高能粒子探测数据通信管理模块设计与实现

摘要

地震在人类文明发展中每次发生都会带来灾难性的损失，这些损失难以估量。尤其近几年来地震频发给人民不仅带来经济上的重大损失，也给人民的生命安全带来了很大的危害，地震是地球上最严重的灾难之一。但是现在国际上地震的预测仍然没有有效的方法，因此地震的提前预测显得极其重要。本文以此为背景研究设计了高能粒子探测器，给地震预测带来了科学依据。
　　根据载荷卫星的获取的数据分析报告，得出粒子的通量变化与地震发生有一定的联系。在距离地球350km到1250km的辐射带内，探测器先后都捕获到地震前2到4小时之间，发生的能量区间内带电粒子事例急剧增加的现象。
　　高能粒子探测器是电磁监测试验卫星八个有效载荷之一，主要科学目标是实现对高能带电粒子主要是电子和质子的甄别、粒子入射方向以及粒子能量的测量。通过研究空间电磁粒子测量的结果，来探究空间高能粒子能量变化与地震造成的电磁辐射之间存在的可能的联系。
　　本文详细的分析和研究了高能粒子探测器数据通信管理模块设计与实现。首先介绍了高能粒子探测器研究的背景和意义，以及现阶段国内和国外粒子探测器研究的状况。鉴于本人在中科院高能物理研究所实习的经历，因此我对高能粒子探测器的设计与实现有了更深的理解。
　　然后阐述了高能粒子探测器的工作原理。高能粒子探测器包括主要由望远镜系统、量能器、反符合探测器、数据采集模块与数据通信管理几大模块组成。量能器接塑料闪烁体和CsI晶体，然后把采集到的粒子的能量通过ADC芯片传到数据采集系统FPGA。硅条探测器是采集高能粒子的角度，也传给数据采集模块。数据采集模块经过FPGA和单片机处理之后把数据打包通过RS422传给数据通信管理模块然后再回传到卫星平台。
　　同时分析了高能粒子探测各部分的功能，然后从HEPP-H粒子鉴别、HEPP-H角度测量和HEPP-H能量测量三个技术方面展开。
　　在硬件方面，通过查询大量资料，设计了数据通信管理模块电路原理图。原理图的功能模块主要包含5V的电源电路、RS422发送接收模块电路、单片机S80C32E接口电路、看门狗MAX706电路、CAN控制器芯片SJA1000和CAN收发器PCA80C250电路、时钟电路。
　　在软件方面，本文在keil编译环境下用C语言设计了程序。软件程序是根据ZH-1卫星CAN总线通信协议和数据约定设计。程序包括主函数模块，串口中断模块，延时程序模块和SJA1000程序模块。
　　最后是数据通信管理模块的整个系统的功能测试。包括对数据通信管理模块主电路和备份电路的电源模块的测试。以及CAN总线的波特率和指令应答时间的测试。最后对速变轮询指令、缓变轮询指令、间接指令和GPS定时广播指令输出格式的测试。根据ZH-1卫星CAN总线通信协议和数据约定的要求，经过测试符合航天产品的可靠性要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内发展现状

1．2．2 国外发展现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 本文的组织结构

第2章 高能粒子探测技术

2．1 高能粒子探测器的工作原理

2．2 HEPP-H粒子鉴别技术

2．3 HEPP-H角度测量技术

2．4 HEPP-H能量测量技术

2．5 HEPP-H探测器各部分功能划分

2．6 技术难点及解决措施

2．7 本章小结

第3章 CAN总线特点与行为规范

3．1 CAN总线简介

3．2 CAN总线的特点

3．3 CAN总线节点的的硬件结构图

3．4 CAN总线的分层结构

3．5 CAN的报文格式

3．5．1 数据帧

3．5．2 远程帧

3．5．3 出错帧

3．5．4 超载帧

3．5．5 帧间空间

3．6 CAN总线网络结构

3．7 本章小结

第4章 系统硬件设计

4．1 电源电路设计

4．2 单片机接口电路设计

4．3 看门狗电路设计

4．4 CAN控制器芯片电路设计

4．5 CAN收发器芯片电路设计

4．6 时钟电路设计

4．7 RS422模块电路设计

4．8 PCB设计

4．9 本章小结

第5章 系统应用程序开发

5．1 开发环境选择

5．2 软件的设计与实现

5．2．1 SJA1000函数模块

5．2．2 串口通信模块

5．2．3 延时函数模块

5．3 软件可靠性保证

5．4 本章小结

第6章 系统测试和分析

6．1 数据通信管理模块功能要求

6．2 数据通信管理模块电源测试

6．3 CAN总线协议的测试

6．3．1 测试环境

6．3．2 测试目的

6．3．3 测试方法

6．3．4 测试内容

6．4 遥测指令的测试

6．4．1 指令测试方法

6．4．2 指令测试内容

6．5 本章小结

结论

致谢

参考文献