0 导言
空间电场信号是近地空间很重要的一个参量，它的崎岖改变影响到太阳活动、雷暴活动、地震活动及大气环境污染等范畴。检测电场的状况可认为航天发射活动供应空间环境的电状况数据，国外发射的许多勘探卫星和探空火箭都将电场勘探作为重要的科学勘探方针。
在传统的探空火箭有用载荷——箭载电场仪中，频道的区分往往选用模仿滤波。模仿滤波电路不只电路巨大，而且无法战胜温度漂移、电压漂移、噪声等缺点，使得运用范畴遭到限制。与模仿滤波器比较，数字滤波器精度高，灵敏性好，牢靠性强，更适合运用在功能较高
的体系。本文提出了运用于探空火箭有用载荷的空间电场信号收集体系，频道区分选用数字滤波处理，运用FPGA内部的有限脉冲响应的IP核，运用FPGA作为主操控器对空间电场信号进行数据收集，发送给后端的共用设备。
1 体系结构规划
体系结构如图1所示，包含信号处理电路、A／D采样电路、同步422发送电路、电源电路。本文首要介绍传感器后续的电路。FPGA对A／D采样进行操控，整个体系需求5 V，3．3 V，2．5 V等电平，5 V电平由外接电源供应，其他的电平通过5 V转化发生。
1．1 信号处理模块
该模块首要作用是将信号负值电压平移为正值，并将电压电平平移到后端模块能够调整到的起伏规模之内。
该模块包含两级：榜首级选用低噪声外表扩大器AD8429，对传感器传输过来的差分信号进行差分扩大，AD8429的增益设置核算公式为G=1+6K／RG，其间RG为反应电阻，对AD8429的增益设置引脚进行开路处理令G=1，相当于将差分信号变为单端信号。其间，因为传感器每个探头收集到的空间电场信号是在-3～3 V规模内，通过差分扩大后的信号为-6～6 V，不易于直接输入A／D采样电路中，因而需求通过第二级的处理。
第二级的信号处理包含增加一个+2．5 V的直流偏置和分压处理，运算扩大器选用的是国家半导体公司的双通道LM258芯片，电路简略，通过第二级输出的信号幅值在0．5～4．5 V之间，能够直接输入A／D采样电路进行采样。
1．2 A／D采样模块和422发送模块
A／D采样模块是本体系规划的要害，体系功能要求能处理0～1 MHz频带规模内的信号，依据奈奎斯特采样率，本体系挑选的ADS1610模块采样率到达10 MSPS，是一款高速、高精度的模仿数字转换器，而且ADS1610的操控信号很丰厚，便于FPGA对采样电路进行操控。ADS的电源和地依照引荐电路装备，留意去耦电容放置的方位要离电源和地的输入引脚近一些，电容值越小的离引脚越近，这样使得去耦作用更好，模仿地和数字地之间仅仅在一点用0 Ω的电阻相连。
值得留意的是，ADS需求外围电路供应4 V，1 V，2．5 V三个参阅电压，通过运算扩大器OPA2822正向输入端输入，通过若干去耦%&&&&&%后别离进入ADS1610的VREFP，VREFN，VMID三个参阅电压输入引脚。
同步发送模块选用DS26LV31AT，如图1所示，由FPGA操控使能信号，输出时钟、数据、输出使能等信号，发送给后端检测设备。
1．3 电源模块
该模块为体系各个模块供应输出安稳的电源。
FPGA供电电压分为3部分，每个bank的电压(VCCO)，参阅电压(VCCAUX)，内核电压(VCCINT)。XC3S500E芯片bank电压为3．3 V，参阅电压为2．5 V，内核电压为1．2 V。电源模块选用TI公司的TPS767D325和TPS62003两款芯片，TPS767D325将供电电压5 V转换为3．3 V和2．5 V，供应给FPGA的bank电压和参阅电压，而TPS62003则将二级电源3．3 V转换成1．2 V，供应给内核电压。
1．4 FPGA操控器模块
FPGA用来操控A／D采样和同步422发送，FPGA选用的是Xilinx公司Spartan-3E系列的XC3SS00E芯片，它大约有500 k个门，10 476个等效逻辑单元，73 Kb的分布式RAM，360 Kb的块RAM，4个数字时钟办理单元，232个I／O引脚，92个差分I／O引脚。外围电路较为简略，大局时钟从GCLK引脚进入FPGA，保证了体系的牢靠性。
