基于VPX架構的遙測采集平臺設計

胡 倩 陳善志 劉建妥 李金龍 張德智

(1.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076；2.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

基于VPX架構的遙測采集平臺設計

胡 倩1陳善志2劉建妥1李金龍1張德智1

(1.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076；2.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

當今世界各航天大國都在大力發展航天測控通信技術，但現有測控設備間連接關系復雜，不利于系統小型化、低功耗設計，很難滿足新型飛行器的設計需要。針對現階段測控通信系統提出的一體化、小型化，高可靠性等要求，對VPX總線架構進行研究，并應用于遙測采集平臺設計。提出了基于VPX架構的遙測采集平臺設計方案，經試驗驗證，可滿足目前測控通信系統提出的小體積、高速率以及高可靠性共存的設計需求，在航天領域具有廣闊的發展前景。

VPX 遙測 采集 結構設計

1 引 言

當今世界各航天大國都在大力發展航天測控通信技術，但現有測控設備品種繁多，設備間連接關系復雜，不利于系統小型化、低功耗設計，很難滿足新型飛行器的設計需要。因此集成化設計模式是其必然趨勢，提高航天器電子設備的集成度和性能，對提高航天器設計質量、降低研制成本、縮短研制周期具有重要意義。

VPX是基于高速串行總線的新一代總線標準，是目前國際上兼容性最好的軍用嵌入式規范。具有模塊化、通用化、擴展性、開放性、高可靠等特點，采用高速差分信號傳輸技術，并且在機械結構和導冷抗震方面具有優勢。本文介紹的遙測采集平臺將VPX的可靠性、擴展性和高性能融入到插箱設計中，所設計的遙測采集平臺在散熱性、耐用性及抗震性等方面更具優勢[1]，經試驗驗證，可滿足目前測控通信系統提出的小體積、高速率以及高可靠性共存的設計需求，在航天領域具有廣闊的發展前景。

2 VPX總線標準簡介

VPX標準制定的最初目的是為了保護VME總線的應用者，繼承和延續VME總線，但隨后標準的制定者發現少量的修補工作無法滿足需求，很多規范做了徹底的革新，并最終于2007年頒布了全新的VPX計算機系統體系結構(即ANSI/VITA46.0-2007標準，以下簡稱VPX)，VPX標準的具體內容反映于VITA46系列的技術規范。VPX的核心在于連接器Multigig RT，相對于傳統的針式連接器，這種高速差分連接器的硅晶片式結構具有連接緊密、插入損耗小和誤碼率低等優點，每個差分接觸對支持的數據帶寬可高達10GB/s，而且硅晶片都帶有ESD接地層和觸點層，防止操作期間受意外放電影響[2]。VPX總線標準還繼承了原VME標準中機械結構及導冷抗震方面的優勢，因此在軍用加固嵌入式系統中，VPX產品值得推廣。Multigig RT連接器如圖1所示。

3 遙測采集平臺設計

基于VPX標準的遙測采集平臺采用國際先進的VPX軍用處理機規范，融合了多路模擬量采集、高速串行交換、多路高速總線數據交互等一系列先進技術，是符合國際先進嵌入式處理機發展方向的新一代遙測采集平臺。

VPX遙測采集平臺的硬件組成包括：VPX機箱，遙測采集模塊以及其它功能模塊(如AD模塊、I/O模塊等)。功能模塊可根據應用需求組合、定制。遙測采集平臺如圖2所示。

VPX標準的遙測采集處理平臺通過對硬件和底層軟件的標準化設計，實現集中式管理控制體制，打破傳統飛行器電氣系統中各分系統的分散管理控制模式，使得飛行器電氣系統各個功能有效融合、充分交互、信息共享，規范系統接口，降低連接復雜度，提升電氣系統的快速可測試性。

3.1遙測采集模塊功能與組成

遙測采集模塊主要實現多路模擬量采集，多路高速總線(如rapidIO、千兆以太網)數據的接收及發送等功能。

遙測采集模塊的方案設計如圖3所示，主要是由以FPGA為核心的綜合采集處理電路、時鐘管理單元、電源管理單元等部分組成。時鐘管理單元提供模塊內微處理器和FPGA所需要的時鐘。電源管理單元提供模塊內各芯片所需要的電壓。對外接口通過VPX接插件實現背板后IO設計，同時VPX模塊的供電和板間互聯也是通過背板實現的。

