基于以太網通信的脈沖變換器測試系統設計*

李建軍，沈三民，龍光捷，趙俊江

（1.四川航天燎原科技有限公司，成都 610000；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

0 引言

近年來，隨著航天飛行器任務增多，遙測設備可靠和穩定運行顯得越來越重要。脈沖變換器作為航天飛行器性能評定及故障分析的重要設備，其可靠性關系到飛行器研發設計的改進。為了提高遙測設備的檢測性能，特研發了針對變換器性能測試的產品。測試臺作為遙測設備變換器的配套專用設備，模擬飛行器上的一些重要參數，配合地面遙測系統的測試，應具有抗干擾能力強、運行穩定度高的特點[1]。

本測試系統不僅為變換器提供各路信號源，還接收變換器回傳的工況信息，簡單可靠地實現對變換器的檢測和數據采集功能。W5300作為測試系統同上位機通信的核心器件，完成嵌入式計算機指令的下發和數據的上傳，不僅提高了通信的傳輸速率，還避免數據傳輸的不穩定性。信號源編碼的靈活性和以太網高速長距離通信優勢，使整個測試系統能穩定而高效運行。

1 總體設計

1.1 功能指標

脈沖變換器測試系統需要滿足以下測試指標要求：1）測試系統具有自檢功能；2）為脈沖變換器提供25 V～31 V的直流電源，配合電壓拉偏試驗；3）模擬控制系統為變換器X1提供6路脈沖寬度為1 us～5 us，幅度為8 V～12 V，頻率范圍1 kHz～4 kHz可調的平臺加表脈沖信號，同時為變換器X2提供12路脈寬3 us，幅度均為5 V，頻率范圍1 kHz～128 kHz可選的加速度表脈沖和陀螺脈沖信號；4）為脈沖變換器提供起飛清零信號、幀同步信號、移位脈沖信號，電平均為5 V，并接受脈沖變換器返回的脈沖數實測值；5）上位機具備對數據實時顯示和存儲功能。

1.2 方案設計

根據功能指標，測試系統選用嵌入式計算機，將通信模塊、控制功能模塊，供電模塊以及計算機存儲顯示設備集成于一個裝置，實現了一體化，便于功能調試和產品運輸。背板通信模塊采用具有網絡通信協議的W5300芯片，外圍電路配置簡單，易于實現同FPGA的數據通信。為了提升測試系統的通用性，基于軟件化的思想，上位機完成各路信號源編碼。根據數據收發通信協議，對W5300寄存器進行讀寫和功能配置[2]。當W5300處于接收模式時，FPGA對上位機指令進行解析，產生頻率和寬度可調的脈沖信號，通過硬件電路實現電壓轉換，得到符合設計指標的多路信號源，完成對變換器的功能檢測。測試系統不僅為變換器提供模擬信號源，同時接收變換器回傳的群信號。群信號采用PCM格式，為了保證串行通信數據的同步，FPGA將幀同步和移位脈沖信號發送至變換器，通過同步信號來準確接收變換器返回的實測數據。W5300處于發送模式時，將數據上傳到上位機，實時顯示變換器返回的工作狀況數據。嵌入式計算機作為整個系統控制中心，通過以太網傳輸指令，控制功能板與脈沖變換器的數據交互。W5300和功能板FPGA數據傳輸采用RS422總線，以太網傳輸速率為11 MB/s，RS422總線速率為100 kb/s。為了保證異步數據穩定傳輸，W5300和FPGA中間通過兩個FIFO來緩存數據，FIFO1緩存下傳的中轉命令，FIFO2緩存上傳的回讀數據[3]。圖1為脈沖變換器測試系統的總體結構框圖。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 W5300硬件電路設計

