基于SoC 的通用化衛(wèi)星電氣接口仿真平臺設(shè)計

王強(qiáng)，蔡先軍，劉廷玉

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海，201109）

0 引言

衛(wèi)星電氣接口仿真技術(shù)用于模擬星上電氣接口的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理過程，為衛(wèi)星各電單機(jī)的接口設(shè)計提供仿真驗(yàn)證參考，是重要的設(shè)計和測試輔助技術(shù)。傳統(tǒng)的電氣接口仿真平臺只針對單一接口類型進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)仿真與信號電平測試，通用化程度低，仿真驗(yàn)證效果與數(shù)據(jù)分析處理能力較弱。通用化的接口仿真平臺可高保真地模擬多種電氣接口、多個分系統(tǒng)之間的信息交互過程，對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、記錄，并在事后進(jìn)行有效的分析和處理，匯總形成設(shè)計參考數(shù)據(jù)庫與故障模式數(shù)據(jù)庫，分別為設(shè)計研發(fā)和故障排查提供參考依據(jù)。研究通用化的衛(wèi)星電氣接口仿真技術(shù)，對衛(wèi)星的設(shè)計和測試均具有重要意義。

星上的電氣接口通常由ASIC 芯片進(jìn)行控制，若地面接口仿真平臺采用與星上相同的ASIC 芯片設(shè)計，不僅成本高、開發(fā)難度大，且難以實(shí)現(xiàn)通用化[1]。片上系統(tǒng)（System on Chip,SoC）是一類在單芯片上集成高密集數(shù)據(jù)處理電路、模擬電路、各類輸入輸出通信接口及專用算法的片上控制微系統(tǒng)[2]，能夠滿足電氣接口的收發(fā)控制與數(shù)據(jù)處理功能。采用成熟的商用SoC 架構(gòu)設(shè)計衛(wèi)星電氣接口仿真平臺，開發(fā)周期短、研制成本低，且控制功能豐富，能夠滿足多類電氣接口的通用化仿真需求。

1 基于SoC 的硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的衛(wèi)星電氣接口仿真平臺主要針對衛(wèi)星常用的1553b 總線接口、RS-422 接口、LVDS 接口、TLK2711 接口進(jìn)行仿真驗(yàn)證。平臺由基于SoC 的硬件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)兩部分組成?；赟oC 的硬件系統(tǒng)主要完成多類電氣接口的數(shù)據(jù)收發(fā)與仿真驗(yàn)證，上位機(jī)軟件系統(tǒng)對硬件平臺進(jìn)行參數(shù)配置與管理，完成電氣接口的傳輸特性分析及總線數(shù)據(jù)的實(shí)時上注與綜合分析。

仿真平臺設(shè)計時用SoC 芯片代替ASIC 對電氣接口進(jìn)行控制，不但降低了板級系統(tǒng)復(fù)雜度，而且通過軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計[3]，在接口特性模擬時可以靈活使用軟件對硬件進(jìn)行配置，提高了仿真平臺的通用化程度；后端采用上位機(jī)軟件系統(tǒng)代替星務(wù)計算機(jī)或數(shù)傳下位機(jī)對總線數(shù)據(jù)及高速接口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提升數(shù)據(jù)處理效率的同時，能對各類電氣接口的故障模式與傳輸性能進(jìn)行深入模擬與分析。

■1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

衛(wèi)星電氣接口具有低時延、高動態(tài)的特點(diǎn)，用來模擬衛(wèi)星電氣接口的系統(tǒng)需要具備較強(qiáng)的運(yùn)算處理能力、較寬的帶寬及能實(shí)現(xiàn)大范圍的頻率變化。鑒于以上要求，系統(tǒng)硬件平臺采用“底板+Zynq 核心板+功能模塊”的結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。其中，底板負(fù)責(zé)板卡供電，同時負(fù)責(zé)Zynq 核心板與各功能模塊之間的連接；Zynq 核心板負(fù)責(zé)接口控制與信號處理；功能模塊包含1553b 總線仿真模塊、測控接口仿真模塊和高速接口仿真模塊，分別用于模擬衛(wèi)星的1553b 總線、RS-422、LVDS 和TLK2711 接口，功能模塊的收發(fā)芯片型號與星上產(chǎn)品相同，以保證地面仿真驗(yàn)證的精確度?；赟oC的衛(wèi)星電氣接口仿真平臺硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于SoC 的衛(wèi)星電氣接口仿真平臺硬件結(jié)構(gòu)

Zynq 核心板選用Zynq7000 系列的SoC，該型號SoC常用于攝像機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、路由器等商用產(chǎn)品，包含兩個ARM9 內(nèi)核（Processing System,PS 模塊）與FPGA 模塊（Programmable Logic,PL 模塊）。該型SoC 設(shè)計成熟，處理性能強(qiáng)，可編程邏輯資源豐富，接口種類多，實(shí)現(xiàn)了信號處理、邏輯控制、數(shù)據(jù)傳輸和用戶二次開發(fā)等功能的良好統(tǒng)一[5]。

SoC 平臺的PS 模塊含有嵌入式實(shí)時系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及1553b 總線監(jiān)測軟件，PL 模塊包含各個接口的邏輯控制電路，負(fù)責(zé)接口芯片的控制及數(shù)據(jù)收發(fā)，PS 模塊與PL 模塊通過AXI 總線通信。系統(tǒng)底板主要包含電源系統(tǒng)、電氣接口外圍電路及狀態(tài)監(jiān)測電路。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換模塊、保護(hù)電路、數(shù)字電源模塊等模塊組成，數(shù)字電源可實(shí)現(xiàn)0～8V 的電壓調(diào)節(jié)功能，用于模擬接口芯片的供電電壓拉偏、地勢電壓拉偏狀態(tài)；電氣接口外圍電路可以調(diào)節(jié)接口的匹配阻抗等各項(xiàng)參數(shù)，也可模擬接口的傳輸時的開路、短路等故障；狀態(tài)監(jiān)測電路負(fù)責(zé)向SoC 提供狀態(tài)模擬量，用于監(jiān)測平臺運(yùn)行狀況。功能模塊分為三類，1553b 總線仿真模塊、測控接口仿真模塊（包含RS-422 接口）和高速接口仿真模塊（包含LVDS 接口與TLK2711 接口）。

