(jīng)過前置放大后的電信號輸出。

　　前置放大后的電信號由圖4可以觀察到存在較長的拖尾，需要對放大輸出信號進(jìn)行整形[8，9]。整形的主要功能為：提高光子到達(dá)的精度，整形能將輸出的單光子脈沖整形成上升時(shí)間相同的脈沖信號；提高分辨率，主放對輸出電信號進(jìn)行濾波，濾除高頻和低頻噪聲，提高信噪比；提高計(jì)數(shù)率，整形能將脈沖寬度變小，從而提高計(jì)數(shù)率。圖5所示為經(jīng)過整形后的電信號輸出，其單光子脈沖的寬度為4 ?滋s的準(zhǔn)高斯脈沖。在脈沖高度到達(dá)一定的閾值時(shí)則表示采集到一個(gè)光子事件，在脈沖高度未達(dá)到閾值高度時(shí)則表示未采集到光子事件。當(dāng)采集到一個(gè)光子事件時(shí)則輸入到后端的時(shí)間測量電路。

圖4  經(jīng)過前置放大后的電信號輸出

圖5  整形后的電信號輸出

2 時(shí)間測量電路的設(shè)計(jì)

　　時(shí)間測量電路是整個(gè)脈沖星導(dǎo)航的關(guān)鍵部分，當(dāng)接收到一次光子脈沖到達(dá)信號時(shí)，采集此時(shí)刻的光子脈沖到達(dá)時(shí)間[10，11]。光子脈沖到達(dá)時(shí)間分為粗時(shí)間和細(xì)時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司Virtex LX50T進(jìn)行設(shè)計(jì)，粗時(shí)間即為秒時(shí)間及其秒時(shí)間以上的時(shí)間信號，細(xì)時(shí)間為一秒以下的時(shí)間。細(xì)時(shí)間又是整個(gè)時(shí)間測量電路的最重要部分，圖6所示為細(xì)時(shí)間設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖6  細(xì)時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 格雷碼設(shè)計(jì)

　　該時(shí)間測量電路設(shè)計(jì)的主頻是200 MHz，即時(shí)鐘周期為5 ns。首先要利用5 ns周期計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)到1 s，在FPGA計(jì)數(shù)中往往有二進(jìn)制計(jì)數(shù)和格雷碼計(jì)數(shù)兩種，這里采用格雷碼計(jì)數(shù)。格雷碼計(jì)數(shù)每計(jì)數(shù)一次只有一位進(jìn)行變化，所產(chǎn)生的負(fù)載小，并且利用格雷碼計(jì)數(shù)會(huì)大大減小數(shù)字電路的毛刺現(xiàn)象。

　　2.2 IODELAY設(shè)計(jì)

　　在細(xì)時(shí)間設(shè)計(jì)中分為兩個(gè)時(shí)間段，第一個(gè)是5 ns～1 s的時(shí)間段，第二個(gè)是1 ns～5 ns的時(shí)間段。在FPGA設(shè)計(jì)中無法利用程序語言實(shí)現(xiàn)倍頻，通常是直接利用官方的IP核。IP核直接產(chǎn)生所需要的頻率，無法實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的功能，而且時(shí)間測量電路的時(shí)間精度為1 ns，這樣至少需要產(chǎn)生4個(gè)不同的頻率，從而增大了FPGA的面積，影響了速度。在航空導(dǎo)航中盡可能提高FPGA速率很有必要，這里采用Xilinx官方提供的IODELAY原語進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]。IODELAY原語是具有64個(gè)tap的環(huán)繞延遲單元，每個(gè)抽頭的延遲都是經(jīng)過精密校準(zhǔn)的78 ps，延遲時(shí)間較穩(wěn)定。圖7所示為IODELAY原語的RTL視圖。本設(shè)計(jì)依次設(shè)計(jì)IODELAY原語中IODELAY的類型為FIXED，反饋時(shí)鐘頻率為200 MHz，IODELAY_TYPE參數(shù)為0、13、26、38、51實(shí)現(xiàn)1 ns～5 ns的計(jì)數(shù)。

圖7  IODELAY原語RTL視圖

　　2.3 數(shù)據(jù)整合

　　從5 ns計(jì)數(shù)到1 s需要28 bit才能完成，因此細(xì)時(shí)間的第一段時(shí)間數(shù)據(jù)位數(shù)為28。利用IODELAY實(shí)現(xiàn)0～5 ns的計(jì)數(shù)，其中精度為1 ns，需要3 bit完成IODELAY的計(jì)數(shù)。最后將粗時(shí)間和細(xì)時(shí)間直接整合得到48 bit的TDC數(shù)據(jù)。得到該數(shù)據(jù)后通過USB將其48 bit有效數(shù)據(jù)送到上位機(jī)。為了方便檢測數(shù)據(jù)的完整性，在有效數(shù)據(jù)前面添加255，0的頭。圖8所示為整合后的一幀TDC數(shù)據(jù)，255，0為幀頭，后面48 bit數(shù)據(jù)為TDC的傳輸數(shù)據(jù)。

