宮海波，徐　茜，王　寬

（中國飛行試驗(yàn)研究院，西安　710089）

一種多功能信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宮海波，徐茜，王寬

（中國飛行試驗(yàn)研究院，西安710089）

針對(duì)單一信號(hào)源無法滿足測(cè)試需求的現(xiàn)狀，提出了一種新型多功能信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；詳細(xì)闡述了信號(hào)源系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，方案基于標(biāo)準(zhǔn)化、高速、可靠性三方面的考慮，硬件環(huán)境基于Compact PCI工控計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)了3U CPCI結(jié)構(gòu)的信號(hào)源板卡，配套軟件采取模塊化設(shè)計(jì)；該方案可實(shí)現(xiàn)多類型、多通道的高精度、高可靠性信號(hào)的獨(dú)立輸出和同時(shí)輸出；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該多功能信號(hào)源系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、使用便捷，滿足設(shè)計(jì)需求。

飛行試驗(yàn)；信號(hào)源；CPCI；板卡

0　引言

目前，我國航空事業(yè)正處于飛速發(fā)展的階段，隨著雷達(dá)、通信及其他航電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，飛行試驗(yàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)性能提出了更高的要求。在測(cè)試設(shè)備研制、生產(chǎn)以及測(cè)試系統(tǒng)搭建的過程中，多功能信號(hào)源的研究受到普遍重視［13］，信號(hào)源在很大程度上影響并決定著系統(tǒng)的性能，多功能信號(hào)源對(duì)于提高整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的研制效率以及各個(gè)測(cè)試設(shè)備工作的性能起到至關(guān)重要的作用［4］。國內(nèi)目前常見的信號(hào)源功能單一［5］，無法滿足目前測(cè)試需求，本文在此基礎(chǔ)上提出了一種能夠模擬產(chǎn)生多種信號(hào)的多功能信號(hào)源。

系統(tǒng)基于Compact PCI工控計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)了多功能信號(hào)源相應(yīng)的CPCI功能板卡及其驅(qū)動(dòng)軟件、配置管理軟件、以太網(wǎng)及UART信號(hào)源軟件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了能夠模擬多種類型信號(hào)輸出的多功能信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多功能信號(hào)源硬件環(huán)境基于Compact PCI工控計(jì)算機(jī)，相應(yīng)的各功能板卡設(shè)計(jì)為3U CPCI結(jié)構(gòu)。功能板卡包括1553信號(hào)源板、429信號(hào)源板、PCM信號(hào)源板、時(shí)碼板，分別實(shí)現(xiàn)1553信號(hào)、429信號(hào)、PCM信號(hào)的模擬輸出，實(shí)現(xiàn)GPS時(shí)間或時(shí)統(tǒng)時(shí)間的接收，可使用GPS時(shí)間或外部時(shí)統(tǒng)時(shí)間對(duì)內(nèi)部時(shí)間進(jìn)行時(shí)間校正，并且可輸出IRIG-B時(shí)間及1PPS信號(hào)。利用應(yīng)用軟件設(shè)置相應(yīng)板卡的數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過應(yīng)用軟件可以控制以上模擬數(shù)據(jù)獨(dú)立輸出和同時(shí)輸出，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

配置管理軟件可設(shè)置PCM數(shù)據(jù)、1553B總線數(shù)據(jù)、429總線數(shù)據(jù)、UART總線數(shù)據(jù)及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包格式定義和數(shù)據(jù)內(nèi)容，可設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送速率、發(fā)送間隔、單次發(fā)送/循環(huán)發(fā)送等。

2　硬件設(shè)計(jì)

多功能信號(hào)源的硬件環(huán)境基于Compact PCI工控計(jì)算機(jī)，CompactPCI是PCI總線的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)［6］。CPCI的優(yōu)點(diǎn)是兼顧了標(biāo)準(zhǔn)化、高速、可靠性三方面的考慮，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)和嵌入式領(lǐng)域。

2.1CPU板設(shè)計(jì)

CPU板的功能是運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，運(yùn)行配置管理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)信號(hào)輸出板的配置管理，完成以太網(wǎng)信號(hào)輸出以及UART信號(hào)輸出。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以及UART數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各自模擬軟件獲取時(shí)碼板上時(shí)間寄存器的時(shí)間信息，將發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間放置到相應(yīng)數(shù)據(jù)包中，時(shí)間分辨率為1 ms。

CPU板卡可輸出1路UART串行總線數(shù)據(jù)，輸出電平為RS-232、RS-422，波特率分為9 600、19 200、38 400、57 600、115 200 bps，數(shù)據(jù)可選奇、偶校驗(yàn)。CPU板卡同時(shí)可輸出2路100 M或1 000 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，可接收GPS及IRIG-B外部時(shí)間，可輸出1路IRIG-B時(shí)間及1路1PPS信號(hào)。

2.2PCM信號(hào)板設(shè)計(jì)

