基于CPCI總線的衛星和地面設備交互方法

王紅光，穆 強，劉 博

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

本文介紹了一種在衛星地面測試階段通過標準CPCI機箱配置數據傳輸模塊實現衛星數據傳輸的應用方法，將1553B總線接口介入星載數據網絡，直接獲取衛星多系統的下行數據，實時性顯示數據，彌補了遠距離測控通信信道余量和容量的不足，對于數據變化快的數據能夠實時采集和傳送，提高了數據獲取的速率。同時，將RS-422接口與星載設備直連模式，完成上行數據注入及指令發送和數據下行，保證了數據信息的快捷傳送，保證高可靠的數據通信和安全性要求，可以縮短測試過程中應急響應時間。

該種數據傳輸方式保證了遙控及遙測信道的信息快速、可靠傳送，減少延時傳送帶來的漏判等情況，對于多個分系統或者子系統協同測試的情況下，發現問題后能夠迅速定位，作為排查問題的方式，對于有效載荷等數據量大的終端數據下行，為其提供了上、下行信道及其它系統間信息交換的快速通道，遙測更新速率快，在地面電性能綜合測試時作為判讀手段，提高了測試效率。

1 系統設計

本系統采用上、下位機的網絡結構，上位機采用通用計算機，配置雙網卡接收下位機數據，同時作為數據處理和分析計算機，下位機由CPCI工控計算機及數據傳輸模塊組成。上位機運行主控監視、顯示軟件，下位機遠程運行工控系統軟件及數據傳輸模塊嵌入式軟件，如圖1所示。

圖1 數據傳輸應用系統關系圖

在本系統中，所有采集的原始數據由工控機按照協議格式存儲。數據傳輸模塊作為CPCI從設備將采集的衛星數據傳送至CPCI主設備，進行組幀、打包并通過以太網發送至上位機，由上位機按照網絡協議發送至遠程終端用戶進行顯示、數據分析、處理以及故障診斷，同時可完成打印和存檔操作等，或者根據用戶需求遠程設置1553B總線接口工作模式，完成總線接口控制、監聽、仿真，實現數據定制傳輸和狀態控制。

數據傳輸模塊裝載在下位工控機中，通過以太網由上位機遠程控制實現在線測試，控制完成1553B接口的BCMTRT多種功能轉換，進行不同功能模擬的動態設置，充分利用并節省硬件資源，完成1553B總線在線控制、監聽和仿真功能，該3種功能的轉換通過上位機根據需求而進行工作模式的切換設置。

-總線控制器(BC)，由上位機控制啟動與被測RT端串行總線通訊，檢驗RT總線通訊數據的正確性。

-遠置終端(RT)，模擬一個或多個連接在總線終端上的數據特性，可以靈活的進行遠程終端的模擬，模擬31個遠置終端，按照1553B總線遠置終端的特性進行數據設置，上位機可以對仿真的RT終端的任何數據進行修改，并可根據總線通訊協議對仿真的RT地址、子地址和接收/發送信息有選擇的顯示。

-總線監視器(MT)，監聽所有或部分總線終端通訊信息流，由上位機控制監聽終端的操作，并傳輸及顯示其監聽到的數據。

同時具有多種數據采集傳輸功能，完成外部1553B總線接口和多路RS-422接口數據傳輸，并通過以太網將獲取的1553B總線原始數據及下位機工作狀態信息發送至上位機。2種接口均為通用接口標準規范，采用1553B雙余度結構多路傳輸數據總線，設計為變壓器耦合接口方式，接口電路與被測件隔離，保證電氣接口的安全性，RS-422總線是一種平衡通信接口，差分傳輸方式可實現數據遠距離傳輸，采用雙線傳輸提高了抗共模干擾的能力。

按照衛星系統應用的需求，可靠性和安全性是重點考慮的因素，在本系統中，工控機采用低電壓隔離供電方式，將220 V交流電壓轉換為直流24 V電壓再供給工控機，實現電源供電隔離，保證被測設備安全性。

