胡 倩 陳善志 劉建妥 李金龍 張德智

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076；2.北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

基于VPX架構(gòu)的遙測采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

胡 倩1陳善志2劉建妥1李金龍1張德智1

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076；2.北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

當(dāng)今世界各航天大國都在大力發(fā)展航天測控通信技術(shù)，但現(xiàn)有測控設(shè)備間連接關(guān)系復(fù)雜，不利于系統(tǒng)小型化、低功耗設(shè)計(jì)，很難滿足新型飛行器的設(shè)計(jì)需要。針對(duì)現(xiàn)階段測控通信系統(tǒng)提出的一體化、小型化，高可靠性等要求，對(duì)VPX總線架構(gòu)進(jìn)行研究，并應(yīng)用于遙測采集平臺(tái)設(shè)計(jì)。提出了基于VPX架構(gòu)的遙測采集平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足目前測控通信系統(tǒng)提出的小體積、高速率以及高可靠性共存的設(shè)計(jì)需求，在航天領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

VPX 遙測 采集 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 引 言

當(dāng)今世界各航天大國都在大力發(fā)展航天測控通信技術(shù)，但現(xiàn)有測控設(shè)備品種繁多，設(shè)備間連接關(guān)系復(fù)雜，不利于系統(tǒng)小型化、低功耗設(shè)計(jì)，很難滿足新型飛行器的設(shè)計(jì)需要。因此集成化設(shè)計(jì)模式是其必然趨勢，提高航天器電子設(shè)備的集成度和性能，對(duì)提高航天器設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低研制成本、縮短研制周期具有重要意義。

VPX是基于高速串行總線的新一代總線標(biāo)準(zhǔn)，是目前國際上兼容性最好的軍用嵌入式規(guī)范。具有模塊化、通用化、擴(kuò)展性、開放性、高可靠等特點(diǎn)，采用高速差分信號(hào)傳輸技術(shù)，并且在機(jī)械結(jié)構(gòu)和導(dǎo)冷抗震方面具有優(yōu)勢。本文介紹的遙測采集平臺(tái)將VPX的可靠性、擴(kuò)展性和高性能融入到插箱設(shè)計(jì)中，所設(shè)計(jì)的遙測采集平臺(tái)在散熱性、耐用性及抗震性等方面更具優(yōu)勢[1]，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足目前測控通信系統(tǒng)提出的小體積、高速率以及高可靠性共存的設(shè)計(jì)需求，在航天領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

2 VPX總線標(biāo)準(zhǔn)簡介

VPX標(biāo)準(zhǔn)制定的最初目的是為了保護(hù)VME總線的應(yīng)用者，繼承和延續(xù)VME總線，但隨后標(biāo)準(zhǔn)的制定者發(fā)現(xiàn)少量的修補(bǔ)工作無法滿足需求，很多規(guī)范做了徹底的革新，并最終于2007年頒布了全新的VPX計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(即ANSI/VITA46.0-2007標(biāo)準(zhǔn)，以下簡稱VPX)，VPX標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容反映于VITA46系列的技術(shù)規(guī)范。VPX的核心在于連接器Multigig RT，相對(duì)于傳統(tǒng)的針式連接器，這種高速差分連接器的硅晶片式結(jié)構(gòu)具有連接緊密、插入損耗小和誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)差分接觸對(duì)支持的數(shù)據(jù)帶寬可高達(dá)10GB/s，而且硅晶片都帶有ESD接地層和觸點(diǎn)層，防止操作期間受意外放電影響[2]。VPX總線標(biāo)準(zhǔn)還繼承了原VME標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)械結(jié)構(gòu)及導(dǎo)冷抗震方面的優(yōu)勢，因此在軍用加固嵌入式系統(tǒng)中，VPX產(chǎn)品值得推廣。Multigig RT連接器如圖1所示。