綜合采集處理電路主要包括：

(1)FPGA電路，實現接口邏輯和控制邏輯功能和SRIO接口通信功能；

(2)存儲電路，配置芯片專供FPGA程序存儲，EEPROM存儲重要參數信息，SRAM存儲大量緩存數據；

(3)溫度量采集接口和ADC電路，完成溫度量采集；

(4)電壓量采集接口和ADC電路，完成電壓量采集；

(5)振動量采集接口和ADC電路，完成振動量采集；

(6)開關量采集接口和電平轉換芯片，完成開關量采集；

(7)千兆以太網網接口，實現千兆以太網網通信功能；

(8)RS485接口，實現兩路RS485通信功能。

3.2高速總線通信設計

基于VPX標準的遙測采集平臺系統通信總線包括兩種類型，分別是控制總線和數據總線，按照標準VPX的規定，控制指令通過GBE總線進行發送和接收；系統各板卡和模塊運行狀態等遙測數據通過SRIO總線進行收發。系統中遙測采集模塊實現了多路模擬量(如溫度量、振動量、開關量和電壓量)的采集，SRIO總線、千兆以太網、485總線等通信功能，實現了多總線多速率混合。

遙測采集模塊的對外關系框圖如圖4所示，描述如下：

(1)64路速、緩變量信號(含溫度量、開關量、電壓量、振動量)通過對外接口和背板后IO接入遙測采集模塊進行采集；

(2)通過半雙工RS485和通用處理器模塊交互配置信息；

(3)通過千兆以太網和千兆以太網交換板通信，有兩種功能：

a) 間接和通用處理器模塊交互配置信息；

b) 間接接收一次配電模塊、火工品控制模塊、時序指令模塊的遙測信息。

(4)通過SRIO和SRIO交換板通信，有3種功能：

a) 間接接收通用處理器模塊匯總的系統自測試信息；

b) 間接接收通用處理器模塊、圖像處理器模塊、機內交換網絡模塊、接口轉接模塊、存儲器模塊、基帶信號及信息處理模塊的遙測信息；

c) 輸出編幀后的遙測信息，最終發送給基帶信號及信息處理模塊、存儲器模塊和通用處理器模塊。

千兆以太網傳輸協議擬采用UDP/IP協議。理由是UDP/IP提供了一種高效的、低延時的稱為數據報的傳輸協議，采用UDP這種面向非連接的傳輸協議，可以有效解決數據實時傳輸的問題，而常用的嵌入式以太網解決方案是在微控制器內移植軟件TCP/IP協議，往往都不能同時兼顧傳輸效率、可集成化和可移植性。其中傳輸層采用UDP協議，網絡層為IP協議，數據鏈路層為ARP協議和MAC協議，物理層采用自適應千兆網1000BASE-T的連接通道。千兆以太網通信接口如圖5所示。

SRIO接口如圖6所示，FPGA的MGT BANK按設計要求可輸出1X/2X/4X的SRIO，其中在FPGA內部通過IP核完成CRC編解碼、8b/10b編解碼、串并變換等功能。

3.3高速背板設計

VPX機箱背板采用導冷加固型，基于高速千兆以太網，SRIO總線、485總線混合互聯，可同時兼顧數據傳輸速率、易于控制、資源共享等方面的需求。高速串行總線信號雖然不對背板結構產生直接影響，但為了保證信號完整性，需要考慮材料、走線、長度、線寬、空間、信號隔離等因素。PCB走線針對高速信號線必須保證PN對等長且差分，滿足布線規則。電源鋪層走線，以減小壓降和電流過大造成的影響。VPX標準高速背板如圖7所示[3]。

3.4起鎖機構設計

遙測采集模塊采用雙起拔裝置實現助插助拔功能。當插入VPX機箱時，雙起拔裝置提供VPX插頭與機箱背板上的VPX插座之間對插所必須的插合力；當從VPX機箱拆卸時，雙起拔裝置提供VPX插頭與機箱背板上的VPX插座之間所必須的分離力。