2 數據傳輸模塊硬件實現

數據傳輸模塊是基于CPCI接口的標準板卡，數據傳輸模塊板卡插裝在4U或者6U的CPCI工控機箱中，板卡尺寸為233.35 mm×166 mm，主要實時接收外部1553B串行數據總線數據和RS-422串行總線數據并進行傳輸，硬件模塊主要由中央控制器、CPCI總線控制器、FPGA、1553B總線控制器、RS-422總線控制器、雙口RAM等組成。中央控制器完成外部數據流的接收與處理，雙口RAM用于暫存數據，實現原始數據與狀態設置等數據交換，各專用接口芯片配置應用寄存器和數據緩存區等，由軟件設置狀態信息，FPGA芯片實現邏輯控制及時序匹配。數據傳輸模塊硬件結構如圖2。

圖2 數據傳輸模塊硬件結構框圖

2.1 中央控制器設計

為了適應數據傳輸速率的需要中央控制器選用W77E58控制器芯片，系統時鐘12 MHz，片內程序區為32 K字節，該芯片運行速度為傳統8051系列的1.5～3倍。中央控制器接外部中斷源，以接收外部中斷方式控制數據接收。外部配置8 K字節RAM區和8 K字節PROM區。所有控制管腳接FPGA芯片管腳上，根據使用需要，在FPGA內部通過編程對各個功能管腳進行靈活處理和使用。

2.2 CPCI總線控制器設計

數據傳輸模塊與上位機的數據交互通過標準化的CPCI總線來實現，CPCI接口可采用可編程邏輯器件或者專用CPCI總線接口芯片完成，考慮開發的復雜性和系統的穩定性，采用低成本和通用的商用接口芯片，CPCI總線控制器芯片選用PCI9052接口芯片，該芯片是PLX技術公司開發的PCI協議從模式接口芯片，是低成本、低功耗器件，可以完成局部總線到PCI總線的快速轉換，擴展適配板卡，部分引腳可直接連接到2 mm密度針孔連接器上，另有AD0～AD31、C/BE0#～C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#以及RST#管腳接10歐姆的排阻匹配信號，以避免信號的干擾。

CPCI總線控制器包含一個上電時自動加載配置信息的串行EEPROM接口，配置芯片選用ATMEL的93LC46B(64×16 bitEEPROM)器件，內部具有上電、掉電數據保護電路，可使存儲的數據不丟失，采用燒寫串行EEPROM方法，使用芯片燒寫器將數據寫入93LC46B，燒寫內容為初始化配置參數以及地址空間信息，包括CPCI配置寄存器參數，生產商ID、器件ID號、類碼子系統ID號和子系統生產商ID號等。

2.3 FPGA設計

FPGA主要完成對各接口的邏輯和時序控制。包括地址譯碼、數據鎖存、讀寫時序控制電路、時鐘分頻及復位控制電路，實現與CPCI高速總線間的數據通信。FPGA可迅速而靈活的修改和進行資源配置，方便了設計人員的配置，減少了邏輯器件，節省了板卡空間，在FPGA管腳排布上盡量將所有的功能管腳連接到FPGA上，在FPGA內部對不使用的管腳進行處理。FPGA芯片選用Altera公司生產的FLEX10K20QC208，該芯片能夠提供20萬門電路，FPGA功能如圖3所示。

圖3 FPGA功能框圖

在FPGA調試階段，采用JTAG測試口下載FPGA調試程序，在JTAG配置引腳接上拉1 K歐姆電阻，調試結束后，采用燒寫器寫入程序到EPROM芯片，固化FPGA程序，系統啟動時按照時序自動從EPROM中讀取FPGA的配置數據。