圖8  TDC的數(shù)據(jù)傳輸格式

3 USB傳輸設(shè)計(jì)

　　USB芯片是采用Cypress公司的CY7C68013A完成FPGA與上位機(jī)之間的通信。CY68013A內(nèi)部集成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051處理器，全USB吞吐量，基于RAM的架構(gòu)設(shè)計(jì)允許無限制的配置和升級，自動(dòng)處理USB協(xié)議大大減少了代碼的復(fù)雜度。該芯片具有4片F(xiàn)IFO進(jìn)行讀寫操作，只需要將TDC數(shù)據(jù)從FPGA送入到上位機(jī)，所以只需要對FIFO進(jìn)行寫操作即可。在這里選擇第二片F(xiàn)IFO進(jìn)行操作，并設(shè)置USB的傳輸模式為Slave FIFO。圖9所示為FPGA設(shè)計(jì)USB接口的狀態(tài)機(jī)，該狀態(tài)機(jī)是直接由Syplify Pro軟件直接模擬生成的。

圖9  USB接口設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)圖

　　當(dāng)檢測到EP2非滿，IDLE狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到WADDR_SET狀態(tài)設(shè)置FIFO的地址；然后直接跳轉(zhuǎn)到SLWR_LOW狀態(tài)設(shè)置USB的SLWR接口，表示開始向FIFO寫；完成SLWR設(shè)定后跳轉(zhuǎn)到DATA_WRITE狀態(tài)，此狀態(tài)是把TDC的數(shù)據(jù)放置到USB的數(shù)據(jù)總線上；完成數(shù)據(jù)放置后跳轉(zhuǎn)到SLWR_HIGH狀態(tài)，表示USB開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后跳轉(zhuǎn)到WR_HALT狀態(tài)掛起；如果不需要再進(jìn)行傳輸則跳轉(zhuǎn)會(huì)IDLE狀態(tài)，否則一直處于WR_HALT自掛起狀態(tài)。完成了USB的FPGA接口設(shè)計(jì)后，把TDC的數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，圖10所示為上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)。TDC的數(shù)據(jù)是58 bit，USB是8 bit進(jìn)行傳輸?shù)模@里將對TDC的數(shù)據(jù)進(jìn)行增加一定位數(shù)后傳輸：time_tdc[63:0]={8'd255,8'd0,tdc_time[45:30],2'd0,tdc_time[29:0]}。此時(shí)將把64 bit的time_tdc通過USB傳輸，這樣將傳輸8次。將一次傳輸64 bit的time_tdc作為一幀數(shù)據(jù)，255,0為這一幀數(shù)據(jù)的頭，后面48 bit數(shù)據(jù)為TDC的有效傳輸數(shù)據(jù)。

圖10  上位機(jī)接收到的TDC數(shù)據(jù)

圖11  單位為納秒的TDC數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)處理及脈沖輪廓還原

　　通過USB得到TDC的數(shù)據(jù)后首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以圖10的255,0,2,142,23,288,195,142為例。首先要將這一幀的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單位為ns的數(shù)據(jù)，即Data=（2*256+142）*109+23*2563+228*2562+195*256+142。這部分處理是在MATLAB軟件中進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，圖11所示為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為納秒為單位后的結(jié)果。

　　在得到圖10所示的TDC數(shù)據(jù)后就可以利用歷元疊加還原脈沖輪廓。首先將脈沖周期分成m等份，每等份為一個(gè)BIN（時(shí)間倉），BIN的大小為：?駐?子=T/m。Tp為光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)，則光子到達(dá)時(shí)間、脈沖周期及光子的相位關(guān)系可以表示為：

　　每個(gè)光子對應(yīng)的相位?子n的計(jì)算可以表示如下：

　　其中Txn表示第n個(gè)光子到達(dá)時(shí)間的細(xì)時(shí)間部分，根據(jù)式(1)、式(2)可以得到每個(gè)光子對應(yīng)的相位?子n，將脈沖周期分成m等份，每一個(gè)等份為一個(gè)BIN，同時(shí)對應(yīng)一個(gè)地址，地址范圍可以表示為0～(m-1)，則BIN的地址可以表示為：

　　所有的光子按其在單一脈沖中的相位值進(jìn)行對齊后累加，各子相位區(qū)間的單脈沖事件的直方圖就構(gòu)成了脈沖星的累積脈沖輪廓。圖12所示為歷元疊加后的波形，其中線①為從NASA下載的B0531標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，線②為TDC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，兩者的相似度達(dá)到95.38%。

5 總結(jié)

　　本文設(shè)計(jì)了X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間測量電路并得到脈沖到達(dá)時(shí)間。利用中國科學(xué)院西安光機(jī)所的X射線地面模擬系統(tǒng)對時(shí)間測量電路進(jìn)行了測試，所得到的TDC數(shù)據(jù)與NASA下載的B0531的數(shù)據(jù)還原的脈沖輪廓相似度達(dá)到95.38%。達(dá)到了X射線脈沖星導(dǎo)航的精度要求，對在真實(shí)太空中實(shí)現(xiàn)脈沖導(dǎo)航起到了一定的參考作用。

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