基于DSP的空间小型磁偏转质谱计电控系统的设计

基于DSP的空间小型磁偏转质谱计电控系统的设计

摘 要： 空间小型磁偏转质谱计是一种用于轨道、行星大气和土壤成分分析的仪器，设计了一种基于DSP的电控系统，作为质谱计的核心组成单元，用于离子源微弱电流信号的检测与采集、扫描高压控制、灯丝电流控制、性能监测以及CAN总线通信等。2012年11月在我国某型号新技术验证卫星上实现了搭载，经过两年多在轨实验，探测出地球卫星轨道上以及卫星放出的气体成分。应用表明，小型磁偏转质谱计电控系统体积小、重量轻，信号检测精确，控制精度高，运行稳定可靠。
关键词： 空间质谱计；磁偏转；DSP；微弱电流检测；扫描控制
0 引言
随着我国空间环境探测有效载荷的不断发展，质谱计在空间探测中的作用越来越重要。空间小型磁偏转质谱计用于月球、火星、金星等星球表面气体成分探测，以及星球土壤可挥发性气体成分分析[1]，由物理部分、电控系统、高压电源三部分组成。电控系统实现物理部分离子流检测、采集和处理，高压扫描控制、灯丝电流以及倍增器高压控制，同时进行总线通信、工作模式切换、启动测量、探测数据及状态遥测数据传输任务。
1 组成及工作原理
磁偏转质谱计具有设计简单、稳定性好、灵敏度高的特性，其对卫星飞行轨道上气体进行采集，气体进入离子源之后，灯丝发射的电子使气体分子电离，产生正电离子，经加速聚焦后引入磁分析器，不同质荷比正离子在磁场作用下偏转半径不同，在某一加速电压下只有一种离子到达离子检测器，检测器检测出不同的离子流强度，通过电控系统对离子流进行检测与采集，得出待测气体成分[2]。物理部分实现气体的电离、加速、聚焦、分离和增益，由离子源、磁分析器、离子检测器、真空室以及进气管道组成。物理部分工作原理。

电控系统由数字信号处理器、微弱电流检测与放大、模数变换、扫描电压控制、灯丝电流控制、高压电源控制、CAN总线通信、二次电源等电路以及嵌入式星载软件等部分组成，。

为了满足小型磁偏转质谱计地面测试与在轨测试的要求，电控系统实现了多种工作模式：在轨扫描模式、在轨备份扫描模式、地面高压扫描模式以及地面低压检测模式。
2 电控系统设计
2.1 微弱电流检测与放大电路
小型磁偏转质谱计质量数探测范围1～90 μ，最小可检离子流10-12 A，最小可检分压力（N2）要求5×10-8 Pa，其中最小可检分压力Pmin通过下式计算：

式中：Pmin为最小可检分压力，IN为本底噪声，S为灵敏度。
由式(1)知，最小可检分压力在灵敏度一定的情况下，取决于

本底噪声，检测电路放大能力强、噪声电流低则最小可检分压力低。
基于小型化、低功耗、高可靠的空间应用特点，建立基于I/V转换的检测模型[3]。采用运算放大器AD549构成检测与放大电路，其专门应用于静电计、质谱计、离子测量以及光电探测器领域，输入阻抗达1015 Ω，输入偏置电流和失调电流极低。在运放输入端加入限流保护电阻[4]，设计为双通道对称检测电路拓扑结构，能够检测质谱计双通道90°扇形磁分析器。微弱电流检测与放大电路原理。

采用反馈电容来稳定电路，反馈电容越大，抑制噪声能力越强，但会增大时间常数，降低测量速度。按照Rf=1/ωCf时反馈电阻热噪声最小原则，取反馈电容Cf为10 pF。输出电压Vout可表示为下式：

式中，Vout为输出电压，RS为信号源内阻，IS为信号输入电流，Rf为反馈电阻。
由式(2)看出输出电压与信号源内阻无关，放大能力主要取决于反馈电阻。采用高精度、高稳定的1 GΩ玻璃釉膜电阻器。根据10-12 A~10-8 A的检测范围，计算出输出电压Vout范围为1 mV~10 V。
2.1.1 失调及漂移误差分析
开环增益视为无穷大，输出电压Vout为：

式中，Vout为输出电压，IS为输入电流，Rf为反馈电阻，IOS为失调电流，VOS为失调电压。
输出电压误差分为两部分：一是失调电流和失调电压引起的固定误差，二是温度变化引起的漂移误差。AD549失调电流为30 fA，失调电压为0.3 mV，则失调电流和失调电压引起的固定误差为0.33 mV。AD549在+25 ℃时，漂移电压最大值VOS为10 μV/℃，在轨工作期间环境温度变化约为10 ℃，则温度漂移引起最大误差为0.1 mV。
2.1.2 噪声分析与抑制
电子测量设备必须考虑噪声抑制问题，尤其在微弱信号检测时显得更为突出。外部噪声由电源干扰、工频干扰、电场和磁场干扰等引起。设计LC电源滤波电路，保证电源电压低纹波；为保证设备小型化，工频干扰通过数字滤波器解决；电场和磁场干扰通过屏蔽和接地解决。
内部噪声主要由检测电路自身产生，根据离子流信号带宽0.1 Hz~16 Hz及AD549参数，内部噪声为0.1 mV，反馈电阻热噪声误差为0.1 mVp-p，得出输出电压总误差为0.63 mV，小于离子流放大后最小值对应输出电压1 mV的要求。
利用吸湿性小、化学稳定性好的聚四氟乙烯构成绝缘板，采用信号悬浮隔离技术使AD549信号输入与电路板隔离，降低泄漏电流对信号噪声的贡献[5]；保证元器件布局紧凑，运放及周围大面积敷铜，并与电源单点接地；采用低噪声同轴电缆，金属腔体式屏蔽将放大电路隔离，降低外界电磁干扰。信号悬浮隔离处理技术示意。