2.4 1553B總線電路設計

采用符合GJB 289A-1997《數字式時分制指令/響應型多路傳輸數據總線》規范的標準1553B總線接口，1553B總線電路一般由總線控制器、總線控制電路、總線供電電路、電阻選址網絡(可根據測試需要將總線配置成RT終端模式，通過電阻網絡配置相應遠置終端)、隔離變壓器電路、總線接插件等部分組成。

1553B總線是一種雙倍冗余總線結構，所有的節點都同時連結在兩條總線上，但只有一條總線工作，另一條作為備份，在正常情況下A總線工作，B總線為備份，當A總線出現故障的情況下，總線控制器自動啟動B總線工作[1]?？偩€控制器內部RAM的容量為4K字，設計零等待工作方式，軟件需要讀2次完成一次總線RAM或寄存器的操作。與8位CPU芯片連接的總線控制器，將總線控制器的16位數據的高8位和低8位分別與CPU的8位數據相連，同時將數據寬度模式選擇引腳(16/8/B)接地，設置總線控制器為8位傳輸模式[2]。CPU的A0地址位接高低位選擇引腳(M/LSB)。這樣，CPU讀寫總線內部緩存數據時，就可以分別對總線控制器16位數據的高、低數據段進行操作。8位模式工作方式下，讀取數據前總線控制器內部對數據進行鎖存，鎖存后分別讀取高8位與低8位數據。在設計時考慮信號完整性或者隔離設計，減少干擾源造成數據誤鎖存的問題。

需要注意的是1553B總線控制器芯片一些輸入信號比較敏感，需作特殊處理。復位輸入信號為TTL電平形式，抗干擾能力較差，一個很窄的毛刺就會造成芯片復位，為了減少系統信號干擾則需要對該信號進行處理，一般對地加小容量的電容，減少信號干擾的風險，總線控制器的SELECT、STRBD、MEM/REG、RD/WR信號比較敏感，為了防止有干擾信號輸入，需要在輸入端進行處理，通過串聯電阻或者并聯電容的方式對線上干擾進行濾除，避免振鈴的出現，對于總線控制的長線時鐘信號輸入應進行整形，采用加斯密特觸發器或者串聯電阻的方式避免信號線上振鈴的影響。

鑒于總線消息發送時對模擬供電的需求較大，即發送消息時需要的電流變大造成模擬供電電壓下降，總線控制器模擬供電應與邏輯供電以及其他數字電路供電有良好的隔離，采取的做法是在電路設計中將模擬供電直接連接到電源輸出端，邏輯供電以及其他數字電路供電可以通過限流模塊連接到電源輸出，可以有效減少電壓臨界造成的系統不穩定情況。以總線接口芯片BU61580為例，接口電路見圖4。

2.5 RS-422總線設計

RS-422數據信號采用差分傳輸方式，它使用一對雙絞線平衡傳輸，有效降低信號傳輸的干擾程度，硬件包含各4路RS-422發送通道和接收通道，采用點對點的配置方式，包含4個差分發送器和4個差分接收器。

考慮接收端的隔離保護和數據穩定接收，在接收端需要端接電阻和偏置電阻，端接電阻要求其阻值等于傳輸電纜的特性阻抗，端接電阻接在傳輸電纜的最遠端[3]。偏置電阻的阻值需要根據端接電阻的阻值設計，根據RS-422的通信協議，每次數據傳輸均以低電平開始，因此接收器在發送器輸出禁止的情況下，應保證接收端RX+、RX-之間的電平大于200 mV。為此，需要在RX+、RX-端分別設置上拉和下拉的偏置電阻。為保護發送端不受大電流損傷，在發送端正負線上均串聯隔離電阻。隔離電阻的選取還要考慮與端接電阻阻抗匹配的問題，通常1 KΩ的端接電阻，選取510 Ω左右的隔離保護電阻。

