王洪凱，李 寶，葛 立，高 楓，李北國

一種模塊化可配置采編器的設計與實現(xiàn)

王洪凱，李 寶，葛 立，高 楓，李北國

（北京航天長征飛行器研究所 北京 100076）

針對飛行器被測信號種類和數(shù)量不斷增多帶來的遙測系統(tǒng)采編器多樣化、定制化的問題，設計并實現(xiàn)一種模塊化可配置采編器。采用模塊化設計理念，對采編器進行硬件和軟件模塊化設計，實現(xiàn)采編器各類需求間組合和裁剪的能力；通過可配置協(xié)議設計和可配置物理設計，實現(xiàn)采編器適配相應遙測系統(tǒng)需求的能力。經(jīng)過大量試驗驗證，采編器良好適配各類遙測系統(tǒng)需求，縮短設計周期，降低設計成本，具有較高的可靠性和工程應用價值。

遙測；采編器；模塊化；可配置

引 言

采編器作為飛行器遙測系統(tǒng)的核心組成部分，承擔著飛行試驗過程中各項指標參數(shù)的采集、編碼、組幀工作。隨著飛行器性能的不斷提升，系統(tǒng)復雜度的提高，工程師對其可靠性、安全性等關注增強，被測信號種類和數(shù)量不斷增多，遙測系統(tǒng)采編器的研制難度和復雜度隨之不斷提高[1]。這就導致了采編器的研制需求更加多樣化、定制化，不僅耗費大量設計時間，而且項目研制周期也隨之增加。因此，筆者在對多個遙測系統(tǒng)研制需求分析的基礎上，引入模塊化、可配置設計理念，采用軟硬件協(xié)同設計的方法，設計實現(xiàn)了一種模塊化可配置采編器，通過模塊的簡單組合和配置，即可滿足多個遙測系統(tǒng)需求，縮短了設計周期，降低了設計成本。

1 采編器簡介

飛行器遙測系統(tǒng)采編器功能一般如圖1所示，主要實現(xiàn)飛行器飛行過程中各類模擬信號、數(shù)字信號和其他信號的采集接收，并將接收數(shù)據(jù)按照協(xié)議格式編制成幀，然后通過特定的數(shù)字接口發(fā)送給存儲裝置或發(fā)射裝置。

因各類飛行器設計指標不同，遙測系統(tǒng)需求多樣，采編器的模擬量采集路數(shù)、數(shù)字量接收路數(shù)和格式、編制幀格式等均存在區(qū)別，這就導致采編器設計多樣化，研制定制化，耗費大量設計時間，增加了研制成本。本設計中，對采編器不同點進行了統(tǒng)籌分析，引入模塊化設計理念，對采編器功能進行了分解和重組，解決了不同采編器研制需求差異化帶來的多樣化、定制化問題；引入可配置設計思路，設計采編器通用幀結構和實現(xiàn)方式，解決了對特定遙測系統(tǒng)的適配性問題。

圖1 采編器功能

2 模塊化設計

基于采編器采集模擬信號、數(shù)字信號等信號的種類和數(shù)量，采集、編幀、發(fā)送功能，采編器上電后工作流程等的分析，為實現(xiàn)采編器的模塊化研制，本設計中對采編器進行了硬件模塊化設計和軟件模塊化設計。

2.1 硬件模塊化設計

根據(jù)硬件功能劃分，在硬件模塊化設計過程中，設計了抽屜式框架結構和功能相互獨立的基礎模塊，包括板間傳輸模塊、電源模塊、主控模塊；并研制了擴展性強的接口模塊，如模擬量采集模塊和數(shù)字量接口模塊等。模塊間相互獨立，并通過特定接口相連。采編器研制時，根據(jù)設計需求，在基礎模塊基礎上，通過組合不同的接口模塊，即可滿足采編器設計需求中的硬件需求。

2.1.1 抽屜式框架結構

抽屜式框架結構為構成采編器的結構部件，其包含抽屜結構和框架結構兩部分。其中，抽屜結構為各個模塊的外部結構，用于各個模塊電路板的安裝?？蚣芙Y構為采編器的外部結構，根據(jù)模塊使用需求，分為4~7個模塊四種，可分別安裝4~7個采用抽屜結構的模塊。

2.1.2 板間傳輸模塊

板間傳輸模塊用于實現(xiàn)模塊間信號傳輸?shù)墓δ?，采?8芯插座作為各個模塊間通信的物理介質。48路信號按照需求，分為供電信號、采樣時鐘、采樣控制信號、擴展通信信號等部分。