通過CPCI總線背板接口以及驅(qū)動(dòng)軟件接收配置管理軟件發(fā)送的針對(duì)每個(gè)通道設(shè)置的PCM幀格式、同步字、ID字、字長(zhǎng)、位速率等信息，并寫入PCM輸出板的數(shù)據(jù)處理模塊的相關(guān)寄存器。同時(shí)，接收針對(duì)每個(gè)通道定義的PCM模擬數(shù)據(jù)并寫入PCM輸出板的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在接收到配置管理軟件的開始發(fā)送模擬數(shù)據(jù)的指令后，數(shù)據(jù)處理模塊循環(huán)讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的PCM模擬數(shù)據(jù)，進(jìn)行PCM碼型變換，按照事先的設(shè)置的位速率輸出PCM數(shù)據(jù)、位時(shí)鐘、字時(shí)鐘、子幀時(shí)鐘、全幀時(shí)鐘。

板卡可輸出4路PCM模擬信號(hào)，信號(hào)電平分為TTL和RS -422，PCM位速率分為200 K、500 K、1 M、2 M、5 M、10 M、20 Mbps可設(shè)置，每一全幀第一位輸出時(shí)間，時(shí)間分辨率1 ms且放置位置可設(shè)置。PCM信號(hào)板工作原理如圖2所示。

圖2　PCM信號(hào)板工作原理示意圖

2.3MIL-STD-1553B信號(hào)板設(shè)計(jì)

通過CPCI總線背板接口以及驅(qū)動(dòng)軟件接收配置管理軟件發(fā)送的針對(duì)每條消息設(shè)置的消息類型、地址、子地址、數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)字內(nèi)容、消息間隔、耦合方式，完成數(shù)據(jù)處理模塊相關(guān)寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的配置工作；通過應(yīng)用程序，可以控制數(shù)據(jù)處理模塊單次或循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的1553B模擬消息，通過并串轉(zhuǎn)換后進(jìn)行曼徹斯特編碼，經(jīng)1553B總線驅(qū)動(dòng)芯片處理后，直接耦合輸出或變壓器耦合輸出。

該板卡輸出1路雙余度1553B總線數(shù)據(jù)，耦合形式分為直接或變壓器耦合，總線負(fù)荷模擬可通過設(shè)置消息發(fā)送間隔進(jìn)行設(shè)置。1553B信號(hào)板工作原理如圖3所示。

圖3　155B信號(hào)板工作原理示意圖

2.4ARINC-429信號(hào)板設(shè)計(jì)

通過CPCI總線背板接口以及驅(qū)動(dòng)軟件接收配置管理軟件發(fā)送的針對(duì)每路429通道的速率，數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度，以及數(shù)據(jù)塊中每個(gè)429數(shù)據(jù)字的Label、SDI、數(shù)據(jù)、Parity，完成數(shù)據(jù)處理模塊相關(guān)寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的配置工作。數(shù)據(jù)處理模塊循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的429數(shù)據(jù)塊，按照設(shè)置的輸出速率，經(jīng)429總線驅(qū)動(dòng)芯片處理后輸出。板卡可輸出12通道的429總線數(shù)據(jù)，速率可選12.5 kbps或100 kbps，429信號(hào)板工作原理如圖4所示。

圖4　429信號(hào)板工作原理示意圖

2.5時(shí)碼板設(shè)計(jì)

板卡內(nèi)嵌GPS接收機(jī)接收外部GPS信號(hào)，提取GPS時(shí)、分、秒，也支持接收外部IRIG-B AC碼，得到時(shí)、分、秒，毫秒、微秒由板上時(shí)間計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，在整秒開始時(shí)刻清零重新計(jì)數(shù)；數(shù)據(jù)處理模塊支持內(nèi)部時(shí)間，同步跟隨外部時(shí)間，當(dāng)外部時(shí)間丟失時(shí)，啟用內(nèi)部時(shí)間；時(shí)、分、秒、毫秒、微秒支持CPU板上運(yùn)行的軟件讀??；通過板卡前面板上用戶連接器向外輸出IRIG-B AC/DC碼和1PPS，通過背板總線接口向其他功能板發(fā)送IRIG-B DC碼和1PPS。工作原理總體如圖5所示。

圖5　時(shí)碼板工作原理示意圖

3　軟件設(shè)計(jì)

多功能信號(hào)源應(yīng)用軟件主要根據(jù)實(shí)際信號(hào)輸出的需求，通過人機(jī)界面進(jìn)行各功能板模擬信號(hào)設(shè)置、幀格式設(shè)置、幀間隔設(shè)置、時(shí)間嵌入設(shè)置，生成設(shè)置文件，將設(shè)置文件分別加載到各個(gè)功能板，啟動(dòng)/停止信號(hào)發(fā)送。另外，設(shè)置、產(chǎn)生并發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以及UART數(shù)據(jù)。應(yīng)用軟件包括配置管理軟件及以太網(wǎng)/UART模擬軟件兩大部分。如圖6所示，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由主控模塊、PCM信號(hào)設(shè)置模塊、MILSTD-1553B信號(hào)設(shè)置模塊、ARINC-429信號(hào)設(shè)置模塊、設(shè)置文件生成模塊、設(shè)置文件加載模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)模擬模塊、UART數(shù)據(jù)模擬模塊組成。

