PCM數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的接口設(shè)計(jì)

李國星 黃如昌 張長茂

PCM數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的接口設(shè)計(jì)

李國星 黃如昌 張長茂

在飛行器起落架地面載荷實(shí)驗(yàn)中，為了將PCM數(shù)據(jù)流采集至若干臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行起落架載荷實(shí)驗(yàn)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提出了一種將PCM數(shù)據(jù)流同步解調(diào)后轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包的方案，并通過以太網(wǎng)交換機(jī)，將試飛數(shù)據(jù)共享至若干臺監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)起落架載荷實(shí)驗(yàn)參數(shù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在飛行器起落架地面載荷實(shí)驗(yàn)中，一般需要在起落架上安裝大量的測試傳感器。這些傳感器信號由參數(shù)采集器采集并加以融合，以PCM數(shù)據(jù)流方式輸出。PCM數(shù)據(jù)流不能直接被計(jì)算機(jī)采集，不能被若干臺計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。為解決這一工程實(shí)驗(yàn)問題，本文提出了一種解決方案，將PCM數(shù)據(jù)流經(jīng)過同步解調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴W(wǎng)UDP數(shù)據(jù)包，從而通過交換機(jī)將測試數(shù)據(jù)共享至數(shù)臺計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖1所示。在這種工程應(yīng)用背景下，本文將詳細(xì)論述PCM轉(zhuǎn)UDP的總體設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)過程。

圖1 起落架載荷測試系統(tǒng)

總體方案設(shè)計(jì)

PCM轉(zhuǎn)UDP的總體方案如圖2所示，PCM數(shù)據(jù)流經(jīng)過信號電平匹配電路，轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路能夠采集的TTL信號。TTL信號送入FPGA解碼電路中，經(jīng)位同步、幀同步和字同步處理后，串行的PCM數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為16位并行數(shù)據(jù)字，并按照PCM格式存放在數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，以待高速微處理器取走數(shù)據(jù)。高速微處理將PCM數(shù)據(jù)取走后，以PCM子幀為單位，將PCM數(shù)據(jù)封裝成UDP數(shù)據(jù)包。UDP數(shù)據(jù)包經(jīng)過以太網(wǎng)接口電路發(fā)送至以太網(wǎng)交換機(jī)，從而完成由PCM數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)流的計(jì)算機(jī)采集與共享功能。

圖2 PCM轉(zhuǎn)UDP總體方案

方案實(shí)施

信號電平匹配電路

參數(shù)采集器輸出的PCM數(shù)據(jù)流一般以RS422總線電氣特性進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即差動(dòng)時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)信號。經(jīng)過信號匹配電路，將這種差動(dòng)PCM信號轉(zhuǎn)換為單端的TTL信號，從而可以將PCM信號采集至數(shù)字電路中，信號匹配電路的原理如圖3所示。信號匹配電路主要采用SIPEX公司的RS422驅(qū)動(dòng)芯片SP3481EN實(shí)現(xiàn)信號特性的轉(zhuǎn)換功能。

圖3 信號匹配電路原理圖

PCM解調(diào)電路設(shè)計(jì)

PCM數(shù)據(jù)流的解調(diào)實(shí)質(zhì)上是按照特定的特定格式的將串行比特?cái)?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)參數(shù)。這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過位同步、幀同步和字同步后，才能正確地將數(shù)據(jù)參數(shù)從PCM數(shù)據(jù)流中解調(diào)出來。下面分別就位同步、幀同步和字同步的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行論述。

（1）位同步實(shí)現(xiàn)

參數(shù)采集器輸出的PCM信號中包含位時(shí)鐘信號。該位時(shí)鐘信號可以和系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行同步，從而得到PCM解調(diào)的位時(shí)鐘信號。因此，本文對位同步不做進(jìn)一步的論述。

（2）幀同步實(shí)現(xiàn)

本文采用比較法實(shí)現(xiàn)幀同步，即分別通過搜捕/校核輸入碼流中的幀同步碼“FE6B2840”來實(shí)現(xiàn)幀同步。這部分由可編程邏輯芯片CPLD的邏輯電路來完成，電路原理如圖4所示。將PCM碼流經(jīng)過74164四級8位移位寄存器串并轉(zhuǎn)換為4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，此32位數(shù)據(jù)與4個(gè)8位數(shù)字比較器74688預(yù)設(shè)的“FE6B2840”對比，若相等，則輸出PCM幀同步信號；若不相等，則不輸出。

圖4 幀同步原理圖

（3）字同步和串并轉(zhuǎn)換

幀同步實(shí)現(xiàn)后，要產(chǎn)生字同步信號。在字同步信號的指引下，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)據(jù)字存入緩存電路中。PCM字同步信號是PCM解碼的最終目的。該部分功能在CPLD內(nèi)采用VHDL語言程序?qū)崿F(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的程序模型如圖5所示。

圖5 PCM碼串并轉(zhuǎn)換電路

UDP接口電路設(shè)計(jì)

前端PCM解碼電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將PCM串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并按字和幀格式將數(shù)據(jù)儲存在緩沖區(qū)中。后端高速微處理器將從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，并打包處理發(fā)送至以太網(wǎng)控制芯片W5100，實(shí)現(xiàn)PCM到UDP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終UDP數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)交換機(jī)的作用下至監(jiān)控計(jì)算機(jī)中。高速微處理器實(shí)現(xiàn)對PCM解碼電路的控制和數(shù)據(jù)交換功能，并實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)控制器的控制功能。本文采用C8051F040微處理器來完成此功能，C8051F系列單片機(jī)采用流水線內(nèi)部構(gòu)造，保證了足夠的運(yùn)算速度。而W5100以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)含以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧，不僅簡化了硬件電路，還降低了以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)難度。

圖6 UDP硬件電路原理圖

高速微處理器程序設(shè)計(jì)

高速微處理器主程序流程如圖7所示，程序首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，同時(shí)采用掃描法接受上位機(jī)發(fā)送的控制信號，以便啟動(dòng)數(shù)據(jù)交換，每采集到一個(gè)完整的子幀數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)寫入W5100芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)。W5100芯片實(shí)現(xiàn)對PCM數(shù)據(jù)的封包任務(wù)，從而完成PCM數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換。

圖7 主程序流程

小結(jié)

針對飛行器起落架載荷地面實(shí)驗(yàn)的PCM數(shù)據(jù)流的采集、共享問題，本文設(shè)計(jì)了PCM數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換的方案，并詳細(xì)論述了PCM數(shù)據(jù)流的解調(diào)方法和實(shí)現(xiàn)過程，并設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)的接口電路，實(shí)現(xiàn)了將PCM數(shù)據(jù)流到UDP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該接口電路功能正常，運(yùn)行可靠，可以滿足工程需要。

李國星 黃如昌 張長茂

中國飛行試驗(yàn)研究院

李國星（1981-）男，中國飛行試驗(yàn)研究院，工程師，機(jī)載測試專業(yè)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.025