星载电场仪数据采集与传输系统设计

摘要

基于单片机控制的星载电场仪数据采集和传输系统是国家863计划-微小型星载电场仪的重要组成部分。该系统以单片机C8051F020为主控制器,控制多路高精度A/D转换芯片的采样过程,并根据采样的结果对前端的模拟信号处理电路进行可变增益放大的控制；对于采集到的数据,在加上包头和标识符后,通过CAN总线发送到综合数据管理系统上；此外,针对星载电场仪的探头在等离子体中可能形成鞘层的问题,设计了对探头提供恒定电流源的方案。
　　 论文首先介绍了项目背景及应用价值,并在参考美国宇航局和欧空局的相关项目的基础上,通过对以往的设计的研究和分析,提出了本课题的设计方案。然后,从总体上介绍了数据采集和传输系统的软、硬件设计方案,并且详细介绍了硬件电路的设计和实现,单片机的嵌入式软件的设计和调试,以及本文所采用的软、硬件系统的可靠性设计和噪声抑制方案。此外,通过CAN仿真仪验证了设计的可行性和设备的性能。最后对该设计方案在其他项目背景下的应用进行了展望。
　　 星载电场仪数据采集和传输系统的成功设计,对于星载电场仪在空间电场探测方面的应用,以及其他要求高精度和宽动态范围的项目,都有很重要的实用和参考价值。该项目已通过国家863计划专家组的验收。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 星载电场仪工作原理

1.3 研究内容

1.4 设计要点

1.4.1 恒流源偏置电路设计

1.4.2 可变增益放大电路设计

1.4.3 CAN总线特性及应用

1.5 设计指标

第二章 系统硬件设计方案

2.1 星载电场仪数据采集与传输系统硬件结构

2.2 数据采集与传输系统各模块的电路设计

2.2.1 直流通道的A/D采集模块

2.2.2 交流通道的A/D采集模块

2.2.3 可变增益放大模块

2.2.4 CAN总线传输模块

2.2.5 恒流源偏置模块

2.2.6 电源与电源监测模块

2.2.7 单片机模块

2.3 硬件的可靠性设计方案

2.3.1 ADC的输入端保护

2.3.2 数字接口的电平规范

2.4 系统的噪声抑制方案设计

2.4.1 噪声来源

2.4.2 电源分配网络的噪声

2.4.3 A/D采样模块的噪声及抑制方案

2.4.4 地平面上的噪声

第三章 系统软件设计方案

3.1 软件的功能及性能

3.2 软件总体设计

3.3 软件详细设计

3.3.1 系统初始化模块

3.3.2 定时器、看门狗模块

3.3.3 定时器中断处理模块

3.3.4 A/D数据采集模块

3.3.5 可变增益放大模块

3.3.6 CAN总线传输模块

3.3.7 恒流源控制模块

3.4 软件的可靠性设计

3.4.1 外部端口查询时的可靠性设计

3.4.2 软件看门狗

3.4.3 对输入端多次采样

3.4.4 其他的可靠性设计方案

第四章 调试与验证

4.1 系统调试方案

4.2 静态调试

4.3 动态调试及改进

4.4 软硬件调试的主要问题总结

第五章 总结和展望

参考文献

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附录1 星载电场仪的电子学系统图片