2.6 雙口RAM設計

該電路允許通過CPCI接口進行讀寫操作，同時允許中央控制器對其進行讀寫，完成數據的傳輸。選用的雙口RAM芯片為IDT71342，該芯片為4 K字節雙口RAM，同時具有8個地址的SEMPHORE存儲空間,提供獨立的控制端口，允許異步讀寫訪問，邏輯控制避免同時讀寫同一地址產生沖突造成數據錯誤。

2.7 其它

數據傳輸模塊板卡所有器件均采用單一直流+5 V供電，利用底板CPCI接插件+5 V電源供電，在電源輸入端加電容去耦，保證供電穩定性。

為了方便驗證模塊工作狀態及進行故障診斷，設置了FPGA工作狀態指示燈、CPU工作狀態指示燈等，并以不同頻度閃爍判定模塊是否正常工作，將晶振分頻后驅動指示燈閃爍。

3 系統軟件實現

衛星與地面設備交互系統的應用軟件包括上位計算機軟件、下位工控機軟件和數據傳輸模塊嵌入式軟件組成。

上位計算機應用軟件由測試控制、數據處理顯示軟件、遙測格式比對軟件等組成，通過視窗操作界面控制和顯示。

下位工控機軟件完成與上位機的網絡通訊功能，以及控制數據傳輸模塊數據采集和按照相應協議實施總線控制、總線監聽和總線終端數據模擬等功能。工控系統主模塊控制軟件運行在VXworks操作系統下，VXworks操作系統主要功能在于提供應用軟件所需的各種進程調度原語、進程間通信原語和底層硬件驅動程序，工控機控制軟件工作流程如圖5。

圖5 下位工控機控制軟件工作流程圖

數據傳輸模塊軟件實現外部數據接收并將數據分塊存儲于雙口RAM中，下位機工控軟件定期查詢雙口RAM區中數據狀態，并通過以太網將數據傳送至遠程計算機，同時下位機工控軟件通過CPCI接口向中央控制器發出復位、中斷等功能信號，控制數據傳輸模塊從設備工作，數據傳輸模塊軟件實現流程如圖6所示。

4 試驗驗證結果與分析

應用這套測試系統在某深空領域衛星的測試環境中實現了1553B總線協議的動態模擬,增強了仿真的靈活性和真實性，RS-422接口的應用使得上下行數據及時更新，是衛星狀態控制的便捷途徑，提高了測試應急響應時間，從而保證了測試的安全性，數據傳輸實時性好，該系統已經在多個衛星綜合測試階段及外場試驗中長期穩定工作。

5 結論

本文討論了基于CPCI總線的衛星和地面設備交互實現方法，采用CPCI工控機作為數據傳輸模塊的安裝載體，且工控機對環境適應范圍較寬，安全性高，并可適應特殊環境下的長期應用；采用標準的模塊板卡使用方便、靈活，便于拆卸和安裝；該數據傳輸模塊采用FPGA代替分立元件，采用表貼窄封裝器件等措施減小了印制板面積，節省了布局空間；采用專用總線接口控制芯片，通用性好，開發周期短、成本低；同時根據用戶使用環境可靈活定制功能，將監視到的數據分類存儲和傳輸。該方案選用開放式標準、模塊化設計，便于維護，可移植性好，該數據傳輸方法經工程實現和驗證，通過進一步的分析和驗證，模塊運行穩定可靠，滿足用戶使用需求，并經過多種衛星測試系統上推廣應用，取得了良好效果。

[1] 史林鋒，王斌永，何志平，等.基于FPGA和BU-65170的1553B遠程終端設計與實現[J].現代電子技術，2013，36:(14)：65-69.

[2] 郭廷源，牛躍華，王紅光. 基于單片機的1553B總線數據交換設備設計[J].計算機測量與控制，2013，21(1)：195-196，199.

[3] 牛思先，向 征.基于RS-422/485的串行異步通訊接口設計和應用[J].計算機工程與設計 2007，28(10):2472-2474.