2.1.3 電源模塊

電源模塊功能如圖2所示，通過DC/DC（Direct Current/Direct Current）實現(xiàn)了飛行器系統(tǒng)28V供電到設備內部5V供電的轉換，并實現(xiàn)了設備與外系統(tǒng)供電的隔離。同時，為適應飛行器上嚴苛的電磁環(huán)境，該模塊中采用了多重濾波的設計。通過EMI（Electro Magnetic Interference）濾波、整流二極管和瞬態(tài)抑制二極管實現(xiàn)對輸入電壓的濾波，降低包含于輸入電壓中的高脈沖電壓對其它元器件造成的損害。同時，電源模塊中設計共模濾波器和差模濾波器，保證5V供電電壓的品質。

圖2 電源模塊功能

2.1.4 主控模塊

主控模塊為采編器工作過程中的核心模塊，具有控制和接收模擬量采集模塊的模擬量數(shù)據(jù)，接收數(shù)字量接口模塊數(shù)據(jù)，接收飛行器起飛信號，對接收數(shù)據(jù)編制成幀，以及通過LVDS（Low Voltage Differential Signaling）接口和隔離422接口輸出編幀后數(shù)據(jù)的功能，其功能如圖3所示。整個主控模塊的采集控制、編幀、接口輸出功能通過主控模塊的FPGA（Field Programmable Gate Array）實現(xiàn)。同時，主控模塊內置EEPROM（Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory），用于存儲采編器的相關配置信息。

圖3 主控模塊功能

2.1.5 模擬量采集模塊

模擬量采集模塊功能如圖4所示，內置接收運放、電壓基準、AD（Analog Digital）轉換等功能，可直接對模擬量進行采集，并以串行方式實現(xiàn)對當前采集數(shù)據(jù)的輸出。主控模塊通過板間傳輸模塊的SPI（Serial Peripheral Interface）接口進行單路模擬量的選擇。因飛行器需采集參數(shù)較多，故單個模塊設計為64路采樣。采編器可通過增加模擬量采集模塊的形式，實現(xiàn)最多192路模擬量的采樣。

圖4 模擬量采集模塊功能

2.1.6 數(shù)字量接口模塊

數(shù)字量接口模塊用于實現(xiàn)飛行器飛行狀態(tài)中有關數(shù)字量信號的采集，其功能如圖5所示。該模塊采用FPGA作為主控單元，并設計6個隔離422接口電路，能夠實現(xiàn)最多6路數(shù)字量數(shù)據(jù)的隔離接收。接收后的數(shù)據(jù)可通過模塊中FPGA進行預編幀，并通過板間傳輸模塊的SPI接口發(fā)送到主控模塊，以進行進一步的同步填充。同時，根據(jù)遙測所需采集數(shù)字量需求，該模塊可支持多個同時使用。

圖5 數(shù)字量接口模塊功能

2.2 軟件模塊化設計

根據(jù)采編器軟件功能劃分，結合采編器硬件模塊電路，本設計中基于主控模塊的FPGA，進行了相應的軟件模塊化設計，分別設計了頂層控制模塊、時鐘產生模塊、復位信號產生模塊、配置模塊、起飛信號模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、采集編幀模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。模塊之間功能和接口獨立，結合飛行器遙測系統(tǒng)需求，對相應模塊進行組合和調整，即可設計實現(xiàn)滿足需求的采編器。圖6為基于軟件模塊化設計后，適用某款飛行器遙測需求的采編器軟件結構。

3 可配置設計

模塊化設計為采編器通用性和可移植性奠定了基礎。為應對特定飛行試驗需求，實現(xiàn)采編器上電后自主識別工作模式，按照飛行試驗需求開展采集、編幀和數(shù)據(jù)輸出工作，本設計進一步開展了可配置設計，具體包括可配置協(xié)議設計和可配置物理設計。

圖6 采編器軟件結構

3.1 可配置協(xié)議設計

可配置協(xié)議設計基于以往采編器設計經(jīng)驗，統(tǒng)籌分析各類飛行試驗測量需求的指標，設計了適用于通用化采編器的可配置協(xié)議表，如圖7所示。

區(qū)域功能 第一部分采編幀結構的通道信息 第二部分采編幀結構的配置信息 第三部分采編器的接口信息

可配置協(xié)議表為固定長度的數(shù)據(jù)表，包含了采編器采集、編幀、發(fā)送的各類需求，可根據(jù)飛行試驗不同測量需求對協(xié)議表內容進行調整和配置。根據(jù)包含信息，可配置協(xié)議表劃分為三個部分：第一部分為采編幀結構的通道信息，按照編幀順序，依次列出各個采集通道的相關信息，包括數(shù)據(jù)挑路類型、數(shù)據(jù)類型、模擬通道選擇等。第二部分為采編幀結構的配置信息，包括采編幀結構的長度、采樣率、同步字等信息。第三部分為采編器的接口信息，包括采編器與外部接口交互式時所需的相關信息，包括接口使能、波特率、數(shù)據(jù)幀長度、同步字等。表中各類信息按照約定格式進行排列，以便于軟件中的配置模塊依次識別相應信息。