3 遙測采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的遙測采集平臺(tái)采用國際先進(jìn)的VPX軍用處理機(jī)規(guī)范，融合了多路模擬量采集、高速串行交換、多路高速總線數(shù)據(jù)交互等一系列先進(jìn)技術(shù)，是符合國際先進(jìn)嵌入式處理機(jī)發(fā)展方向的新一代遙測采集平臺(tái)。

VPX遙測采集平臺(tái)的硬件組成包括：VPX機(jī)箱，遙測采集模塊以及其它功能模塊(如AD模塊、I/O模塊等)。功能模塊可根據(jù)應(yīng)用需求組合、定制。遙測采集平臺(tái)如圖2所示。

VPX標(biāo)準(zhǔn)的遙測采集處理平臺(tái)通過對(duì)硬件和底層軟件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)集中式管理控制體制，打破傳統(tǒng)飛行器電氣系統(tǒng)中各分系統(tǒng)的分散管理控制模式，使得飛行器電氣系統(tǒng)各個(gè)功能有效融合、充分交互、信息共享，規(guī)范系統(tǒng)接口，降低連接復(fù)雜度，提升電氣系統(tǒng)的快速可測試性。

3.1遙測采集模塊功能與組成

遙測采集模塊主要實(shí)現(xiàn)多路模擬量采集，多路高速總線(如rapidIO、千兆以太網(wǎng))數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送等功能。

遙測采集模塊的方案設(shè)計(jì)如圖3所示，主要是由以FPGA為核心的綜合采集處理電路、時(shí)鐘管理單元、電源管理單元等部分組成。時(shí)鐘管理單元提供模塊內(nèi)微處理器和FPGA所需要的時(shí)鐘。電源管理單元提供模塊內(nèi)各芯片所需要的電壓。對(duì)外接口通過VPX接插件實(shí)現(xiàn)背板后IO設(shè)計(jì)，同時(shí)VPX模塊的供電和板間互聯(lián)也是通過背板實(shí)現(xiàn)的。

綜合采集處理電路主要包括：

(1)FPGA電路，實(shí)現(xiàn)接口邏輯和控制邏輯功能和SRIO接口通信功能；

(2)存儲(chǔ)電路，配置芯片專供FPGA程序存儲(chǔ)，EEPROM存儲(chǔ)重要參數(shù)信息，SRAM存儲(chǔ)大量緩存數(shù)據(jù)；

(3)溫度量采集接口和ADC電路，完成溫度量采集；

(4)電壓量采集接口和ADC電路，完成電壓量采集；

(5)振動(dòng)量采集接口和ADC電路，完成振動(dòng)量采集；

(6)開關(guān)量采集接口和電平轉(zhuǎn)換芯片，完成開關(guān)量采集；

(7)千兆以太網(wǎng)網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)網(wǎng)通信功能；

(8)RS485接口，實(shí)現(xiàn)兩路RS485通信功能。

3.2高速總線通信設(shè)計(jì)

基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的遙測采集平臺(tái)系統(tǒng)通信總線包括兩種類型，分別是控制總線和數(shù)據(jù)總線，按照標(biāo)準(zhǔn)VPX的規(guī)定，控制指令通過GBE總線進(jìn)行發(fā)送和接收；系統(tǒng)各板卡和模塊運(yùn)行狀態(tài)等遙測數(shù)據(jù)通過SRIO總線進(jìn)行收發(fā)。系統(tǒng)中遙測采集模塊實(shí)現(xiàn)了多路模擬量(如溫度量、振動(dòng)量、開關(guān)量和電壓量)的采集，SRIO總線、千兆以太網(wǎng)、485總線等通信功能，實(shí)現(xiàn)了多總線多速率混合。

遙測采集模塊的對(duì)外關(guān)系框圖如圖4所示，描述如下：

(1)64路速、緩變量信號(hào)(含溫度量、開關(guān)量、電壓量、振動(dòng)量)通過對(duì)外接口和背板后IO接入遙測采集模塊進(jìn)行采集；

