基于FPGA的衛星遙控測試系統設計與實現

吳侃侃，朱振華，2，魏曉陽，陳德相，顏俊菁

(1.上海衛星工程研究所，上海 201108；2.東南大學移動通信國家重點實驗室，江蘇南京 211189)

航天器電子系統趨向集成化、一體化設計［1］，產品間數據交互多，信息關聯性強，接口交互復雜，對產品測試設備和系統聯試設備的可用性、易用性、便攜性和可靠性提出了更高的要求。其中，衛星遙控設備負責接收遙控命令并轉發至衛星其他設備或者直接輸出驅動控制，與星上各分系統以及地面測控系統均有接口關系，是星地、星內信息交互的核心產品。在遙控設備產品測試，以及參加各類型對接試驗時［2］，均需一套功能強大且簡便易攜的集成化測試設備支撐。

地面測試設備通常分為專用測試設備和通用測試設備。專用測試設備針對特定需求獨立開發，實用性強，但通用性弱，易造成資源浪費。隨著 VXI、PXI、VPX等總線技術的發展，出現了一系列基于標準接口的通用板卡［3］，每一類通用板卡提供了數量眾多的單一接口。通過對各類型板卡的組合集成和二次開發，實現測試設備的通用化，在航天領域獲得了廣泛的應用［4-5］。但是這種基于標準接口的通用化方式，需要大量板卡配合使用，靈活性較差，閑置資源較多，成本高昂。

文獻［6］和文獻［7］在兼顧測試設備的實用性和通用性方面做了一些有益的探索。文獻［6］通過對原有專用設備進行綜合化、集成化改造，合并冗余鏈路，實現測試系統小型化和通用化。文獻［8］和文獻［9］提出柔性測試系統的概念，通過總線互聯和可重構技術實現測試設備依據測試要求進行靈活重組，以適應測試環境和任務。文獻［7］提出通用化、綜合化研制思路，滿足彈箭載安全指令接收機全周期研制過程的全覆蓋測試需求。

本文主要著眼于測試對象，即衛星遙控設備，系統性地梳理各衛星型號遙控設備的不同接口類型和測試需求，通過對遙控設備測試需求的歸一化，引導遙控測試設備的標準化。經過綜合分析設計后，將現有遙控測試功能集成于單一3U板卡中，在兼顧實用性和通用化的同時，無需進行復雜的配置和二次開發，滿足各種測試試驗使用要求。

1 系統總體設計

衛星遙控設備接收地面發出的遙控命令或者接收星上計算機發出的自主程控命令，直接驅動輸出指令脈沖，或者輸出串行遙控數據到遠置單元，由遠置單元進行遙控數據解析并驅動輸出指令脈沖。衛星常用的指令驅動電路為集電極開路門(Open Collector，OC)指令驅動和射隨指令驅動，串行遙控數據接口一般采用門控、時鐘、數據三線制同步RS422電路或OC門電路。為了提高產品可靠性，星上遙控設備通常為主備機熱冗余設計，也就是串行遙控數據會由遙控設備的主機和備機同時獨立輸出。綜上，遙控功能測試系統實現的功能主要包括：

①接收檢測OC指令和射隨指令脈沖，輸出脈沖地址識別、脈沖寬度、脈沖幅度等檢測信息；

②具備同時檢測兩路指令脈沖的能力；

③接收RS422和OC門串行遙控數據，根據要求可比較分析遙控設備主機和備機輸出的串行遙控數據一致性；

④根據接收的遙控數據解析譯碼結果，可驅動輸出OC指令和射隨指令，并檢測輸出指令的正確性。

測試系統主要設計指標如表1所示。

表1 遙控功能測試指標要求

遙控功能測試系統設計如圖1所示。OC指令和射隨指令分別經過分壓電路后由FPGA進行有效電平的地址識別，根據脈沖地址控制多路開關電路選通有效脈沖，由A/D電路進行量化采集脈沖電平幅度，同時對電平寬度進行計數。

通過RS422和OC門接口電路接收遙控數據，經主備機數據一致性比對后進行譯碼，若譯碼正確則輸出地址和控制信號到驅動電路，驅動輸出OC指令脈沖或射隨指令脈沖。輸出的執行脈沖同時經過脈沖反測電路輸入FPGA，檢測出執行脈沖的地址和脈寬。

圖1 遙控功能測試系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 標題指令脈沖分壓電路

OC指令為負脈沖控制，正端+28 V上拉電壓由測試設備提供，無指令驅動時信號為高電平，有指令時為低電平。射隨指令為+10 V正脈沖控制，無指令時信號為低電平，有指令時為高電平。OC指令和射隨指令分別通過電阻分壓到0～5 V后，輸出至多路開關電路進行選通和A/D轉換，同時指令經電平轉換芯片SN74ALVC164245隔離后輸入FPGA進行識別檢測。

2.2 多路開關電路

多路開關電路采用兩級選通方式，如圖2所示。第一級由4個32選1選通開關ADG732組成，完成共計128路指令的選通，輸出4路脈沖；第二級由1個4選1選通開關ADG704組成，最終輸出有效指令脈沖進行A/D采集。

多路開關ADG732和ADG704的選通地址由FPGA控制。輸入FPGA的指令脈沖IO口與選通地址一一映射，當FPGA檢測到指令脈沖時，通過映射表選通相應的開關地址。

圖2 多路開關電路示意圖

2.3 A/D轉換電路

測試系統對A/D器件的采集速率、精度等并無特殊要求，選用16位分辨率的AD7686即可滿足。逐次逼近型A/D的輸入阻抗一般較低，雖然AD7686易于驅動，但為避免對信號的影響，在A/D采樣前加一級射隨，如圖3所示。AD7686配置為三線式無繁忙指示模式，周期性采集數據，電壓采集范圍為0～5 V，可以滿足0.02 V的檢測精度要求。

