萬鑫瑞

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

星載微波高度計(jì)[1]是一個(gè)復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)，利用回波模擬器采用射頻仿真技術(shù)對(duì)星載雷達(dá)高度計(jì)進(jìn)行測試驗(yàn)證是一個(gè)相對(duì)理想的方法[2]?；夭M器負(fù)責(zé)將雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理后得到的具有發(fā)射特性和目標(biāo)散射特性的回波信號(hào)發(fā)送給雷達(dá)接收機(jī)。因此回波模擬器是星載衛(wèi)星高度計(jì)回波模擬器的重要監(jiān)測設(shè)備[3]。

回波模擬器需在高度計(jì)分系統(tǒng)聯(lián)試、測試，以及整星聯(lián)試、測試中為高度計(jì)提供滿足要求的點(diǎn)目標(biāo)回波、面目標(biāo)回波。為達(dá)到對(duì)高度計(jì)定量評(píng)估的目的，需要回波模擬器具有良好的穩(wěn)定性和長期一致性。然而在整星聯(lián)調(diào)和發(fā)射場測試階段由于實(shí)驗(yàn)場地環(huán)境限制，回波模擬器只能在設(shè)備旁邊進(jìn)行操作，且每次開機(jī)操作都需要有人進(jìn)入測試現(xiàn)場。由于測試現(xiàn)場設(shè)備眾多，且存在大功率發(fā)射機(jī)，流程嚴(yán)格，不允許有操作人員進(jìn)入周圍，導(dǎo)致回波模擬器操作不便利，帶來一定的麻煩和風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此對(duì)新模擬器增加遠(yuǎn)程集中管理和控制是必要的。并且為了提高可靠性和穩(wěn)定性，采用高速率的遠(yuǎn)程控制十分的必要[5]。

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)旨在通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)與回波模擬器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，發(fā)送指令對(duì)回波模擬器進(jìn)行操作，發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)回波模擬器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以及將回波模擬器采集到的回波數(shù)據(jù)回傳儲(chǔ)存顯示。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

將遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方式分為上位機(jī)和下位機(jī)（數(shù)控單元）兩個(gè)部分。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

海洋二號(hào)衛(wèi)星高度計(jì)回波模擬器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有如下的功能：

1.1 系統(tǒng)上位機(jī)部分

上位機(jī)開發(fā)一個(gè)基于客戶端/服務(wù)器（Client-Server，C/S）結(jié)構(gòu)[6]的遠(yuǎn)程控制軟件，通過傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協(xié)議與下位機(jī)連接通信。通過千兆以太網(wǎng)與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)高速率的穩(wěn)定傳輸。完成人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)指令的解析并將控制指令發(fā)送給回波模擬器，實(shí)時(shí)高速的接收回波模擬器發(fā)送來的數(shù)據(jù)并將其儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，并且將歷史數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)用圖表等形式顯示出來，供相關(guān)人員查看分析。

1.2 系統(tǒng)下位機(jī)部分

下位機(jī)即數(shù)控單元用來完成海平面回波模擬信號(hào)的生成，對(duì)高度計(jì)信號(hào)的捕獲跟蹤，對(duì)高度計(jì)信號(hào)采集和儲(chǔ)存。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)序控制，工作模式控制，接受信號(hào)處理，回波數(shù)據(jù)的生成等。建立千兆以太網(wǎng)傳輸通信方式[7]，自定義設(shè)置網(wǎng)絡(luò)這件互連的協(xié)議（In?ternet Protocol，IP），實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)采集、回波數(shù)據(jù)的輸出傳送、指令狀態(tài)接收、參數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)置的基礎(chǔ)。

數(shù)控單元硬件包括核心射頻接收發(fā)射模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Convert，AD）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Digital-to-Analog Convert，DA）、雙端口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（random access memory，RAM）、千兆以太網(wǎng)模塊、并行數(shù)據(jù)讀寫PIO模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 數(shù)控單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 回波模擬器數(shù)據(jù)核心模塊設(shè)計(jì)

回波模擬器核心模塊采用了基于TMS320C6701微處理的高速數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）技術(shù)以及基于XC4005E的現(xiàn)場可編 程 門 陣 列（Field－ Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術(shù)。以TMS320C6701位核心由FPGA實(shí)現(xiàn)所有時(shí)序控制。采用大容量的高速雙端口RAM來儲(chǔ)存和處理運(yùn)算數(shù)據(jù)。并且使用AD9117中頻采集芯片進(jìn)行AD采集一級(jí)數(shù)據(jù)調(diào)制（in-phase and quadrature，IQ）正交解調(diào)[8]。