系統采用以太網協議芯片W5300來進行上位機和主控設備FPGA的通信。硬件接口電路如下頁圖2所示。將引腳OP_MODE[2：0]和 TEST_MODE[3∶0]都配置為接地，使W5300工作在內部PHY模式和全功能自動握手的運行模式[4]。BIT16EN為數據總線選擇端口，FPGA對W5300軟件復位時將其置于高電平，選擇為16位數據總線模式。外圍電路中D1、D2、D3、D4為網絡傳輸狀態指示燈，分別代表接收數據指示、連接速度指示、傳輸數據指示和網絡連接指示。將模式寄存器MR端口的最低位置0，使W5300配置為直接地址模式，可以獲得更高的數據訪問速度。在內部PHY模式下，為了數據可靠傳輸，差分對信號接收RXIP/RXIN和差分對信號發送TXOP/TXON上外接兩個50Ω終端電阻和一個0.1 uf的電容。25 MHz的無源晶振經過6倍頻建立150 MHz的時鐘信號，用于TCP/IP內核、主機接口管理和寄存器管理的運行[5]。W5300和RJ45網口中間增添了網絡隔離變壓器，除了滿足差分信號的傳輸，還可以用于信號電平的耦合，減少數據丟包現象發生，從硬件上保證通信的可靠穩定性。

2.2 平臺加表脈沖信號源設計

圖2 W5300硬件電路圖

根據功能指標要求，測試臺為脈沖變換器提供6路平臺加表脈沖信號。由于FPGA輸出電平最高為3.3 V，需要外接電壓放大電路。選用了68 MHz的晶振，通過FPGA對上位機的指令解析，產生高精度頻率可調脈沖信號。為了適配脈沖變換器信號源接口，采用變壓器和三極管進行電壓放大，電路如圖3所示。變壓器PT111109線圈匝數比為1∶1，R5為限流電阻，使三極管的功耗降低，還能在無正向偏置電壓時，保證三極管基極的電壓為零，避免受外部干擾而導通。二極管D1起到續流作用，將變壓器上的反向電勢釋放，保護三極管的集電極。3.3 V方波從FPGA輸出到端口B1，高低電平使三極管3DK104的導通或截止。平臺加表脈沖信號由變壓器BO1端輸出。

圖3 平臺加表脈沖信號源設計

2.3 加速度表脈沖和陀螺脈沖信號源設計

6路加速度表脈沖和6路速率陀螺脈沖信號指標參數都一樣，所以采用相同的接口電路。FPGA接收到上位機發送的幀數據包，對其進行解析，產生頻率和脈寬可調的信號。信號輸出端選用TI公司芯片SN54LS06，實現3.3V的電平轉換為5V電平[6]。芯片輸出端為OC門，需接上拉電阻。6路信號經22 Ω的排阻連接到SN54LS06的輸入端，根據測試要求在輸出端串接了82Ω的保護電阻，電路如下頁圖4所示。

3 系統邏輯設計

3.1 勤務信號時序設計

圖4 加速度和陀螺脈沖信號源設計

勤務信號包括幀同步信號和移位脈沖信號。FPGA在系統上電復位穩定后，開始自動循環發送脈寬25 us、周期為25 ms幀同步信號。變換器接收到幀同步信號后，在同步信號上升沿時刻，發送請求脈沖給測試系統[7]。測試系統在同步脈沖下降沿，延時200 us，產生速率為25.6 kHz的移位脈沖信號作用于變換器。上位機指令經通信模塊傳遞到FPGA內部寄存器，主控單元FPGA以串行通信方式讀取寄存器的指令，解析后產生同步信號。同步信號作為脈沖變換器返回實測數據的時序基準信號，每個移位脈沖的上升沿接收一位實測數據。一個幀同步信號周期，對應18個波道的移位脈沖信號。所以在一個幀同步周期內，測試系統接收到18個字節的實測數據。勤務信號的時序如圖5所示。

圖5 勤務信號時序設計圖

3.2 W5300軟件設計

通信模塊軟件設計包括W5300初始化、端口初始化、接收數據和發送數據過程。W5300初始化完成后，采用UDP數據報文協議打開端口socket1，開始數據傳輸。數據接收過程采取查詢的方式，FPGA作為W5300的控制端，按一定的時間讀取socket1接收數據字節長度寄存器S1_RX_RSR的值，大于0則表明W5300的RX接收存儲器里有一個或多個上位機發送過來的數據包。數據的接收必須按數據包里的字節單元進行處理，FPGA不能直接訪問內部RX存儲器，只能通過接收緩存寄存器S1_RX_FIFOR來讀取內部RX存儲器的數據。當讀取有效數據長度等于包信息中數據包長度值時，表示接收完成，即向命令寄存器S1_CMR寫入接收命令：0X0040，告知W5300關閉接收端口。

