基于单片机和FPGA的空间材料高温炉控制系统

随着我国空间技术的发展，越来越多的空间科学实验得以进行。太空中的超真空、微重力、强辐射等条件为科学实验提供了在地面难以实现的环境。空间材料科学实验是一种重要的空间科学实验。不论是国际上还是国内，都投入了大量的人力、物力和财力从事空间材料科学的研究。空间材料科学的研究目的是：揭示材料制备过程中的微观机理和组分、结构与性能之间的内在关联，发现新的科学现象，丰富和发展材料科学理论，指导地面的材料制备和生产工艺。而空间材料科学的研究离不开空间材料高温炉(以下简称高温炉)。我国神舟2号和神舟3号飞船上的空间材料科学实验获得了举世瞩目的研究成果，但随着科学的发展和技术的进步，以往的空问材料高温炉，特别是其控制系统，已经不能

适应我国未来空间站上空间材料科学实验的要求，必须研究新型的控制系统，以适应新的发展需要。提出的基于单片机和FPGA的空间材料高温炉控制系统，将在以下几个方面较原控制系统有较大提高：

1)控制精度从1℃提高到0.5℃;

2)热电偶信号采集数量从6个增加到18个;

3)可控制的加热器从1个增加到2个。

4)具有存储器的EDAC检错纠错功能。

1 控制系统工作原理

控制系统分为3个部分：中央控制单元、温度信号采集与调理单元、加热控制单元。高温炉有两个温区、18个热电偶和一个环境温度传感器。18个热电偶中有两个控温偶，分别对应两个温区的温度控制。控制系统的控制框图如图1所示。

温度信号采集与调理单元将高温炉中的热电偶信号进行放大和采集，中央控制单元将采集到的热电偶信号与温度设定值进行比较，使用PID控制算法计算高温炉加热器控制信号的大小，将该信号输出给加热控制单元，控制高温炉中加热器上的电流。

控制系统的软件由FPGA程序和MCU程序两部分组成。FPGA实现外部接口设备的控制，包括A/D转换器、模拟开关、加热信号控制、RS422通讯、工艺曲线存储器;MCU实现温度控制流程、PID算法、与总线通讯系统的通讯协议。

2 系统硬件构成

根据控制系统工作原理，系统硬件构成框图如图2所示。

系统硬件按功能可划分为中央控制单元、温度信号采集与调理单元和加热控制单元，下面将分模块进行介绍。

2.1 中央控制单元

中央控制单元由FPGA、单片机、EEPROM以及看门狗等元器件组成，如图3所示。

其中MCU选用在航天产品中应用广泛的成熟器件，ATMEL公司生产的80C32单片机作为微处理器。单片机通过总线方式访问和控制FPGA以及EEPROM，并且作为整个系统的控制中心。独立硬件喂狗电路保障程序不会跑飞，确保系统稳定安全工作。外部晶振为有源晶振，此晶振同时为MCU和FPGA提供时钟。

FPCA选用APA600，APA600是ACTEL公司基于Flash工艺的FPGA器件，虽然此系列的FPGA为ACTEL公司的第二代产品，但凭借其宇航级品质，此系列FPGA一直应用在我国航天领域，并发挥重大作用。中央控制单元的功能如下所述。

2.1.1 提供存储器并进行纠错

FPGA为MCU提供4k字节RAM存储器，作为80C32的外部数据存储器。由于空间站上的科学实验时间比飞船上更长，通常为1年以上，其受空间粒子的干扰概率更大。空间粒子对存储器的影响通常是将其打翻，即所谓的单粒子翻转SEU(Single-Event Upsets)，因此必须要进行错误检测和校正，即EDAC。

EDAC编码方式采用目前比较常用的汉明编码。这种编码可以进行检错和纠错，可以检测1比特和2比特错误，只能纠正1比特错误，因此适用于单组数据中出现多个错误位概率较低的情况，这恰与SEU经常会打翻星上RAM存储单元1比特信息的情况相符。

2.1.2 工艺曲线和程序存储的读写控制

由于控制程序一旦确定，就不能够再更改，而控制过程的工艺曲线(即温度控制曲线)却由于不同的材料样品，其设定温度、升降温及保温时间以及升降温速率要求不同，所以需要一个存储这些信息的空间，并且可以对这些信息进行实时修改和保存。为了满足这样的需要，中央控制单元中设计了2个EEPROM，分别为程序存储EEPROM和工艺曲线存储EE PROM。

MCU通过FPGA控制EEPROM地址总线，访问程序存储EEPROM存储空间。MCU通过FPGA间接控制工艺曲线EEPROM，根据不同材料样品的工艺要求，访问工艺曲线EEPROM中相应的工艺曲线数据。另外，当MCU接收到总线注入的修改工艺曲线指令时，也可以通过FPGA对工艺曲线进行修改。具体的逻辑控制是由FPGA直接实现的。

2.2 温度信号采集与调理单元

温度信号采集与调理单元包括弱信号采集电路、冷端温度采集电路、多路开关、有源滤波器以及高精度A/D转换电路。

由于模拟开关在开启时会产生毫伏级的信号衰减，因此，对于信号要求精度较高的控温偶