(2)通過半雙工RS485和通用處理器模塊交互配置信息；

(3)通過千兆以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)交換板通信，有兩種功能：

a) 間接和通用處理器模塊交互配置信息；

b) 間接接收一次配電模塊、火工品控制模塊、時(shí)序指令模塊的遙測信息。

(4)通過SRIO和SRIO交換板通信，有3種功能：

a) 間接接收通用處理器模塊匯總的系統(tǒng)自測試信息；

b) 間接接收通用處理器模塊、圖像處理器模塊、機(jī)內(nèi)交換網(wǎng)絡(luò)模塊、接口轉(zhuǎn)接模塊、存儲(chǔ)器模塊、基帶信號(hào)及信息處理模塊的遙測信息；

c) 輸出編幀后的遙測信息，最終發(fā)送給基帶信號(hào)及信息處理模塊、存儲(chǔ)器模塊和通用處理器模塊。

千兆以太網(wǎng)傳輸協(xié)議擬采用UDP/IP協(xié)議。理由是UDP/IP提供了一種高效的、低延時(shí)的稱為數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸協(xié)議，采用UDP這種面向非連接的傳輸協(xié)議，可以有效解決數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯栴}，而常用的嵌入式以太網(wǎng)解決方案是在微控制器內(nèi)移植軟件TCP/IP協(xié)議，往往都不能同時(shí)兼顧傳輸效率、可集成化和可移植性。其中傳輸層采用UDP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層為IP協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層為ARP協(xié)議和MAC協(xié)議，物理層采用自適應(yīng)千兆網(wǎng)1000BASE-T的連接通道。千兆以太網(wǎng)通信接口如圖5所示。

SRIO接口如圖6所示，F(xiàn)PGA的MGT BANK按設(shè)計(jì)要求可輸出1X/2X/4X的SRIO，其中在FPGA內(nèi)部通過IP核完成CRC編解碼、8b/10b編解碼、串并變換等功能。

3.3高速背板設(shè)計(jì)

VPX機(jī)箱背板采用導(dǎo)冷加固型，基于高速千兆以太網(wǎng)，SRIO總線、485總線混合互聯(lián)，可同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)傳輸速率、易于控制、資源共享等方面的需求。高速串行總線信號(hào)雖然不對(duì)背板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響，但為了保證信號(hào)完整性，需要考慮材料、走線、長度、線寬、空間、信號(hào)隔離等因素。PCB走線針對(duì)高速信號(hào)線必須保證PN對(duì)等長且差分，滿足布線規(guī)則。電源鋪層走線，以減小壓降和電流過大造成的影響。VPX標(biāo)準(zhǔn)高速背板如圖7所示[3]。

3.4起鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

遙測采集模塊采用雙起拔裝置實(shí)現(xiàn)助插助拔功能。當(dāng)插入VPX機(jī)箱時(shí)，雙起拔裝置提供VPX插頭與機(jī)箱背板上的VPX插座之間對(duì)插所必須的插合力；當(dāng)從VPX機(jī)箱拆卸時(shí)，雙起拔裝置提供VPX插頭與機(jī)箱背板上的VPX插座之間所必須的分離力。

同時(shí)，遙測采集模塊在厚度方向上的橫向鎖緊機(jī)構(gòu)依靠上下的楔形鎖緊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，提高VPX模塊的固定強(qiáng)度以及方便快速裝卸。

3.5結(jié)構(gòu)導(dǎo)冷設(shè)計(jì)

VPX機(jī)箱采用新一代導(dǎo)冷的散熱方式。遙測采集模塊采用全封閉盒體結(jié)構(gòu)，滿足各種環(huán)境對(duì)沖擊、振動(dòng)、溫度等的嚴(yán)格要求；同時(shí)導(dǎo)冷板采用凸凹模設(shè)計(jì)，即功能印制板上凸出需要散熱的元器件，在導(dǎo)冷板對(duì)應(yīng)位置加工相應(yīng)的凹槽，貼裝散熱膠墊，保證對(duì)應(yīng)元器件的貼壁處理，提高散熱效果。經(jīng)大量試驗(yàn)證明，遙測采集模塊能夠在-40℃～70℃正常穩(wěn)定工作。VPX導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4 成果及其應(yīng)用