W5300數據發送過程即是回讀群信號上傳的過程。發送數據時，需先設置發送端的IP和端口號，將待發送的數據通過發送緩存寄存器S1_TX_FIFOR寫入到內部TX發送存儲器，然后將發送數據字節值寫入到發送數據字節長度寄存器S1_TX_WRSR，命令寄存器 S1_CR＜=0x0020，啟動發送命令[8]。如果S1_TX_WRSR大于最大分片字節數MTU，W5300會自動將數據裁剪為MTU單元處理，重新發送裁分的數據。在發送下一包數據前，先確認上一包數據是否發送完畢。當中斷寄存器S1_IR（TIMEOUT）等于1時，數據傳輸產生了ARP超時，發送失敗；當中斷寄存器S1_IR（SENDOK）為1時，表示發送執行完畢。W5300數據發送過程和接收過程軟件設計流程如圖6所示。

圖6 W5300軟件設計流程

4 系統測試與驗證

4.1 通信模塊測試

為了滿足測試的靈活通用性，上位機根據功能指標完成各路信號源地址、頻率、幅度以及脈沖個數的編碼[9]。W5300數據通信采用UDP協議，因此，使用UDP調試助手測試通信模塊的功能。網絡連接成功后，上位機指令由通信模塊下載到FPGA寄存器中。數據發送區，第1行數據為背板W5300與上位機通信協議數據，實現測試系統自檢功能。第2行及以后的數據為上位機發送的功能指令。在一行中，列B1、B2的數據為軟件編碼協議，B3～B6數據分別代表功能板卡號、信號源地址、頻率和脈沖數量。指令“25AC00A80711”表示幅值8 V～12 V，頻率3.4 kHz的平臺加表脈沖信號。上位機指令發送成功后，功能板接收端實測信號波形如圖7所示，實測信號頻率和幅值與設計一致，表明通信功能正常。讀取回傳數據時，通過多次測試，從數據接收單元中字節數和時間量可知，以太網通信速率達到了11 MB/s。通信模塊測試如圖8所示。

圖7 實測信號波形

4.2 測試結果驗證

測試系統通過模擬航天飛行器系統，提供脈沖信號源和時序控制信號，用于調試和檢驗脈沖信號變換器的性能。測試系統與脈沖變換器通過電纜連接，整個測試系統實物如圖9所示。

圖8 通信模塊測試

圖9 測試系統實物圖

脈沖變換器將接收的飛行器工況數據以PCM格式回傳到測試系統，PCM解碼的時序控制信號由測試系統發出，即幀同步信號和移位脈沖信號[10]。實測數據以幀數據包回傳到上位機，每幀數據由22列×50行個字節組成。從以太網通信測試可知，一次回傳的數據量為110 MB，用時為10 s。根據通信協議，接收數據包每行為一子幀，行標志碼為EB 90，幀結束碼為14 6F，幀計數位于同步碼前2個字節。從勤務信號時序設計可知，一個幀同步周期對應18個字節的實測數據。上位機軟件顯示的部分原始數據如圖10所示，每行有18個字節的工況數據，每列的幀計數連續不間斷，碼間無串擾，驗證了以太網數據傳輸穩定，測試系統能可靠穩定進行遙測數據的回讀。

圖10 接收回傳的原始數據

5 結論

本文從脈沖變換器測試任務需求出發，設計了基于以太網通信的脈沖信號變換器測試系統。以太網W5300集成網絡協議，簡化了硬件結構和研發周期。主控芯片FPGA通過對上位機指令解析，實現多路信號源的輸出和回讀數據的采集。測試可知，以太網傳輸速率可達到11 MB/s，回傳數據也未出現丟數現象，表明該系統能可靠穩定應用于遙測設備測試中。