XC3S500E芯片的装备芯片选用XCF04，容量为4 Mb，3．3 V的核电压，具有串行装备接口。
2 FPGA程序规划
FPGA程序选用Verilog言语编写，首要分为三部分的代码：A／D操控程序、例化FIR的IP核发生数字滤波器、同步422发送程序。FPGA内部的作业流程图如图2所示。
2．1 FPGA对AD1610采样的操控
当不运用ADS1610的时分，能够把nPD引脚置低，这样就关掉了ADS1610的电源，在规划中将nPD引脚置高。ADS1610为并行数据传输，在数据准备安排妥当之后，需求坚持时刻来保证上一组数据有用，通过树立时刻之后开端接纳下一组数据，时序图如图3所示。
引脚nSYNC能够用来同步多片．ADS1610，单片规划时为复位引脚，这儿规划不选用多片同步，将nSYNC置低时，ADS1610是异步复位的。当复位的时分，一切的数字电路清零，16位输出引脚DOUT[15：0]被悉数置为低，而数据安排妥当引脚nDRDY被置为高。在程序的规划中，nSYNC在时钟信号的下降沿拉高，则nDRDY在接下来的第二个时钟上升沿拉低。
2．2 数字滤波器的完成
凭借Matlab中的滤波器规划和剖析东西FDATool，其操作简略、灵敏，用户只需在GUI中输入规划需求的滤波器各项参数，就能够取得需求的数字滤波器。本规划中共区分为4个频段：0～100 Hz，100 Hz～10 kHz，10～100 kHz，100 kHz～1 MHz，经试验发现，频带宽度过大的带通滤波器功能不是很抱负，通带内起伏并不平整，失真较大。因而除了榜首个频段选用低通滤波器外，别的三个频段选用低通滤波器+高通滤波器的办法来完成，如频带为100 Hz～10 kHz能够用截止频率为10 kHz的低通滤波器和100 Hz的高通滤波器相加得到。将生成的FIR滤波器系数．coe文件导入4个Xilinx ISE中的IP核中，别离例化生成四个FPGA片内的数字滤波器，对X，Y，Z三个方向收集到的电场信号进行频段的区分。
2．3 同步422
将X，Y，Z每个方向的各个通道的滤波后的信号，加上包头、时刻码、通道号、校验码之后通过422芯片DS26LV31AT、发送给后端的设备。首要包含两个子模块：波特率发生模块和发送模块。
波特率发生模块：体系外接18．432 MHz晶振，用来发生同步422通讯所需求的115 200 b／s的波特率。本模块选用10 MHz时钟。波特率的核算：(1／115 200)／(1／1×107)=86个体系时钟周期，为得到50％占空比的波特率时钟，使得计数器在计数到86／2=43时将输出置高，之后在计数到86时将输出置低并从头计数，就可完成所需波特率的时钟；发送模块：选用状况机进行编写，由五个状况(IDLE，WAIT，STAR T，SHIFT，STOP)和一个进程组成。
3 体系完成
本规划体系硬件规划选用Altium Designer 6．0制作原理图和PCB图，FPGA程序规划则是在Xilinx ISE 11和Modelsim SE 6．5e平台上规划和仿真，滤波器系数则是在Matlab中的FDA tools东西箱中生成并导入ISE中的有限脉冲响应的知识产权核中。
在体系的输入端参加-3～3 V的模仿输入电压进行测验，进行FPGA片上数据收集处理试验，在每个模块的输出端增加测验焊点，便利逐渐调试。体系规划框图如图4所示，依据后端收到的试验数据比照可知，本体系规划完成了规划要求。
4 结语
本文提出的根据FPGA的空间电场信号收集体系运用于探空火箭有用载荷——箭载电场仪探头后端信号收集与处理部分，也可认为地上电场仪处理电场信号供应服务。该计划处理了电场信号收集体系规划要求，避免了模仿滤波电路易受温度、噪声等影响，硬件电路大大简化，可调适性好。通过实践证明本规划办法规划正确，减轻了规划者关于巨大模仿电路的规划担负，体系运转安稳牢靠，可移植性强，可用于多种数据收集电路的规划，有必定的参阅价值。
