新型指令變換器測試系統(tǒng)設(shè)計

高金轉(zhuǎn)+李大全+張會新+熊繼軍

摘 要： 指令變換器是測試飛行器工作參數(shù)和各路信號的關(guān)鍵設(shè)備，故設(shè)計一種新型的測試指令變換器工作的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA為主控制芯片，設(shè)計了4個模塊，其中綜合模塊解析轉(zhuǎn)發(fā)命令與數(shù)據(jù)，與其他3個模塊配合接收和輸出測試所需信號，包括48路電壓可調(diào)的直流量模擬信號，8路時統(tǒng)信號以及PCM數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可靠性高，性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 測試系統(tǒng)； FPGA； 模擬信號； 指令變換器

中圖分類號： TN61?34； TP302 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0140?03

Design of new test system for instruction convertor

GAO Jinzhuan1，2， LI Daquan3， ZHANG Huixin1，2， XIONG Jijun1，2

（1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology of North University of China， Taiyuan 030051， China；

2. MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， Taiyuan 030051， China；

3. Beijing Institute of Astronautics System Engineering， Beijing 100076， China）

Abstract： The instruction converter is a key device to test the working parameters and each signal of the aircraft， so a new test system for the instruction converter was designed. The FPGA is taken as the main control chip of the system. Four modules in the system were designed. The synthesis module is used to analyze and transmit the instructions and data， and cooperated with other three modules to receive and export the signals needed in the test， which includes 48 DC analog signals with adjustable voltage， 8 timing signals and PCM data. The experimental results show that the system has high reliability and stable performance.

Keywords： test system； FPGA； analog signal； instruction convertor

0 引 言

為了保證航天航空項目的實用性與安全，飛行器的內(nèi)部各系統(tǒng)的工作參數(shù)和飛行器的性能以及對其故障分析都需要可靠的遙測系統(tǒng)來測試[1]。指令變換器是遙測系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，控制接收飛行器上的工作參數(shù)[2]，其工作狀態(tài)的穩(wěn)定與否和提供參數(shù)的錯與對會嚴重影響到遙測數(shù)據(jù)的可靠程度，造成飛行器性能低下。因此對指令變換器設(shè)計一個嚴謹?shù)摹⒎€(wěn)定的以檢測其高效工作的測試系統(tǒng)是非常有必要的，也是飛行器研制過程中的一個重要環(huán)節(jié)。

21世紀最有決定意義的集成電路技術(shù)是FPGA，它也是電子設(shè)計領(lǐng)域的前沿技術(shù)。FPGA具有集成度高、邏輯資源豐富、設(shè)計靈活及應用范圍廣等特點[3]，所以本系統(tǒng)的設(shè)計選取XILINX公司的FPGA作為主控芯片，完成對指令變換器各個模塊的準確測試，已成功應用于某航天項目中，并起到了關(guān)鍵性的作用。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由4個模塊組成，即綜合模塊、模擬信號模塊、時統(tǒng)信號模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，如圖1所示。

該測試系統(tǒng)利用W5300網(wǎng)口實現(xiàn)工控機和系統(tǒng)硬件之間的通信。終端模塊是接收工控機下發(fā)的命令，解析之后發(fā)給各模塊，并且將各模塊傳來的數(shù)據(jù)與信號上傳給工控機顯示；模擬信號模塊能夠產(chǎn)生48路的電壓可調(diào)的直流量模擬電壓（24路-40～40 V可調(diào)直流模擬電壓，24路0～33 V可調(diào)直流模擬電壓）；時統(tǒng)信號模塊接收8路時統(tǒng)信號，并將數(shù)據(jù)通過LED的亮滅來顯示；數(shù)據(jù)收發(fā)模塊則可以提供遙測系統(tǒng)副幀同步信號、命令字并接收指令變換器輸出的PCM數(shù)據(jù)和移位脈沖信號。

2 主要硬件電路設(shè)計

2.1 綜合模塊設(shè)計

綜合模塊在該測試系統(tǒng)中實現(xiàn)的是路由的功能，其設(shè)計的關(guān)鍵是網(wǎng)口電路部分，為保證實現(xiàn)數(shù)據(jù)與工控機實時傳輸，選取WIZnet公司的硬件W5300芯片建立通信網(wǎng)口，其內(nèi)部集成10 M/100 M以太網(wǎng)控制器，MAC和TCP/IP協(xié)議棧，使用方便，穩(wěn)定可靠，工作時根據(jù)需求對其進行配置， OP_MODE[2：0]<=‘000，BIT16EN<=‘1，即選用16 b數(shù)據(jù)總線和全功能自動握手模式[4]。W5300的差分輸出/輸入信號線與網(wǎng)線之間接入隔離變

壓器TI?6T芯片，既能提高穩(wěn)定性和抗噪

性又能保護接口電路[5]，如圖2所示。

2.2 模擬信號模塊設(shè)計

在模擬信號模塊設(shè)計中，產(chǎn)生48路模擬直流電壓，其中24路為0～33 V，24路為-40～40 V。該電路設(shè)計的關(guān)鍵部分是數(shù)/模轉(zhuǎn)換和電壓放大部分，如圖3所示，其中也給出了各部分電路的供電電路。利用功耗較低，性能較穩(wěn)定的ADUM1400作為模擬信號和數(shù)字信號的隔離芯片。數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片選用具有12 位分辨率的AD5628，滿量程輸出5 V直流模擬電壓，輸出的0～5 V電壓經(jīng)下拉偏置電路（由LM236輸出2.5 V基準電壓，然后由放大范圍為0～36 V的運放OPA4234下拉電壓）輸出-2.5～2.5 V電壓，之后經(jīng)過放大范圍為±50 V的運放OPA454芯片將其放大到-40～40 V。0～33 V的電壓是由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出的電壓經(jīng)下拉偏置電路中的運放OPA4234跟隨，增強其驅(qū)動能力，然后經(jīng)過放大電路OPA4234放大輸出。