2.3 千兆以太網(wǎng)模塊

PL到PS端的數(shù)據(jù)傳輸通過AXI DMA總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。上位機(jī)和PS端的數(shù)據(jù)傳輸通過千兆以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)校驗(yàn)以及辦卡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

其中PL側(cè)到PS側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸是利用總線協(xié)議（Advanced eXtensible Interfac，AXI）動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配（Dynamic-Memory-Allocation，DMA）IP核 通 過simple transfer方法并結(jié)合乒乓操作[9]的傳輸方式，兩個(gè)緩沖區(qū)交替進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。每次DMA傳輸[9]都需要通過PS側(cè)主動(dòng)發(fā)起，PS通過AXI總線配置PL側(cè)的AXI DMA內(nèi)部寄存器，發(fā)起一次DMA傳輸。然后通過PS的Slave AXI GP接口傳輸至PS雙倍數(shù)據(jù)速率內(nèi)存（Double Data Rate，DDR3）的緩存中。其中PS接收數(shù)據(jù)的位寬必須大于或者等于PL實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度。

發(fā)送流程如圖5所示。

圖5 發(fā)送流程邏輯圖

PL每發(fā)完一次數(shù)據(jù)，AXI DMA IP便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，PS得到中斷信號(hào)后將DDR3緩存的數(shù)據(jù)通過乒乓操作的方式由TCP協(xié)議發(fā)送至個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）。PS側(cè)到PC機(jī)的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議[11]進(jìn)行傳輸。TCP/IP協(xié)議也即是傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，是一種通過3次握手實(shí)現(xiàn)的可靠的全雙工協(xié)議。使用Lwip函數(shù)庫[12]來實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，Lwip函數(shù)庫是用于嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧[12]，通過mailbox與內(nèi)核進(jìn)行通行，然后用戶阻塞在一個(gè)專門的mailbox上，內(nèi)核完成用戶的請(qǐng)求后post該mailbox，用戶得意繼續(xù)執(zhí)行，其可以與行在裸機(jī)的環(huán)境中并不需要操作系統(tǒng)的支持，傳輸效率比SOCKET API高。對(duì)Lwip函數(shù)庫的配置提高TCP的傳輸效率，增大傳輸數(shù)據(jù)窗口大小并提高內(nèi)部Emac DMA的數(shù)據(jù)遷移效率。

系統(tǒng)總體邏輯控制部分流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體邏輯控制流程圖

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.1 通信字段及接口定義

TCP/IP采用小端對(duì)齊方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。TCP字節(jié)流順序?yàn)?XE2，0x03，0x30，0Xe5。每個(gè)數(shù)據(jù)包長度為1036字節(jié)，內(nèi)容包括包頭，包類型，子包計(jì)數(shù)，脈沖計(jì)數(shù)，包內(nèi)容，包尾等6個(gè)部分。各個(gè)字段排列及大小如表1所示。

依據(jù)不同的功能下發(fā)不同的參數(shù)包，下位機(jī)根據(jù)定義的固定的包頭和包尾數(shù)據(jù)對(duì)包進(jìn)行解析，其中包頭及包尾定義字節(jié)如表2所示。

表2 包頭包尾數(shù)據(jù)定義

數(shù)據(jù)包功能包括下發(fā)DA數(shù)據(jù)、下發(fā)多普勒表、下發(fā)程序運(yùn)行參數(shù)、程序上行參數(shù)、程序上行AD數(shù)據(jù)包，具體類型及參數(shù)定義如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)包各類型參數(shù)定義

其中每個(gè)DA數(shù)據(jù)包長度為3 ms，根據(jù)實(shí)際時(shí)間長度對(duì)兩端填0。例如，實(shí)際IQ只需1.5 ms，則將左右各0.75 ms數(shù)據(jù)填0.采樣率2.5 MSPS，每個(gè)IQ數(shù)據(jù)包共2.5*3=7.5 kB個(gè)采樣點(diǎn).分為30包下發(fā)，依次在子包計(jì)數(shù)中填充0x01-0x1E。

運(yùn)行時(shí)下位機(jī)作為服務(wù)器，上位機(jī)作為客戶端，客戶端連接建立后，會(huì)接收到程序上行參數(shù)，此外，每500 ms可接收到1次程序上行參數(shù)。

