跟着我国空间技能的开展，越来越多的空间科学试验得以进行。太空中的超真空、微重力、强辐射等条件为科学试验供给了在地上难以完结的环境。空间资料科学试验是一种重要的空间科学试验。不论是国际上仍是国内，都投入了很多的人力、物力和财力从事空间资料科学的研讨。空间资料科学的研讨意图是：提醒资料制备进程中的微观机理和组分、结构与功用之间的内涵相关，发现新的科学现象，丰厚和开展资料科学理论，辅导地上的资料制备和出产工艺。而空间资料科学的研讨离不开空间资料高温炉(以下简称高温炉)。我国神舟2号和神舟3号飞船上的空间资料科学试验获得了举世瞩意图研讨成果，但跟着科学的开展和技能的前进，以往的空问资料高温炉，特别是其操控体系，现已不能
习惯我国未来空间站上空间资料科学试验的要求，有必要研讨新式的操控体系，以习惯新的开展需求。提出的依据单片机和FPGA的空间资料高温炉操控体系，将在以下几个方面较原操控体系有较大进步：
1)操控精度从1℃进步到0.5℃;
2)热电偶信号收集数量从6个增加到18个;
3)可操控的加热器从1个增加到2个。
4)具有存储器的EDAC检错纠错功用。
1 操控体系作业原理
操控体系分为3个部分：中心操控单元、温度信号收集与调度单元、加热操控单元。高温炉有两个温区、18个热电偶和一个环境温度传感器。18个热电偶中有两个控温偶，别离对应两个温区的温度操控。操控体系的操控框图如图1所示。
温度信号收集与调度单元将高温炉中的热电偶信号进行放大和收集，中心操控单元将收集到的热电偶信号与温度设定值进行比较，运用PID操控算法核算高温炉加热器操控信号的巨细，将该信号输出给加热操控单元，操控高温炉中加热器上的电流。
操控体系的软件由FPGA程序和MCU程序两部分组成。FPGA完结外部接口设备的操控，包含A/D转化器、模仿开关、加热信号操控、RS422通讯、工艺曲线存储器;MCU完结温度操控流程、PID算法、与总线通讯体系的通讯协议。
2 体系硬件构成
依据操控体系作业原理，体系硬件构成框图如图2所示。
体系硬件按功用可划分为中心操控单元、温度信号收集与调度单元和加热操控单元，下面将分模块进行介绍。
2.1 中心操控单元
中心操控单元由FPGA、单片机、EEPROM以及看门狗等元器材组成，如图3所示。
其间MCU选用在航天产品中运用广泛的老练器材，ATMEL公司出产的80C32单片机作为微处理器。单片机经过总线方法拜访和操控FPGA以及EEPROM，而且作为整个体系的操控中心。独立硬件喂狗电路保证程序不会跑飞，保证体系安稳安全作业。外部晶振为有源晶振，此晶振一起为MCU和FPGA供给时钟。
FPCA选用APA600，APA600是ACTEL公司依据Flash工艺的FPGA器材，尽管此系列的FPGA为ACTEL公司的第二代产品，但凭仗其宇航级质量，此系列FPGA一向运用在我国航天范畴，并发挥严重作用。中心操控单元的功用如下所述。
2.1.1 供给存储器并进行纠错
FPGA为MCU供给4k字节RAM存储器，作为80C32的外部数据存储器。因为空间站上的科学试验时刻比飞船上更长，一般为1年以上，其受空间粒子的搅扰概率更大。空间粒子对存储器的影响一般是将其打翻，即所谓的单粒子翻转SEU(Single-Event Upsets)，因而有必要要进行过错检测和校对，即EDAC。
EDAC编码方法选用现在比较常用的汉明编码。这种编码可以进行检错和纠错，可以检测1比特和2比特过错，只能纠正1比特过错，因而适用于单组数据中呈现多个过错位概率较低的状况，这恰与SEU常常会打翻星上RAM存储单元1比特信息的状况相符。
2.1.2 工艺曲线和程序存储的读写操控
因为操控程序一旦确认，就不可以再更改，而操控进程的工艺曲线(即温度操控曲线)却因为不同的资料样品，其设定温度、升降温及保温时刻以及升降温速率要求不同，所以需求一个存储这些信息的空间，而且可以对这些信息进行实时修正和保存。为了满意这样的需求，中心操控单元中规划了2个EEPROM，别离为程序存储EEPROM和工艺曲线存储EE PROM。
MCU经过FPGA操控EEPROM地址总线，拜访程序存储EEPROM存储空间。MCU经过FPGA直接操控工艺曲线EEPROM，依据不同资料样品的工艺要求，拜访工艺曲线EEPROM中相应的工艺曲线数据。别的，当MCU接纳到总线注入的修正工艺曲线指令时，也可以经过FPGA对工艺曲线进行修正。详细的逻辑操控是由FPGA直接完结的。