同時，遙測采集模塊在厚度方向上的橫向鎖緊機構依靠上下的楔形鎖緊機構來實現，提高VPX模塊的固定強度以及方便快速裝卸。

3.5結構導冷設計

VPX機箱采用新一代導冷的散熱方式。遙測采集模塊采用全封閉盒體結構，滿足各種環境對沖擊、振動、溫度等的嚴格要求；同時導冷板采用凸凹模設計，即功能印制板上凸出需要散熱的元器件，在導冷板對應位置加工相應的凹槽，貼裝散熱膠墊，保證對應元器件的貼壁處理，提高散熱效果。經大量試驗證明，遙測采集模塊能夠在-40℃～70℃正常穩定工作。VPX導冷結構如圖8所示。

4 成果及其應用

目前已完成方案設計、生產、調試、功能和性能驗證、環境試驗等，總線測試通過SRIO將組幀后輸出數據分別發送給通用處理器、存儲器模塊和基帶信號及信息處理模塊進行處理，測試結果如圖9所示。測試結果表明：接收到的數據與發送數據一致，該SRIO總線通信性能良好[4]。

驗證結果表明，基于VPX標準架構的遙測采集平臺具有以下特點：

(1)高速高密度差分連接器的采用，較傳統遙測采集平臺體積減小30%，滿足了測控通信系統小體積、高速率以及高可靠性共存的設計需求。

(2)VPX架構具有更強的功能靈活性，采用分層模塊化開放式體系結構，以標準硬件模塊、通用軟件構建和標準內外總線為基本元素，采用標準通信協議、標準接口規范將各元素有機組織起來，獲得整個系統的通用性、靈活性和可擴展性。

(3)堅固型結構設計易維護，適用于極端惡劣環境下飛行器的各種復雜應用模式，滿足惡劣環境下對振動、沖擊、濕度、鹽霧、電磁兼容等指標的嚴格要求。

5 結束語

隨著新型航天器的快速發展，對測控通信系統實現一體化和小型化，提高系統可靠性和靈活性提出了更高的要求。本文設計的基于VPX架構的遙測采集平臺，一方面驗證了采用VPX架構一體化飛行器上電氣、電子設備的可行性，做為預研技術儲備，另一方面通過驗證VPX測控通信系統的功能和性能適應性，以及在整機情況下的熱力學環境和工藝裝聯適應性，積累應用數據，及早發現實際應用中的不足，以促進我國航天測控通信技術的不斷完善，加速VPX貨架式產品在航天領域從引進到成熟應用的進程。

[1] 李靜.基于VPX結構插箱設計初探[J].科技展望,2015(15)：146.

[2] 曹彥偉，尹甲人.基于VPX標準的通用信號處理機結構設計[J]. 機械工程師, 2015(10)：195～197.

[3] 洪艷，沈利華.基于VPX高速綜合信息處理平臺設計[J].導彈與航天運載技術,2011(3)：58～61.

[4] 谷曉鵬，楊玉亮，張然.基于VPX的SRIO通信模塊設計[J].雷達與對抗,2015,6：64～68.

TelemetryAcquisitionPlatformDesignBasedonVPXStandard

HU Qian1CHEN shan-zhi2LIU jian-tuo1LI Jin-long1ZHANG de-zhi1

(China Academy of Launch Vehicle Technology Ramp;D Center，Beijing，100076，China；2.Beijing Aerospace Institute for Metrology Technology，Beijing 100076，China)

Countries around the world are developing Spacecraft TTamp;C. But the great variety of TTamp;C equipment has complex connection relationship. Against system miniaturization, low power design. It is difficult to meet the needs of the design of new aircraft. For TTamp;C system integration, miniaturization, high reliability requirements, the VPX standard is studied, and applied to the design of telemetry acquisition platform. It verifies the feasibility of using VPX standard. VPX has broad prospects for development in the Spacecraft TTamp;C.

VPX Telemetry Acquisition Structure design

2016-10-28，

2017-02-21

胡倩(1983-)，女，碩士，主要研究方向：測控通信系統總體設計。

1000-7202(2017) 04-0043-06

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.10

TP702

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