目前已完成方案設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、功能和性能驗(yàn)證、環(huán)境試驗(yàn)等，總線測試通過SRIO將組幀后輸出數(shù)據(jù)分別發(fā)送給通用處理器、存儲(chǔ)器模塊和基帶信號(hào)及信息處理模塊進(jìn)行處理，測試結(jié)果如圖9所示。測試結(jié)果表明：接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致，該SRIO總線通信性能良好[4]。

驗(yàn)證結(jié)果表明，基于VPX標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的遙測采集平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

(1)高速高密度差分連接器的采用，較傳統(tǒng)遙測采集平臺(tái)體積減小30%，滿足了測控通信系統(tǒng)小體積、高速率以及高可靠性共存的設(shè)計(jì)需求。

(2)VPX架構(gòu)具有更強(qiáng)的功能靈活性，采用分層模塊化開放式體系結(jié)構(gòu)，以標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊、通用軟件構(gòu)建和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)外總線為基本元素，采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范將各元素有機(jī)組織起來，獲得整個(gè)系統(tǒng)的通用性、靈活性和可擴(kuò)展性。

(3)堅(jiān)固型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易維護(hù)，適用于極端惡劣環(huán)境下飛行器的各種復(fù)雜應(yīng)用模式，滿足惡劣環(huán)境下對(duì)振動(dòng)、沖擊、濕度、鹽霧、電磁兼容等指標(biāo)的嚴(yán)格要求。

5 結(jié)束語

隨著新型航天器的快速發(fā)展，對(duì)測控通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化和小型化，提高系統(tǒng)可靠性和靈活性提出了更高的要求。本文設(shè)計(jì)的基于VPX架構(gòu)的遙測采集平臺(tái)，一方面驗(yàn)證了采用VPX架構(gòu)一體化飛行器上電氣、電子設(shè)備的可行性，做為預(yù)研技術(shù)儲(chǔ)備，另一方面通過驗(yàn)證VPX測控通信系統(tǒng)的功能和性能適應(yīng)性，以及在整機(jī)情況下的熱力學(xué)環(huán)境和工藝裝聯(lián)適應(yīng)性，積累應(yīng)用數(shù)據(jù)，及早發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中的不足，以促進(jìn)我國航天測控通信技術(shù)的不斷完善，加速VPX貨架式產(chǎn)品在航天領(lǐng)域從引進(jìn)到成熟應(yīng)用的進(jìn)程。

[1] 李靜.基于VPX結(jié)構(gòu)插箱設(shè)計(jì)初探[J].科技展望,2015(15)：146.

[2] 曹彥偉，尹甲人.基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的通用信號(hào)處理機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師, 2015(10)：195～197.

[3] 洪艷，沈利華.基于VPX高速綜合信息處理平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2011(3)：58～61.

[4] 谷曉鵬，楊玉亮，張然.基于VPX的SRIO通信模塊設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2015,6：64～68.

TelemetryAcquisitionPlatformDesignBasedonVPXStandard

HU Qian1CHEN shan-zhi2LIU jian-tuo1LI Jin-long1ZHANG de-zhi1

(China Academy of Launch Vehicle Technology Ramp;D Center，Beijing，100076，China；2.Beijing Aerospace Institute for Metrology Technology，Beijing 100076，China)

Countries around the world are developing Spacecraft TTamp;C. But the great variety of TTamp;C equipment has complex connection relationship. Against system miniaturization, low power design. It is difficult to meet the needs of the design of new aircraft. For TTamp;C system integration, miniaturization, high reliability requirements, the VPX standard is studied, and applied to the design of telemetry acquisition platform. It verifies the feasibility of using VPX standard. VPX has broad prospects for development in the Spacecraft TTamp;C.

VPX Telemetry Acquisition Structure design

2016-10-28，

2017-02-21

胡倩(1983-)，女，碩士，主要研究方向：測控通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

1000-7202(2017) 04-0043-06

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.10

TP702

A