2.2 温度信号收集与调度单元
温度信号收集与调度单元包含弱信号收集电路、冷端温度收集电路、多路开关、有源滤波器以及高精度A/D转化电路。
因为模仿开关在敞开时会发生毫伏级的信号衰减，因而，关于信号要求精度较高的控温偶，选用先经过放大器然后再进模仿开关的做法，尽可能减小模仿开关对信号的影响。而关于精度要求不是很高的备份和测温偶，则选用先进模仿开关再进放大器的做法，尽管信号的精度有所影响，但节省了处理信号的器材，减小了操控板体积，降低了操控板功耗。温度信号收集与调度单元原理框图如图4所示。
经过调度的热电偶电压信号规模在-10V到+10V之间，这样可以充分使用AD转化芯片的转化精度。FPGA经过信号BYTE、CS以及RC对AD转化芯片进行操控，一起监测AD转化芯片的状况。
2.3 加热操控单元
加热单元选用两组炉丝加热，加热操控方法为PWM，PWM操控方法加热效率高，结合PID算法易于完结高精度操控。炉丝电阻为7.2 Ω，加热电源电压为28 V。炉丝驱动器选用NMOS管，型号为2N7225。2N7225导通电阻小，仅为0.1 Ω，当电流为4 A时，其功耗仅为1.6 W。加热操控单元电路图如图5所示。
可以完结三种加热形式，别离为1号温区独自加热;2号温区独自加热;两个温区一起加热。在两个温区一起加热形式下，还可以完结温度梯度可控，例如1号温区温度为600 ℃，一起2号温区温度为700%。这样可以满意多种资料样品对温场的要求。
3 操控体系软件
操控软件由由MCU操控程序和FPGA操控程序构成。
MCU软件结构如图6所示，其主要功用如下。
通讯办理：经过RS422串行总线完结与总线的通讯;数据收集、安排与存储：收集高温炉中的温度数据，并对收集的数据进行组包、存储;数据注入、总线指令处理：对从总线发送的数据注入进行处理，主要内容包含：数据注入的解析，依照注入内容进行试验进程相关设置，包含参数设置和作业形式设置等;加热炉操控办理：依据作业形式及数据注入内容依照既定的试验流程对高温炉的温度按PID算法进行操控;时钟办理：包含体系校时处理与自守时功用;体系办理与保护：包含体系硬件初始化、初始状况的判别与履行、毛病状况检测与容错处理和体系保护。
FPGA程序结构如图7所示。FPGA操控程序具有如下功用。
时钟操控功用：完结FPGA内部的时序操控;CPU接口操控功用：完结CPU接口逻辑，包含地址译码、状况寄存器读取外部程序存储区的接口逻辑;串行接口操控功用：完结RS422异步串行接口链路层通讯，将通讯状况报告给CPU软件，发送和接纳缓存均为255字节;EEPROM操控功用：完结工艺曲线EEPROM存储器的读写操作;A/D操控功用：完结A/D收集电路中悉数模仿量通道的收集操控，并在内部进行数据缓存供CPU读取;SRAM操控功用：外部的4K字节数据RAM和4K字节EDAC校验码存储区均由FPGA内部RAM组成，可完结80C32对外部RAM空间的拜访及EDAC纠一检二校验功用，并可将1位过错和2位过错计数报告给CPU软件;炉丝操控功用：可在CPU操控下发生操控2路炉丝驱动电路的211HzPWM信号，脉宽调制规模为1～99%。
4 操控算法
操控体系运用PID操控算法，PID操控器的中心思维是针对操控目标的操控需求，树立描绘目标动态特性的数学模型，经过对PID参数的整定，完结在份额、微分、积分3个参数调整的操控战略，到达最佳体系响应和操控作用。完好的PID操控表达式如下：
5 试验成果
使用上述操控体系对用于空间站的空间资料高温加热炉进行地上试验。试验进程中温度的设定曲线为：初始温度为室温;300 min时温度上升至700℃;600 min时温度上升
至880℃;600～2000 min时处于880℃保温状况;2100 min时温度降至500℃;2300 min时温度降至300℃。
试验进程中保温时刻为1 400 min，在此时刻规模内，最高温度为880.4℃，最低温度为879.5℃，控温精度优于±0.5℃，方差为0.107 4℃。体系控温曲线如图8所示。
6 定论
MCU+FPGA构成的空间资料高温加热炉操控体系，可以很好地满意空间资料成长对温度环境的要求，具有较高的温度操控精度，一起其热电偶信号收集电路、炉丝加热电路和通讯电路可以完结多路冗余规划，具有较高的可靠性，可以满意空间科学试验的要求，因而，它为我国空间站上空间资料科学试验高温加热炉操控体系的研发铺平了路途。
