Design of Tianwen-1 high-resolution camera anti-fuse FPGA software system

ZHANG Bowei; WANG Dong; HE Yunfeng; YAN Dejie; GUAN Hainan; WU Fanlu

doi:10.37188/OPE.20223002.0170

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Design of Tianwen-1 high-resolution camera anti-fuse FPGA software system

更新时间：2026-09-12

- Design of Tianwen-1 high-resolution camera anti-fuse FPGA software system
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 2, Pages: 170-177(2022)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院月球与深空探测重点实验室，北京 100101
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223002.0170
  CLC： TP394.1;TH691.9
- Received：21 September 2020，
  
  Revised：2020-11-08，
  
  Published：25 January 2022
- 稿件说明：
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张博威,王栋,何云丰等.天问一号高分辨率相机反熔丝FPGA软件系统设计[J].光学精密工程,2022,30(02):170-177.

ZHANG Bowei,WANG Dong,HE Yunfeng,et al.Design of Tianwen-1 high-resolution camera anti-fuse FPGA software system[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(02):170-177.
张博威,王栋,何云丰等.天问一号高分辨率相机反熔丝FPGA软件系统设计[J].光学精密工程,2022,30(02):170-177. DOI： 10.37188/OPE.20223002.0170.

ZHANG Bowei,WANG Dong,HE Yunfeng,et al.Design of Tianwen-1 high-resolution camera anti-fuse FPGA software system[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(02):170-177. DOI： 10.37188/OPE.20223002.0170.

摘要

天问一号执行的任务属于深空探测任务，其上高分辨率相机主控单元工作时间较长，为了提高主控FPGA的抗单粒子效应及可靠性，选用反熔丝FPGA进行软件系统设计。其中，主控FPGA管理的调焦单元、时间码守时校时等功能为安全关键项目。为提高软件的健壮性，主控FPGA根据调焦机构的光机结构，设计基于加减速曲线的二细分控制方法，在满足调焦速度的前提下，避开机构共振频率，实现步进电机驱动调焦机构平稳的运转；同时，天问一号环绕器在环火段位置时，高分相机需要执行拍摄任务，拍摄指令为延时指令，对时间有较高要求，在此基础上主控FPGA设计时间码守时校时功能，确保高分相机在任务段精确执行拍摄任务。实验结果表明：调焦机构速度爬升时间为112.2 ms；时间守时的精度为1.25 s。实现了调焦单元的平稳运行和可靠的守时系统。

Abstract

In the context of deep-space exploration， such as the Tianwen-1 mission， reliability over a long working time is an essential requirement for the main control unit of the high-resolution camera. To improve the anti-single event effect and reliability of the master FPGA， an anti-fuse FPGA is used for the software system design. Functions such as focusing unit control， time code punctuality， and time correction， managed by the master FPGA， are safety-critical items. To improve the robustness of the software， the main control FPGA design employs a two-division control method based on the acceleration and deceleration curve for the optical-mechanical structure of the focusing mechanism. A stepper motor driver is used to match the focusing speed and avoid the resonance frequency of the mechanism， for the focusing mechanism to run smoothly； at the same time， when the Tianwen-1 surround is in the ring fire section， the high-resolution camera needs to perform shooting tasks by following delayed commands， creating a requirement for highly accurate timing. Thus， the master control FPGA design must ensure time code punctuality and timing function such that the high-resolution camera accurately executes the shooting task. The experimental results show that the movement time of the focusing mechanism is 112.2 ms and the accuracy of time keeping is 1.25 s. The design satisfies the requirements of a stable operation of the focusing unit and reliable timing.

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