李國星 黃如昌 高志遠(yuǎn)

機(jī)載PCM數(shù)據(jù)流檢查裝置設(shè)計開發(fā)

李國星 黃如昌 高志遠(yuǎn)

在飛行試驗中，機(jī)載PCM數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)檢查對飛行試驗的成敗至關(guān)重要。針對機(jī)載PCM數(shù)據(jù)流的檢查，提出了一種基于USB2.0通信接口的PCM數(shù)據(jù)流解調(diào)方案，論述了PCM解調(diào)的程序、原理和方法，設(shè)計了USB2.0通信接口。最后，通過計算機(jī)軟件實現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)流的檢查功能。該方案已成功應(yīng)用于飛行試驗中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，PCM數(shù)據(jù)流的解析正確。

在飛行試驗中，為了考核飛行器的性能與指標(biāo)，均需在飛行器上構(gòu)建龐大的機(jī)載測試系統(tǒng)，去采集、記錄飛行試驗數(shù)據(jù)。這些試驗數(shù)據(jù)一般通過PCM（Pulse Code Modulation）數(shù)據(jù)流方式進(jìn)行記錄或輸出。PCM數(shù)據(jù)流涵蓋了飛行試驗的絕大部分測試參數(shù)，對飛行試驗的成敗具有至關(guān)重要的影響。因此，如何對PCM數(shù)據(jù)流進(jìn)行檢查，對于保證飛行試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性具有重要的影響。某前，PCM數(shù)據(jù)流的檢查普遍采用基于PCMCIA接口的硬件同步解調(diào)方案，解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過PCMCIA接口輸入到計算機(jī)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的判讀。但隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PCMCIA接口已經(jīng)逐漸被USB2.0接口取代，已經(jīng)無法繼續(xù)使用PCMCIA接口進(jìn)行PCM數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)檢查?；谶@種工程背景，本文將提出一種基于USB2.0通信接口的PCM數(shù)據(jù)流同步解調(diào)方案，即采用FPGA技術(shù)實現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)流的同步解調(diào)，通過USB2.0通信接口將PCM數(shù)據(jù)傳送至計算機(jī)軟件，由計算機(jī)軟件實現(xiàn)對PCM數(shù)據(jù)流的檢查功能。

系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)載PCM數(shù)據(jù)流檢查裝置主要由PCM數(shù)據(jù)解調(diào)電路和計算機(jī)軟件構(gòu)成，系統(tǒng)方案如圖1所示，以RS422電氣特性傳輸?shù)腜CM數(shù)據(jù)流信號經(jīng)過電平匹配，轉(zhuǎn)化為LVTTL電平信號，以便被數(shù)字電路采集，進(jìn)而通過串并轉(zhuǎn)換進(jìn)入同步電路進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)據(jù)存入緩存電路中，等待控制電路將PCM數(shù)據(jù)讀取、裝入USB2.0接口電路中。通過USB2.0接口，PCM數(shù)據(jù)采集至計算機(jī)，由計算機(jī)軟件實現(xiàn)對PCM數(shù)據(jù)流的檢查功能。

圖1 系統(tǒng)方案

PCM解調(diào)電路設(shè)計

PCM解調(diào)電路是本文實現(xiàn)的核心，主要由地址譯碼電路、控制電路、同步電路和FIFO電路以及串并轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，如圖2所示。地址譯碼電路實現(xiàn)將計算機(jī)命令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號（例如：信號極性、碼型、同步字等），由控制電路負(fù)責(zé)對同步電路進(jìn)行相應(yīng)的寄存器設(shè)定，負(fù)責(zé)控制FIFO的讀寫操作，從而將串并轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)寫入FIFO電路，最后通過USB2.0電路送至計算機(jī)軟件。同步電路是實現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)解調(diào)的關(guān)鍵，同步電路包括位同步、幀同步和字同步電路。實現(xiàn)過程如下。

圖2 PCM解調(diào)電路

（1）位同步實現(xiàn)