圖3 A/D轉換電路

2.4 串行通信電路

提供RS422和OC門兩類串行遙控數據通信接口。RS422接口電路接收端采用AM26C32芯片，如圖4所示。OC門接口電路采用+5 V和5.1 kΩ上拉，如圖5所示。

2.5 指令驅動與反測電路

OC指令驅動選用LB8163雙冗余譯碼輸出驅動器，射隨驅動電路選用BH2003型4線—16線譯碼器，分別如圖6和圖7所示。LB8163具有16路輸出驅動能力，輸入電平可與TTL或CMOS電路相匹配，輸入阻抗高，輸出驅動能力強，每路輸出端最大吸收電流可達200 mA。

圖4 RS422接收電路

圖5 OC門數據接收電路

FPGA根據遙控譯碼結果控制LB8163和BH003的輸入端和控制端，驅動指令脈沖輸出。為加強設計可靠性和健壯性，FPGA輸出的控制信號經過電流驅動電路和電平轉換電路后輸入LB8163和BH2003芯片，使信號單向隔離，并有足夠的驅動能力。

指令反測電路與指令脈沖分壓電路類似，只需在驅動線上加一個反向隔離二極管，防止指令接收端電壓倒灌反測電路。

圖7 射隨指令驅動電路

3 FPGA設計

FPGA芯片選用Xilinx公司的XC4VLX100，VHDL編程語言，主頻10 MHz。

衛星遙控功能測試FPGA設計框圖如圖8所示。

圖8 遙控功能測試FPGA設計框圖

3.1 脈沖檢測

脈沖檢測模塊檢測有效的輸入脈沖，將1路或者2路有效脈沖地址多路選通開關控制模塊地址映射后控制ADG732和ADG704選通。由A/D采樣模塊完成有效脈沖電壓幅度的A/D量化。

為了適應地面上行遙控指令和衛星自主程控指令同時檢測的要求，對于輸入的128路脈沖，需要選擇其中有效的2路脈沖(a、b)，輸出有效脈沖的信號和地址。

如果單脈沖輸入，則a路有效輸出；如果兩脈沖沖突輸入，則首先a路有效輸出，檢測到第二路脈沖輸入時，b路有效輸出。模塊能夠適應單脈沖輸入和兩脈沖同時輸入，通過沖突標志表征不同的類型，如表2所示。

表2 脈沖沖突標志和意義

根據表2的沖突類型定義，圖9為輸入2路沖突脈沖后的檢測仿真，a路標記為100，b路標記為111。

圖9 脈沖沖突輸入仿真

有效脈沖地址編碼格式采用7-bit格雷碼表示，低5位為第一級多路開關選通脈沖地址，高2位為第二級多路開關選通脈沖地址。

脈沖信息綜合模塊完成有效脈沖的信息收集和組包，如表3所列。

表3 指令脈沖檢測信息

3.2 遙控數據接收解析

串行遙控數據采用三線制傳輸，門控、時鐘和數據之間的時序關系如圖10所示，發送端在時鐘上升沿置數，接收端在時鐘下降沿取數。

圖10 串行遙控數據接口時序

當星上遙控設備同一通道輸入的主、備兩路數據中有一路數據有效后，在T時間內，如果：

在收到一路數據后，如果在T時間內還沒有收到另一路遙控數據，則認為此次只輸入一路數據，如圖11(d)仿真所示。

T的取值要綜合考慮輸入數據速率、輸入數據的時間差、外部電路響應時間等因素。

如果先后有兩路數據輸入且時間差大于T，則認為兩路數據相互獨立，按輸入時間先后串行處理。

圖11 遙控數據接收處理仿真

3.3 指令譯碼和反測

對經過合法性檢查的遙控數據進行譯碼，根據譯碼結果輸出信號控制LB8163和BH2003芯片的地址端和控制端，脈沖寬度可調節。

測試設備輸出的指令脈沖直接驅動星上產品，為了確保輸出脈沖正確有效，設計了執行脈沖反測功能，主要用于檢測驅動輸出的執行脈沖，并將檢測信息上報。

執行脈沖反測模塊還具有譯碼反饋功能，即如果回檢的執行脈沖地址和譯碼后的輸出驅動地址不一致，則立即生成禁止信號。譯碼驅動模塊一旦收到禁止信號，對驅動輸出部分復位清零。通過該設計可進一步提高指令安全性。

4 系統實現與應用

本文提出的綜合集成化遙控測試系統具備遙控串行數據接收解析和指令脈沖檢測功能，基本覆蓋現有衛星遙控類產品的測試需求。測試板卡可單獨使用，也可集成到其他測試系統中綜合使用。圖12為遙控測試板卡集成到某型號測控對接設備產品中參與星地測控對接試驗，圖13為上位機的遙控測試信息顯示界面。

圖12 測試系統實物

圖13 測試軟件界面

5 結束語

通過衛星遙控設備的設計統型，梳理遙控功能相關的測試接口，包括指令檢測、遙控數據接收、指令驅動，并將測試接口集成于單一板卡，相比傳統的專用測試設備提高了通用性，相比基于標準接口板卡的通用化測試設備有更好的靈活性和資源利用率。

本文提出的遙控測試系統應用廣泛，可單獨用于遙控產品的測試試驗，也可以將其集成到其他測試設備的標準機箱中，構成更為復雜的測試系統，如衛星模擬器、衛星綜合測試系統等。遙控測試系統已經過長時間的老練考核，并多次應用于產品測試、外場測控對接試驗等，功能正常，運行穩定，測試可信度高，獲得顯著成效。