2.3 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊設(shè)計

為提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與正確性，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用4片SOT封裝的RS 485/RS 422收發(fā)器MAX3062E芯片，該芯片具備一個驅(qū)動器和一個接收器，支持高達20 Mb/s傳送速率，連接電路設(shè)計簡單，使用方便。MAX3062E芯片體積小，功耗低，具有ESD保護和失效保護功能。其具體的管腳功能設(shè)置如圖4所示。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實現(xiàn)了兩路RS 422差分信號的接收和兩路RS 422差分信號的發(fā)送，即接收來自指令變換器的移位脈沖信號與PCM數(shù)據(jù)流和發(fā)出的命令字信號55AA/5511與副幀同步信號。其電路設(shè)計如圖5所示。由于差分的信號傳輸比單線傳輸更加穩(wěn)定，傳輸距離也更遠，抗干擾性強，在工程項目應用中更廣泛。

2.4 時統(tǒng)信號模塊設(shè)計

時統(tǒng)信號模塊設(shè)計是采用4片雙通道的光電耦合器HCPL_2631實現(xiàn)8路時統(tǒng)信號的接收，接收到的信號通過FPGA芯片解析，將其輸給LED燈，由LED燈的亮滅來顯示，連接電路如圖6所示。光電耦合器HCPL_2631的傳輸速率可達10 MB/s，可靠性較高。

3 軟件關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

3.1 通信協(xié)議設(shè)計

數(shù)據(jù)流在傳輸過程中可能會收到外界環(huán)境或者數(shù)據(jù)毛刺的影響，導致誤觸發(fā)，以至于收到無效數(shù)據(jù)，所以在制定通信協(xié)議的時候在數(shù)據(jù)包上加幀頭和幀尾。故測試系統(tǒng)在接收數(shù)據(jù)時，先識別數(shù)據(jù)包的幀頭，然后對數(shù)據(jù)進行接收上傳。因此，數(shù)據(jù)通信采用HDLC傳輸協(xié)議，其具體信息格式如表1所示。為防止數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)幀頭的標志，對幀開始與幀結(jié)束標志間所有比特序列進行連續(xù)5個“1”檢測，如發(fā)現(xiàn)5個“1”，則在其后插入一個“0”，則在幀開始標志與幀結(jié)束標志之間不會出現(xiàn)連續(xù)6個“1”的比特序列，也不可能出現(xiàn)“7E”，確保HDLC幀結(jié)構(gòu)完整性。測試系統(tǒng)接收時，有效檢測到幀開始后，執(zhí)行與發(fā)送端相反的操作，將比特序列中連續(xù)5個“1”之后的“0”去掉，恢復原始數(shù)據(jù)。

表1 HDLC傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)信息格式表

3.2 數(shù)據(jù)收發(fā)信號時序接口設(shè)計

為提高接收到的數(shù)據(jù)的可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，測試系統(tǒng)每次發(fā)出請求命令55AA/5511之后，指令變換器接收到請求命令之后向測試系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)流，而測試系統(tǒng)則會先判斷數(shù)據(jù)的幀開始標記，然后開始接收數(shù)據(jù)。一個全幀周期是25 ms，碼同步信號和移位脈沖信號的頻率為2.64 MHz，命令字一個周期內(nèi)發(fā)送59個55AA，1個5511，其具體的接收時序圖如圖7所示。

4 實驗測試結(jié)果

為測試設(shè)計系統(tǒng)的實用性和可靠性，對系統(tǒng)進行自檢。上傳的原數(shù)據(jù)在工控機上顯示如圖8（a）所示，經(jīng)軟件保留數(shù)據(jù)中的1 B的有效數(shù)據(jù)之后數(shù)據(jù)如圖8（b）所示。

分析圖8中的一組數(shù)，例如：“7E7E7E7E 77 0001 7DF2E4 1F9F9F 80”，將幀開始標志之后的數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制為“01110111 0000000000000001 0111110111110010111

00100 000111111001111110011111 10000000”將連續(xù)有效數(shù)據(jù)中的5個1之后的0剔除掉，最后補0，之后數(shù)據(jù)為“01110111 0000000000000001 011111111110101110010

000 011111100111111001111110 00000000”，即“77 0001 7FEB90 7E7E7E 00”，只保留有效數(shù)據(jù)為“7F”，下一個有效數(shù)據(jù)顯示為“80”，故數(shù)據(jù)正確且連續(xù)無錯位，無遺漏。

5 結(jié) 語

設(shè)計的基于FPGA芯片的新型指令變換器測試系統(tǒng)，能夠全面檢測指令變換器的各項功能。經(jīng)過對系統(tǒng)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)和波形的分析，該測試系統(tǒng)所產(chǎn)生的各路信號均正確、穩(wěn)定，接收到的數(shù)據(jù)連續(xù)、完整，且工作時間長，抗干擾性強，無中斷現(xiàn)象出現(xiàn)，即達到項目任務(wù)的各項性能技術(shù)指標要求。

參考文獻

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