2.2 数据采集电路
小型磁偏转

质谱计离子流为2个通道，状态监测信号为4个通道，共采集8个通道模拟量信号。采用16位模数变换器AD976、模拟开关ADG528以及运放OP07电压跟随器构成的数据采集电路。
AD976具有采样速率高、低功耗的特点，内含时钟、参考电源和校准电路,输入电压范围为±10 V，转换周期最大10 μs，最大功耗100 mW。为方便处理片选控制信号CS， 结合DSP时序，采用CS控制转换及数据读出过程。AD976接口电路原理。

设计AD976读/转换信号R/C由DSP的I/O口给出，CS由地址译码电路给出,转换完成信号BUSY通过电平转换器件连接至DSP的I/O口，总线D0~D15与DSP总线连接。当AD976启动转换之后DSP对BUSY查询，如果BUSY信号变为高电平，则表明AD976转换结束，DSP可以对AD976进行读操作。
如果A/D转换过程中出现故障，即BUSY信号一直输出为“0”，则软件会发生“死等”情况，为此加入时间保护处理，即在10 ms内BUSY一直为“0”，则认为AD976转换故障，此时不再查询BUSY，软件执行下面操作，并将A/D超时故障标识置位，通过CAN总线将此状态发送至星务计算机。
2.3 扫描电压控制电路
小型磁偏转质谱计为基于离子质量与加速电压呈一定关系的电压扫描方式[6]。根据加速电压参数，在电控系统软硬件配合下，输出0 V～5 V，且具有不同扫描分段、步长、持续时间、步数的控制电压来驱动高压扫描电源，扫描参数要求。

为实现不同扫描参数变化，采用数模转换器实现扫描控制，采用16位D/A转换器AD7846，功耗l00 mW，最大建立时间6 μs，片内输出放大器可配置为单极性输出或双极性输出。将VREF+接+5 V基准电压源，VREF-接地，RIN接VOUT，则VOUT输出配置为单极性0 V～5 V输出。输出接电压跟随器，提高带负载能力。读写信号R/W与DSP的I/O口连接，片选信号CS、清零信号CLR和转换信号LDAC由地址译码产生，总线D0~D15与DSP总线连接，满足转换时序要求。AD7846接口电路原理。

灯丝电流控制电路采用与扫描电压控制相同设计，其缓慢加电和下电控制由软件实现；通过DSP的I/O口设计输出四路脉冲信号，控制高压电源、倍增器高压的导通和锁定，防止上电瞬间引起设备损坏。
2.4 DSP及接口电路
数字信号处理器DSP作为核心控制器，与外围电路接口，实现高速、高精度数据采集以及扫描控制。采用TI公司32位浮点TMS320VC33型DSP，具有强大的数据处理能力，便于实现在轨气体成分实时分析。DSP接口电路设计主要包括：时钟电路、看门狗电路、存储器电路和总线驱动电路等。
时钟电路采用12 MHz石英谐振器，锁相环（PLL）配置为5倍频，倍频后DSP主频为60 MHz，指令周期为16.67 ns；采用32 K×8 bit抗辐射加固PROM满

足程序存储需求；为提高系统可靠性，使用看门狗监控电路，当程序“跑飞”时能重启系统；为满足电路5 V和3.3 V之间转换，使用了16位电平转换器。
质谱计与星务计算机采用双通道CAN总线进行数据通信。采用CAN总线控制器SJA1000和收发器PCA82C250对DSP进行CAN总线接口扩展。SJA1000具有复用的8位数据/地址总线，与DSP接口采用数据总线模拟地址总线方式，选用Motorola模式。
2.5 软件设计
小型磁偏转质谱计软件功能是完成对模拟量信号采集和数字滤波、扫描电压控制、灯丝电流控制、高压电源控制、CAN总线通信及工作模式切换等任务。软件系统环境。

软件在轨扫描工作模式为首先系统上电，星务计算机通过CAN总线下发在轨扫描启动指令，收到启动指令后，电控系统控制高压电源和倍增器高压解锁，控制灯丝电流缓慢加电，然后按预设扫描参数进行扫描和数据采集，扫描结束后，灯丝电流缓慢下电，最后关闭倍增器高压和高压电源输出。每个扫描过程包括输出扫描控制电压、数据采集与处理、数据存储、数据传输四个子过程。
空间小型磁偏转质谱计电控系统测试结果，为进氮气后测量图谱。

3 结论
通过地面功能和性能测试、环境试验（力学、热学等）考核以及在轨运行测试，证明小型磁偏转质谱计电控系统的设计合理可行，实现了低噪声微弱信号检测和高精度扫描高压控制，微弱电流检测噪声指标≤10-12 A，扫描控制电压精度≤1 mV，功耗≤3 W，有力支持了质谱计整机系统的功能与性能实现。研制的小型磁偏转质谱计后续还将应用到我国空间站载人飞船、月球以及火星等深空探测中。