上位機(jī)發(fā)送多普勒數(shù)據(jù)給下位機(jī)，跟據(jù)下位機(jī)DA緩沖區(qū)狀態(tài)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，下位機(jī)DA緩中區(qū)大小為50 MB。上位機(jī)發(fā)送程序運(yùn)行參數(shù)給下位機(jī)。

上位機(jī)若要讀取下位機(jī)AD采集數(shù)據(jù)，需向下位機(jī)發(fā)送下發(fā)程序運(yùn)行參數(shù)，并將第6字節(jié)置為0x55，下位機(jī)會(huì)返回1個(gè)脈沖的AD采集數(shù)據(jù)（3750字節(jié)或7500字節(jié)）。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)及功能

回波模擬器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件部分是基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境[13]編寫完成。完成包括指令控制，參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，交互通信，功率監(jiān)測，用戶操作交互等功能。系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議建立與回波模擬器的連接，實(shí)現(xiàn)高速率穩(wěn)定傳輸并監(jiān)聽監(jiān)測心跳保證連接的可靠性。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

上位機(jī)的GUI界面[14]組成包括指令控制，數(shù)據(jù)交互兩大模塊。其中指令控制包括開關(guān)控制，模式切換，參數(shù)設(shè)置。數(shù)據(jù)交互包括數(shù)據(jù)展示，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，功率檢測。其中數(shù)據(jù)展示是依據(jù)獲取到的上行數(shù)據(jù)得到功率的數(shù)據(jù)，并將其用圖形的方式展示出來，并且數(shù)據(jù)采用Sql Server進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的存儲(chǔ)。具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 上位機(jī)界面功能組成

4 系統(tǒng)測試

4.1 穩(wěn)定高速率測試

測試千兆以太網(wǎng)的高速率穩(wěn)定傳輸，使用Iperf工具[15-16]。Iperf是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能測試工具，可以測試最大TCP和UDP帶寬性能，具有多種參數(shù)和UDP特性。可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，并且可以報(bào)告帶寬、延遲抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失情況。使用與下位機(jī)定義設(shè)置的監(jiān)聽IP號(hào)及端口號(hào)，進(jìn)行連接檢測傳輸TCP的帶寬性能。傳輸速率結(jié)果如圖9所示:

圖9 傳輸速率測試圖

可以看出每5秒報(bào)告的TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送速率穩(wěn)定在76 MB/s左右。

4.2 系統(tǒng)功能測試

測試完成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的各個(gè)功能效果。實(shí)現(xiàn)了回波模擬器的遠(yuǎn)程控制功能，參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)傳輸，功率監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能回放等功能。系統(tǒng)界面操作圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)操作界面示意圖

通過按鈕斷開或開啟下位機(jī)連接，當(dāng)TCP連接上以后現(xiàn)實(shí)綠色保持連接狀態(tài)。左半部分進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的設(shè)置完成參數(shù)的下發(fā)。右半部分進(jìn)行多普勒，DA等數(shù)據(jù)傳輸和下發(fā)。

上位機(jī)部分接收返回的功率信號(hào)實(shí)現(xiàn)功率波形監(jiān)測。其中波形圖可放大或縮小展示也可以通過保存數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)保存成本地文件格式。如圖11所示。

圖11 工具波形監(jiān)測圖

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的海洋二號(hào)衛(wèi)星高度計(jì)回波模擬器的遠(yuǎn)程控制方案可以用于星載設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，測試和聯(lián)調(diào)。能夠解決設(shè)備的模式切換、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)載入等操作復(fù)雜易出錯(cuò)的問題；解決在衛(wèi)星聯(lián)調(diào)合發(fā)射場的測試過程中，回波模擬器只能在設(shè)備旁邊進(jìn)行操作的問題；解決每次開機(jī)操作都需要進(jìn)入設(shè)備眾多流程嚴(yán)格的測試現(xiàn)場的問題。解決數(shù)據(jù)的高速率穩(wěn)定傳輸?shù)膯栴}，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。

該方案為衛(wèi)星提供了性能穩(wěn)定可靠的回波模擬器控制效果，有助于靈活方便的對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和效果查看。該方案對(duì)于衛(wèi)星設(shè)備的遠(yuǎn)程操作提供了一個(gè)較為完善的解決方案。