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卫星健康:航太级集成电路如何改善遥测电路设计

  • 李佳玲台北

德州仪器的航太级产品系列,包括航太级类比与嵌入式处理器产品,可为遥测电路提供体积小、低功耗的解决方案,量测结果准确度与整体系统效能皆能确保整趟航太任务期间运作顺畅。TI提供
德州仪器的航太级产品系列,包括航太级类比与嵌入式处理器产品,可为遥测电路提供体积小、低功耗的解决方案,量测结果准确度与整体系统效能皆能确保整趟航太任务期间运作顺畅。TI提供

由於执行航太任务的卫星於发射後就无法接取,因此,取得准确的遥测数据、监控卫星子系统运作状态有助於建立基础线,来确认系统是否顺利运作,若数据波动即表示可能出现问题。

射频(RF)功率放大器与热电冷却器就是敏感元件中需要准确监控电压、温度与电流的例子。在这两个应用情境中,效能因温度与辐射效应而波动,需调整电压与电流,以确保运作效率与安全。遥测电路负责监控关键系统供电轨道与元件、蒐集效能数据(对现在和未来卫星设计皆有价值),并据以调整系统设定。

图1:遥测电路方块图 类比前端(绿)、处理(红)与输出信号(蓝)。TI

图1:遥测电路方块图 类比前端(绿)、处理(红)与输出信号(蓝)。TI

遥测电路最重要的区块(如图1所示)为传感供电轨道与温度的类比前端(AFE),这是分析数据与输出调整不同系统参数所需信号最主要的处理器。

类比前端的电压、电流与温度传感

类比前端(AFE)负责监控遥测电路三大重要数值:电压、电流与温度。为了量测与诠释这些数值,需使用类比转数码转换器(ADC)将这些数值转换为数码数据,再传输至处理器。

ADC128S102QML-SP具备准确量测电压、电流与温度必须的12位元分辨率与1 MSPS以上的采样速度(ADC128S102QML-SP已用於航太任务中长达十年时间),且耗电量低,使用3V与5V电源时分别为2.3mW至10.7mW,因此,是类比前端理想的选择。

然而,取决於类比转数码转换器所监控的三大数值,其前端仍须有其他必要元件才能确保运作顺畅。

卫星系统的电压可高达40V,且包括负电压轨。这些高电压轨可能造成类比转数码转换器传感功能损坏,因此需使用缓冲与衰减阶段逐渐调降电压,以保护类比转数码转换器。电阻分压器可先将电压降至类比转数码转换器的输入范围内。

设计师接着再以运算放大器,如LMP7704-SP,做为缓冲,确保信号的驱动强度。LMP7704-SP的增益带宽亦佳,可达2.5MHz,输入与输出皆可轨到轨;这表示在使类比转数码转换器的全刻度范围达到最大的同时,可将对准确度的影响降至最小。

将电阻分压器与LMP7704-SP搭配使用,可将40V偏压供电轨道的电压范围转译至较低尺度。例如,使用十比一的电阻分压器,40V输入电压缓冲後可对应至4V输出电压。

电流传感可判断敏感供电轨道是否出现任何故障,并向主要处理器提出警示、标记须关闭的供电轨道、预防现场可编程逻辑闸阵列(FPGA)或数据转换器损坏。蒐集而得的电流数据有助於判断系统装置消耗的电流是否高於预期,指出可能因辐射导致闩锁效应。

INA901-SP电流传感放大器的宽带宽可提供准确电流量测结果,用於建立供电轨道的基线,同时,若有突发状况(如短路)亦可快速反应。

装置或电路板的温度量测结果有助於判断元件是否正常运作。过热可以当作FPGA或电源模块因压力过大导致装置运行时间减少的重要指标。其他装置如射频功率放大器对温度波动相当敏感,需适当调整电压以因应温度变化。

为量测这些装置的温度,TMP461-SP数码输出温度传感器可提供本地或线上温度传感,监控FPGA与高速数据转换器等敏感装置的积体内部温度二极管。除了传感这些二极管,TMP461-SP亦包括可量测其电路板上位置温度的内部传感器。将装置放置於敏感元件旁边,例如射频功率放大器等,即能用TMP461-SP监控元件温度。

处理遥测数据:FPGA与MCU的比较

为处理类比前端数据、控制卫星遥测电路,有两个可用选项:使用FPGA或微控制器(MCU)。通常遥测电路使用FPGA进行通讯、处理遥测数据,且几乎不需要与系统其他部份通讯,也几乎可以独立运作。

FPGA支持更多AFE通道输入数据、快速数据转译,并根据输入数据进行复杂决策。然而,在尺寸规格与耗电量需越小越好的应用情境下,多数航太级FPGA封装与耗电量是较大的。

混合信号MCU如MSP430FR5969-SP是理想替代方案,有助於减少FPGA使用资源与遥测电路所需针脚,同时为遥测电路提供相等的功能性,如数据处理、电源排序、脉冲宽度调变输出等。MSP430FR5969-SP亦具备积体铁电随机存取存储器(FRAM),此类存储器相较於双数据速率(DDR)等传统存储器类型较能抵御辐射效应。

系统再校准

读取系统量测结果後,遥测电路可调整不同系统功能,进行系统再教准,维持系统最适运作状态。

若主要处理器认为出现故障,可关闭元件或切换其运作模式。针对需要精准控制与驱动强度的应用,外部数码转类比转换器如DAC121S101QML-SP可准确调整射频功率放大器等系统元件的偏压。

结论

德州仪器的航太级产品系列,包括航太级类比与嵌入式处理器产品,可为遥测电路提供体积小、低功耗的解决方案,量测结果准确度与整体系统效能皆能确保整趟航太任务期间运作顺畅。