機(jī)載測試系統(tǒng)輸出的PCM信號包含位時鐘和數(shù)據(jù)信號，本文不再產(chǎn)生單獨的PCM位時鐘信號，僅對已有的位時鐘和系統(tǒng)時鐘進(jìn)行同步處理。

（2）幀同步實現(xiàn)

PCM幀同步指同步電路在PCM數(shù)據(jù)流中尋找同步字的過程。本文采用逐位“搜捕/比較”方法實現(xiàn)字同步的檢測，檢測的原理如圖3所示。在位時鐘CLK的下降沿，PCM數(shù)據(jù)被采集，并逐位進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換保存至寄存器中，在位時鐘CLK下降沿的后一個時鐘進(jìn)行寄存器數(shù)據(jù)與同步碼的比較，若兩者相同則輸出幀同步信號；若不同，則不輸出幀同步信號。

圖3 幀同步原理

（3）字同步和串并轉(zhuǎn)換

幀同步實現(xiàn)后，要產(chǎn)生字同步信號。在字同步信號的指引下，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)據(jù)字存入緩存電路中。PCM字同步信號是PCM解碼的最終目的。該部分功能在FPGA內(nèi)，采用Verilog HDL語言程序?qū)崿F(xiàn)，實現(xiàn)的程序模型如圖4所示。

圖4 串并轉(zhuǎn)換

高速USB通信設(shè)計

USB2.0接口電路是計算機(jī)軟件和FPGA解碼電路的通信紐帶，不僅要實現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)參數(shù)的傳輸，還是程序命令、配置信息的傳輸通道。本文采用USB2.0的專用接口芯片CY7C68013A，并采用高速批量傳輸模式，充分利用芯片內(nèi)部提供的四重FIFO資源，將其中一個FIFO分配為傳輸PCM數(shù)據(jù)參數(shù)，另一FIFO傳輸配置信息。當(dāng)FIFO內(nèi)數(shù)據(jù)容量達(dá)到USB包512Byte，芯片將數(shù)據(jù)自動打包發(fā)送至計算機(jī)。FPGA邏輯電路負(fù)責(zé)對這兩個FIFO的讀寫操作，從而實現(xiàn)將PCM參數(shù)數(shù)據(jù)從PCM解調(diào)電路中傳送至計算機(jī)軟件，將PCM設(shè)置參數(shù)從計算機(jī)軟件傳入PCM解調(diào)電路中。

圖5 USB2.0雙向通信設(shè)計

計算機(jī)PCM檢查軟件

計算機(jī)PCM檢查軟件將實現(xiàn)機(jī)載PCM數(shù)據(jù)流的實時檢查功能，由配置文件解析模塊、數(shù)據(jù)實時檢查模塊、數(shù)據(jù)記錄與回放模塊和數(shù)據(jù)異常監(jiān)測模塊以及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊等組成。配置文件解析模塊主要完成PCM結(jié)構(gòu)信息 XML文件的導(dǎo)入與解析；數(shù)據(jù)實時檢查模塊將按照PCM結(jié)構(gòu)將PCM數(shù)據(jù)實時還原顯示，以便參數(shù)判讀，如圖6所示；數(shù)據(jù)記錄與回放功能主要進(jìn)行PCM數(shù)據(jù)記錄及后續(xù)回放檢查。此外，計算機(jī)軟件系統(tǒng)還完成了數(shù)據(jù)異常檢測和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，主要是將PCM數(shù)據(jù)流中的狀態(tài)參數(shù)提取出來加以分析，以便確定前端系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 PCM實時檢查界面

結(jié)語

經(jīng)過飛行驗證，機(jī)載PCM數(shù)據(jù)流檢查裝置能夠?qū)崿F(xiàn)10Mbps以下的PCM數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)解析功能，可以方便工程人員準(zhǔn)確判讀PCM參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

李國星 黃如昌 高志遠(yuǎn)

中國飛行試驗研究院

李國星（1981-）男，中國飛行試驗研究院，工程師，機(jī)載測試專業(yè)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.012