圖6　應(yīng)用軟件組成示意圖

根據(jù)實(shí)際需要，可分別調(diào)用相應(yīng)軟件模塊對(duì)PCM信號(hào)模擬、1553信號(hào)模擬、429總線數(shù)據(jù)模擬進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，包括發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀內(nèi)容等。在完成全部設(shè)置后，可選擇生成配置文件并保存設(shè)置，以便以后使用同樣的配置。然后可通過設(shè)置文件加載，將設(shè)置文件發(fā)送至相應(yīng)的板卡。以太網(wǎng)及UART模擬數(shù)據(jù)的設(shè)置，直接在以太網(wǎng)/UART模擬軟件中完成。在主控模塊的界面中，可進(jìn)行仿真發(fā)送相關(guān)控制的設(shè)置，包括各類仿真數(shù)據(jù)是否發(fā)送，某一類數(shù)據(jù)通過哪些通道發(fā)送等，以及是否連續(xù)循環(huán)發(fā)送，還是逐幀發(fā)送。

地面軟件與設(shè)備連接成功后，根據(jù)設(shè)備的配置信息，軟件會(huì)顯示各個(gè)信號(hào)源的啟動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)需要選擇相應(yīng)信號(hào)源進(jìn)行配置并輸出信號(hào)。選取以太網(wǎng)為例來介紹，雙擊信號(hào)源瀏覽處的以太網(wǎng)信號(hào)源。

選擇好數(shù)據(jù)包類型之后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)定義，將彈出對(duì)應(yīng)類型的數(shù)據(jù)配置框（IENA或者INET），數(shù)據(jù)包定義配置好之后，根據(jù)數(shù)據(jù)配置對(duì)話框來配置包定義的數(shù)據(jù)部分內(nèi)容，配置完成之后點(diǎn)擊確定，生成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)內(nèi)容，在發(fā)送界面點(diǎn)擊發(fā)送即可，其他板卡與此類似。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

飛行試驗(yàn)中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)試，對(duì)系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，通過應(yīng)用軟件可以設(shè)置PCM模擬數(shù)據(jù)、MIL -STD-1553B總線模擬數(shù)據(jù)、ARINC-429總線模擬數(shù)據(jù)、RS232/RS422總線模擬數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)模擬數(shù)據(jù)的格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容，并可將從外部接收的GPS信號(hào)或IRIG-B AC/DC碼中提取的時(shí)間信息嵌入模擬數(shù)據(jù)中輸出。

多功能信號(hào)源在基于標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了多類型、多通道的高精度、高可靠性信號(hào)的獨(dú)立輸出和同時(shí)輸出。

5　結(jié)束語

［1］蔡卓淮，萬玲玉.基于Zig Bee技術(shù)的多信號(hào)源控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2015，35（17）：11-13.

［2］田曉丹，張會(huì)新，劉文怡.一種新型多功能信號(hào)源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（7）：2604-2606.

［3］牛耕，陳思宇，于繼翔.基于DDS技術(shù)的正弦交流信號(hào)源的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（3）：52-56.

［4］孫群，宋卿.基于DDS技術(shù)的便攜式波形信號(hào)發(fā)生器［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（4）：69.

［5］楊建華，于小寧，朗寶華.DDS技術(shù)和FPGA在多功能信號(hào)源中的應(yīng)用［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（4）：334-338.

［6］王丹，李平，文玉梅，等.采用DDS頻率合成的虛擬信號(hào)發(fā)生器研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（3）：586.

Design of a Multi-function Signal Source System

Gong Haibo，Xu Qian，Wang Kuan
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an710089，China）

In order to solve the problem that the single signal source can not meet the requirement of the test，a new design scheme of multi-function signal source system is put forward.The hardware and software design of the signal source system are described in detail，the scheme is based on the consideration of three aspects of standardization，high speed and reliability，the hardware environment is based on PCI Compact industrial control computer，the signal source board of CPCI 3U structure is designed，and supporting software to adopt modular design.The scheme can realize the independent output and simultaneous output of the multi type，multi channel high precision and high reliability signals.The experimental results show that the system has good stability，high reliability and convenient use，and can meet the design requirements.

flight test；signal source；CPCI；board

1671-4598（2016）05-0296-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.081

TB22

A

2016-02-02；

2016-03-07。

宮海波（1982-），男，工程師，山東威海人，碩士研究生，主要從事機(jī)載測(cè)試技術(shù)方向的研究。