[發明專利]一種基于FPGA的延時鏈溫度漂移在軌修正裝置及方法

有效

• 申請號: 201410335760.8
• 申請日: 2014-07-15
• 公開（公告）號: CN104199481A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 秦熙;吳樹范;陳雯;陳雯雯
• 申請（專利權）人: 上海微小衛星工程中心
• 主分類號: G05D23/20
• 分類號: G05D23/20
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 孫佳胤;翟羽

技術領域

本發明涉及航空航天以及半導體技術領域，具體的說，是一種基于FPGA的延時鏈溫度漂移在軌修正裝置及方法。

背景技術

隨著近年來航空航天以及半導體技術的快速發展，越來越多的半導體集成器件在空間任務中得到了應用。在很多空間應用中都對半導體器件的高精度時間分辨能力提出了要求，如衛星高度計、空間測距儀、空間遙測、時間校準，空間量子通訊中的時間定標、空間高能粒子譜儀和等離子體譜儀的飛行時間測量系統、以及一系列高精度時間測量測量系統。通常，半導體器件可使用多個延時單元級聯，來實現對器件工作主時鐘周期的內插，以達到提高時間分辨能力的目的，這種方法即被稱為延時鏈法。使用主時鐘設計計數器模塊并結合延時鏈法，在實現高精度時間分辨能力的同時，還可提供較大的動態范圍。

空間環境中溫度變化劇烈，即使使用被動熱控方案，半導體器件的工作環境溫度仍然有數十攝氏度的變化范圍，使用主動熱控的方案時，雖然能夠將溫度變化控制在10度以內的范圍，但是需要集成相當的外圍控制電路和熱阻，會同時提高衛星的發射成本和功耗，付出的代價也較大。半導體器件的工作速度受工作環境溫度影響明顯，尤其在需求高精度時間分辨的場合，延時單元的延時時間隨溫度的變化明顯。延時時間受半導體電阻率和P-N結電容等因素影響。其中，P-N電容隨溫度變化較小，而電阻率的變化對延時鏈延時時間的溫度漂移起主要作用。延時單元延時時間的大小與半導體電阻率成正比，隨著溫度升高，半導體器件的電阻率的變化趨勢比較多變，如果不予修正，則會引入較大的測量誤差，降低結果的可信度。因此，研究延時單元的溫度漂移在軌修正方案，對各類高精度時間應用場合有著比較重要的意義。

近年來，由于在設計靈活性、處理能力以及可重復編程性等方面的優勢，現場可編程門陣列（FPGA）在空間任務中應用越來越廣泛。對于各類需求高精度時間的應用場合，基于FPGA的設計不僅可以通過配置其中的邏輯單元級聯作為延時鏈，同時還可以集成延時鏈溫度漂移修正的算法，甚至還可以根據實際需求配置級聯的延時單元的種類和長度，以實現不同的延時單元碼寬和延時鏈長度，也可以配置延時鏈的數目以合理應用資源。另外，對于應用需求的改變，對FPGA重新進行配置即可實現功能的變更，設計非常靈活。

中國專利公開號CN103092059A，公開了一種基于反熔絲FPGA的時間數字轉換器及其溫度漂移修正方法，針對在空間應用中基于FPGA設計的高精度時間數字轉換器（TDC）提出延時單元級聯的延時鏈延時時間的線性函數修正方法。該種修正方法針對從-20攝氏度到+70攝氏度的溫度范圍，對TDC的延時單元的延時時間使用線性函數擬合并修正了延時單元的溫度漂移，保證了TDC在溫度變化劇烈的環境中的時間測量精度。但是，該專利提出使用線性函數擬合延時單元的溫度漂移，只能適用于較小工作溫度范圍。在溫度變化范圍較大時，線性函數對溫度變化曲線的符合程度則會降低，線性函數法修正的準確度也會相應變差。同時，該專利描述了溫度漂移離線修正的流程，但是并沒有給出在FPGA中實時實現溫度漂移修正的方法，其在空間環境中的應用存在一定的局限性。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種基于FPGA的延時鏈溫度漂移在軌修正裝置及方法，其能夠在FPGA中實現了低功耗、低成本、設計靈活性較強、集成度高、精度高且適用溫度范圍廣的延時鏈延時時間溫度漂移在軌實時修正，可在空間應用等工作環境溫度變化劇烈的場合使用，其使用較少資源即能夠實現延時鏈延時時間溫度漂移修正功能，同時保證較高的時間分辨能力。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于FPGA的延時鏈溫度漂移在軌修正裝置，包括一溫度傳感器，用于采集工作環境的實時溫度；一延時鏈，用于讀出輸入信號相對于時鐘沿的時間信息；一D觸發器陣列與所述延時鏈相連，用于在時鐘沿到來時鎖存所述延時鏈中各延時單元的輸出狀態，并輸出溫度計碼數據；一譯碼單元與所述D觸發器陣列相連，用于將所述溫度計碼數據轉化為二進制碼數據并輸出；一查找表存儲單元，用于存儲在預設溫度點標定的所述延時鏈的積分非線性查找表數據；一溫度漂移修正控制單元分別與所述溫度傳感器、譯碼單元以及查找表存儲單元相連，用于根據所述譯碼單元的輸出數據從所述查找表存儲單元中讀取相應的積分非線性數據，結合溫度傳感器采集的實時溫度，采用三次函數關系式對所述輸出數據進行實時修正并輸出結果，實現延時鏈溫度漂移在軌實時修正。