孙振亚　刘栋斌

摘要：在卫星有效载荷的焦平面组件模块中，为保证多个焦面的数据传输正确通常系統中会设计成像控制与数据传输模块，同时为保证模块的可靠性，该模块需要调试并且需要与焦面进行数据通信互传。而实际焦面传输数据需要CCD或者探测器等，考虑到这些探测器的价钱昂贵，一般需要设计焦面仿真设备暂时代替焦面来调试数据传送与控制模块。该文章讲述了地面检测设备的硬件和软件设计，并给出了最终的设计和仿真结果。该地面检测设备具有成本低、结构简单、体积小、重量轻、便携方便等特点，具有很高的应用价值。

关键词：载荷 ；数据传输；焦面仿真设备

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0208-03

Abstract： It is required to be filtered to ensure the reliability of low-level device in space mission. In this paper， a screening test circuit is designed for 12 CCDs simultaneously screening against Kodak's commercial CCD detector KLI-2113. By carefully debugging the frequency， the pulse width and the signal positional relationships， we abtain a digital image meeting the SNR requirements. On this basis， conducting aging tests against Kodak's commercial CCD. The results show that the devices meet the requirements of reliability screening method. It also has reference value for other space missions in low-grade devices selecting.

Key word： Linear CCD ；FPGA； image transmission

1 概述

电荷耦合器件能够存储由入射光在光敏单元激发出的光图像信息电荷，并且能够在适当的时钟驱动脉冲作用下，把存储的电荷定向转移和传输，最终以收集到的电荷作为信号，因其具有质量轻、体积小、功耗低、动态范围大、测量精度高、寿命长等诸多优点，被广泛应用在航天遥感观测、载荷对地观测、空间科学等领域[1] [2][3]。

在实际的遥感卫星中如果存在多个焦面探测器电路系统，那么一般为了与其他焦面以及主控制系统之间通信方便都会设置成像控制与数据传输模块电路系统。该系统加强了焦面和主控系统之间的通信，以及主控系统对焦面的控制。航天任务中，像探测器这种关键元器件的价格相当昂贵，实际试验阶段不可能将探测作为实验设备使用，但是为验证和保证成像控制与数据传输模块电路系统的功能与性能，因此设计了焦面仿真设备。

2电路设计

成像焦面仿真设备为卫星有效载荷的成像控制与数据传输模块电路系统提供模拟的焦面数据，用以调试成像控制与数据传输电路系统。

成像焦面仿真设备由FPGA、RS422信号传输芯片、LVDS数据传输芯片组成。FPGA产生的模拟焦面数据通过LVDS数据芯片传输给成像控制与数据传输板，同时通过RS422传输芯片实现通信控制。成像焦面仿真设备见图1。

每个焦面传输一路主份图像数据、通讯数据以及备份图像数据、通讯数据，共4个焦面。LVDS数据的时钟20MHz。

2.1 FPGA及内部编程设计

由于FPGA担负整个焦面仿真设备的数据发生和控制任务，因此选择了Xilinx公司XCV300-4PQ240N。该芯片具有200MHz的工作速度，316个用户IO， 98304Bits的分布式块RAM，以及非常丰富的寄存器资源，完全可以满足整个焦面仿真设备的数据发生和控制任务。本设计使用VHDL的硬件描述语言，开发环境为ISE10.1。

图2中给出的是FPGA配置电路图。可以看出是采用Master Serial模式的配置方式。

2.2 LVDS差分数据转换电路设计

LVDS差分传输使用的是SN65LVDS31。该芯片完全达到了ANSI TIE/EIA-644标准。输出典型的差分信号，信号幅值350mV，负载100Ω。输出电压的上升沿和下降沿500ps（400Mbps）。传输延时1.7ns。在信号工作频率200MHz时功耗25mW。输入电平逻辑为low-voltage TTL（LVTTL）。图3为SN65LVDS31电路原理图。

所有的输入脉冲由FPGA产生，并且上升沿和下降沿均小于1ns，脉冲重复速率50Mpps，脉冲宽度10ns±0.2ns

2.3 RS-422差分输出电路设计

RS-422协议的差分输出电路使用的是DS26LV31TM。该芯片是高速4通道差分CMOS输出，并且兼容TIA/EIA-422-B和ITU-TV.11标准。该芯片的ICC最大稳态电流值125uA ，是理想的低功耗芯片。 差分输出信号的差模电平VOD能够确保大于等于2V，使得该芯片完全可以兼容5V的RS-422协议标准。图7中给出该芯片的电路设计，电路的输入是由FPGA产生的时序信号，通过该芯片转成差分信号再通过连接器传送给成像控制与数据传输板。

2.4 RS-422差分输入电路设计

RS-422协议的差分输入电路使用的是DS26LV32ATM。该芯片是高速4通道差分CMOS输入，并且兼容TIA/EIA-422-B和ITU-TV.11标准。该芯片在3V～3.6V的低电压工作时的共模电压范围是-0.5V～+0.5V。 该芯片可以接收到±200mV电平的差分输入信号。该芯片的输出可以兼容TTL和LVCMOS电平。该芯片的功耗也很低典型值30mW。该芯片完全也可以兼容5V的RS-422协议标准。图9中给出该芯片的电路设计，电路的输入是由成像控制数据传输板的DS26LV31TM传送过来的差分信号，输出送给FPGA处理。

3电路板

电路板布局布线时应该考虑信号的速度以及干扰性等多项因素。本电路由于全都是数字电路不需要进行模拟和数字的分割。因此设计日只需要考虑电流分布以及高速信号和低速信号分布即可。电源走线线要尽量的粗，并且不要有回流线性。同时IC电源引脚就近安置旁路电容用以抑制电磁辐射干扰。

从图中可以发现LVDS芯片和RS-422芯片进行了区域分离，LVDS在左侧，RS422在上侧，这样可以防止不同速度芯片之间的串扰。

4 结论

通过对成像控制与数据传输模块的要求，设计完成了焦平面仿真设备，该设备完全可以替代4个焦平面组件完成焦平面组件的基本功能。本电路板在实际使用过程中，性能良好、可靠性高、兼容性强。本设计中焦平面仿真设备也对其他航天任务中焦平面的实验替代具有一定的参考借鉴作用。

参考文献：

[1] Boyle W S， Smith G E. Charge coupled semiconductor devices[J].The Bell System Technical Journal， 1970， 49（1） ：587-593.

[2] 佟首峰， 阮锦， 郝志航. CCD 图像传感器降噪技术的研究[J].光学 精密工程，2000，8（2）：140-145.

[3] 常丹华.一种新的CCD外围电路设计方法[J].传感器技术，2001，20（6）：32-34.

[4] 薛旭成， 李云飞， 郭永飞.CCD 成像系统中模拟前端设计[J].光学精密工程，2007，15（8）：1191-1195.

[5] 李正岱， 刘文怡.多路信号采集器的硬件电路设计[J].微计算机信息，2008 ，24（1）：220-222.

[6] 张达， 刘栋斌.三线阵CCD视频信号处理系统研究[J].光机电信息，2010，27（12）：167-171.