電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS的納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1. 3　電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　考慮到星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度， 每幅圖像的曝光時(shí)間約為幾毫秒， 故設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA ） 對(duì)CMOS 圖像傳感器進(jìn)行時(shí)序控制， 并將輸出的圖像數(shù)據(jù)保存到SRAM 中。當(dāng)需要傳輸圖像的時(shí)候， 由FPGA 將保存在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)讀出， 通過(guò)CAN總線傳至星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

　　1） 器件選型

　　CMOS圖像傳感器按照像元電路可分為無(wú)源像素傳感器（PPS） 和有源像素傳感器（APS）。目前國(guó)際上能夠買(mǎi)到的分辨率達(dá)到106級(jí)以上的CMOS圖像傳感器并不多， 價(jià)格差異也很大， 設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)CMOS 圖像傳感器的光學(xué)要求和市場(chǎng)狀況綜合選型。為保證成像質(zhì)量， 納型衛(wèi)星上宜選用CMOS 有源像素傳感器。

　　FPGA根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)機(jī)理的不同， 可分為反熔絲型、EPROM或EEPROM型、Flash型、SRAM型等幾種。根據(jù)航天器件要求， FPGA 控制器件宜選擇反熔絲型FPGA 產(chǎn)品。選擇SRAM 時(shí)， 主要考慮圖像數(shù)據(jù)量要求以及SRAM的數(shù)據(jù)端口位數(shù)、存取時(shí)間、工作溫度、功耗等因素。

　　CAN 總線接口的主要任務(wù)是接收星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來(lái)的命令， 完成對(duì)相機(jī)的相關(guān)監(jiān)控， 將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)發(fā)送給星上數(shù)據(jù)處理模塊。本文選用的微處理器在MCS251 系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上集成了CAN 控制器， 既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感系統(tǒng)簡(jiǎn)單的監(jiān)控功能， 又可以方便地實(shí)現(xiàn)CAN 通訊功能。

　　2） FPGA 控制器設(shè)計(jì)

　　作為相機(jī)成像模塊的控制核心， FPGA 負(fù)責(zé)產(chǎn)生所有重要的控制時(shí)序， 包括產(chǎn)生CMOS 圖像傳感器的工作時(shí)序， 把讀出CMOS 圖像傳感器數(shù)據(jù)存到SRAM 中; 將存放在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)輸出。整個(gè)FPGA 的傳輸模型如圖3 所示。

　　圖3　FPGA 設(shè)計(jì)模型圖

　　FPGA 對(duì)CMOS 圖像傳感器的成像控制如狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖4 所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后， FPGA 先向CMOS 圖像傳感器發(fā)出芯片復(fù)位指令， 芯片復(fù)位完成后， 讓Reset 指針沿著像素矩陣逐行移動(dòng)， 而使Read 指針保持在初始位置（第0行） ， 進(jìn)行讀前行復(fù)位。當(dāng)Reset 指針到達(dá)某一目標(biāo)行， 其間所間隔的時(shí)間滿足積分時(shí)間時(shí)， 即開(kāi)始激活Read 指針， 并開(kāi)始移動(dòng)Read 指針， 進(jìn)行讀取。如此循環(huán)交替移動(dòng)兩個(gè)指針， 不斷進(jìn)行讀間行復(fù)位、行讀取、讀間等待， 即可保證整個(gè)像素陣列各行都符合所要求的積分時(shí)間。

　　圖4　FPGA 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　3） CAN 總線接口設(shè)計(jì)

　　CAN 總線接口的主要任務(wù)是接收星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來(lái)的命令， 監(jiān)控遙感相機(jī)模塊的工作狀態(tài)，包括遙感相機(jī)模塊的電源控制、電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、曝光時(shí)間控制等功能， 并將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)發(fā)送給星上數(shù)據(jù)處理模塊。設(shè)計(jì)上， 星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來(lái)的指令會(huì)使微控制器進(jìn)入中斷， 設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。微控制器查詢各標(biāo)志的變化， 根據(jù)星上CAN通訊協(xié)議完成相關(guān)動(dòng)作， 包括監(jiān)測(cè)遙感模塊工作溫度、工作電流， 設(shè)置曝光時(shí)間， 進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

　　2　納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)

　　2. 1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案

　　為了方便完成在設(shè)計(jì)階段的單模塊調(diào)試， 實(shí)現(xiàn)遙感系統(tǒng)地面原理與性能測(cè)試， 本文采用PC機(jī)模擬星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)， 利用CAN 卡將CMOS 相機(jī)與PC機(jī)相連， 建立了一套CMOS遙感系統(tǒng)地面測(cè)試系統(tǒng)。

　　本文采用德國(guó)Vtsch IndustrietechnikVT7034 型恒溫實(shí)驗(yàn)箱， 在60～- 5℃溫度區(qū)間內(nèi)，每下降5℃采集一組暗圖像。熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)之所以按照從高溫到低溫的順序進(jìn)行， 是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用恒溫箱不能抽真空。如果反過(guò)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 盡管不斷向恒溫箱內(nèi)充氮?dú)猓?箱內(nèi)微量空氣中的水氣仍可能凝結(jié)在相機(jī)上， 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　2. 2　特征參數(shù)的提取

　　1） 平均暗輸出

　　平均暗輸出是在沒(méi)有光照的條件下圖像傳感器輸出的平均灰度值， 可由下式進(jìn)行計(jì)算：

　　其中： I i，j是圖像傳感器在無(wú)光照條件下輸出的暗圖像灰度值矩陣， M 、N 是圖像傳感器像素陣列的行數(shù)和列數(shù)。

　　2） 暗不一致性

　　理想情況下， 在無(wú)光照的時(shí)候圖像傳感器的輸出也應(yīng)該是均勻的。但是圖像傳感器的像素間總是存在差異的， 因此暗輸出總有波動(dòng)。波動(dòng)的大小表明圖像傳感器像素性能的穩(wěn)定性， 計(jì)算方法是求出暗圖像各像素輸出灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差

　　其中各符號(hào)的含義與暗噪聲計(jì)算式（5） 相同。