■1.2 芯片選型與仿真模式

為保證仿真平臺接口的收發(fā)特性與星上電氣接口收發(fā)特性一致，選用衛(wèi)星使用的軍品級芯片作為平臺功能接口模塊的接口芯片。其中，1553b 總線接口芯片選用DDC 公司的BU-65170（RT）和BU-61585（BC）；RS-422 接口芯片選用INTERSIL公司的HS-26C31（接收端）和HS-26C32（發(fā)送端）；LVDS 接口芯片選用INTERSIL 公司的HS9-26CLV31RH-8（接收端）和HS9-26CLV31RH-8（發(fā)送端）；TLK2711 接口芯片選用TI 公司的TLK2711HFGQMLV。

衛(wèi)星總線特性模擬方面，1553b 總線仿真模塊可模擬一個BC 及多個RT 組成的總線系統(tǒng)，并通過上位機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)時上注總線數(shù)據(jù)模型，模擬星上各分系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)。測控接口模擬方面，RS-422 接口的外圍電路可以模擬差分信號發(fā)送端、接收端的開路、短路故障狀態(tài)，同時可驗(yàn)證芯片供電拉偏和共模干擾情況下的芯片傳輸性能，通過調(diào)整外圍電路，可以對RS-422 接口的一對多、冷備份等不同的端接設(shè)計方式進(jìn)行驗(yàn)證。高速數(shù)據(jù)接口模擬方面，通過調(diào)節(jié)上位機(jī)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)配置及底板的高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊外圍電路，可以模擬不同傳輸時鐘頻率、匹配阻抗情況下LVDS 與TLK2711 接口的傳輸特性，并用示波器通過底板預(yù)留的示波器接口記錄眼圖數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)接收情況反饋至上位機(jī)，對誤碼率進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

衛(wèi)星電氣接口仿真平臺的上位機(jī)軟件設(shè)計主要分為三層：設(shè)備驅(qū)動層、數(shù)據(jù)處理層和人機(jī)交互層。設(shè)備驅(qū)動層負(fù)責(zé)上位機(jī)與SoC 平臺的數(shù)據(jù)交互；數(shù)據(jù)處理層連接設(shè)備驅(qū)動層與人機(jī)交互層，并負(fù)責(zé)對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析；人機(jī)交互層負(fù)責(zé)軟件與SoC 平臺的參數(shù)配置、SoC 平臺及各個模塊的圖形化顯示。軟件系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。

圖2 上位機(jī)軟件系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證流程如下：

（1）1553b 總線仿真驗(yàn)證流程：上位機(jī)軟件系統(tǒng)生成衛(wèi)星總線數(shù)據(jù)模型，通過1553b 板卡實(shí)時上注至SoC 的PS 模塊，經(jīng)過總線仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)后，采集至上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行事后分析與綜合呈現(xiàn)；

（2）測控接口仿真驗(yàn)證流程：上位機(jī)軟件生成RS-422接口數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)卡傳輸至SoC 平臺的PS 模塊，PS 模塊控制PL 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)仿真驗(yàn)證后，將接收芯片采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)口傳至上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析與呈現(xiàn)；

（3）高速接口仿真驗(yàn)證流程：上位機(jī)軟件將高速數(shù)據(jù)配置信息經(jīng)網(wǎng)卡傳輸至SoC 平臺的PS 模塊，由PS 模塊生成偽隨機(jī)碼，控制PL 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)仿真驗(yàn)證，再通過光纖卡將接收芯片收到的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行誤碼率統(tǒng)計。

衛(wèi)星電氣接口仿真平臺的工作原理如圖3 所示。

圖3 仿真平臺工作原理圖

3 結(jié)束語

開發(fā)通用、快捷、高精度的地面仿真設(shè)備，有助于對星上設(shè)計進(jìn)行早期驗(yàn)證，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。SoC的特點(diǎn)是將ARM 與FPGA 集成在一塊芯片中，開發(fā)周期短、成本低，同一個SoC 平臺能夠在多領(lǐng)域應(yīng)用，通用化程度高。SoC 平臺能夠滿足衛(wèi)星地面仿真設(shè)備的集成化、小型化、高性能、低功耗要求，借助成熟的SoC 平臺，可以快速構(gòu)建衛(wèi)星電氣接口設(shè)計方案的虛擬原型，對電氣接口的設(shè)計、總線數(shù)據(jù)處理進(jìn)行高保真的仿真驗(yàn)證。本文提出的基于SoC 平臺構(gòu)建衛(wèi)星電氣接口地面仿真系統(tǒng)的方法，在兼顧衛(wèi)星電氣接口特性的基礎(chǔ)上，充分利用了SoC 平臺集成度高、開發(fā)便捷的特點(diǎn)，能夠?qū)Χ喾N衛(wèi)星電氣接口進(jìn)行仿真驗(yàn)證與綜合分析。同時，本文提出的SoC 結(jié)合軍品元器件的設(shè)計思路也可應(yīng)用于衛(wèi)星綜合電子、數(shù)傳等分系統(tǒng)的地面仿真測試設(shè)備開發(fā)。