3.2 可配置物理設計

可配置物理設計作為可配置設計的物理實現(xiàn)形式，包括硬件設計和軟件設計兩個部分。

硬件設計主要在采編器主控模塊進行實現(xiàn)，利用EEPROM的數(shù)據(jù)掉電不丟失特性，通過在主控模塊設置EEPROM，實現(xiàn)了可配置協(xié)議表在采編器上的存儲；通過主控模塊FPGA，經(jīng)由I2C（Inter-Integrated Circuit）接口對EEPROM進行控制，實現(xiàn)了可配置協(xié)議表的寫入和讀取。

軟件設計主要實現(xiàn)基于FPGA的可配置協(xié)議表的寫入與讀出功能，包括協(xié)議表寫入軟件和協(xié)議表讀取軟件。協(xié)議表寫入軟件用于在采編器使用前，將包含飛行試驗測量需求信息的協(xié)議表寫入EEPROM，使得采編器工作所需的各類信息始終存儲于設備內部。協(xié)議表讀取軟件具體實現(xiàn)形式為圖6中所示配置模塊，作為采編控制FPGA軟件的組成部分，實現(xiàn)采編器上電后，讀取EEPROM上可配置協(xié)議表，并存儲于FPGA內部RAM（Random Access Memory）的過程。采編控制軟件通過不斷查詢RAM中可配置協(xié)議表內容，進一步識別試驗需求，實時進行數(shù)據(jù)采集、編幀和發(fā)送。

4 應用實例

針對某新型飛行器遙測系統(tǒng)100路模擬量、5路隔離數(shù)字量采集并混合編幀的需求，系統(tǒng)設計人員選用文中所述模塊化可配置采編器，僅進行了硬件模塊組合、軟件模塊選擇整合、幀結構到可配置協(xié)議表轉換及寫入三個步驟，就滿足了系統(tǒng)需求。其中，硬件模塊選擇6模塊抽屜結構，并配備板間傳輸模塊、電源模塊、主控模塊、數(shù)字量接口模塊和2個模擬量采集模塊。

相比傳統(tǒng)采編器研制依次經(jīng)歷硬件設計、軟件設計、軟硬件調試等耗時近3人月的過程，文中所述采編器的設計選用時間不足0.5人月，大大節(jié)省了設計時間。同時，本采編器因各個模塊多次應用驗證，其可靠性和環(huán)境適應性具有很大優(yōu)勢，生產試驗環(huán)節(jié)的時間和成本也相應減少。

5 結束語

本文針對飛行器遙測系統(tǒng)采編器多樣化、定制化的現(xiàn)狀，通過對多類遙測系統(tǒng)研制需求進行分析，引入模塊化、可配置設計理念，設計實現(xiàn)了一種模塊化可配置采編器。目前，該型采編器通過模塊化選型和軟件配置，已經(jīng)適配多個遙測系統(tǒng)需求，研制生產周期得到縮短，設計成本不斷降低。產品現(xiàn)已通過溫度循環(huán)試驗、高溫老煉試驗、振動試驗、電磁兼容試驗等環(huán)境試驗考核，并經(jīng)歷了多類飛行器十余次飛行試驗考核，產品工作正常，具有較高的可靠性和工程應用價值。

[1] 李圣昆, 羅振貴, 單彥虎, 等. 一種通用可編程多通道采集方法的設計與實現(xiàn)[J]. 火力與指揮控制, 2014, 39(5): 142–145. LI Shengkun, LUO Zhengui, SHAN Yanhu, et al. Design and implementation of a general programmable sampling method for multichannel acquisition system[J]. Fire Control & Command Control, 2014, 39(5): 142–145.

[2] 儲成君, 任勇峰, 劉東海, 等. 基于FPGA的多通道信號采集電路設計[J]. 科學技術與工程, 2013, 13(19): 5692–5695. CHU Chengjun, REN Yongfeng, LIU Donghai, et al. The design of multi-channel signal data acquisition circuit based on FPGA[J]. Science Technology and Engineering, 2013, 13(19): 5692–5695.

[3] 陳鵬名, 盧振洋, 劉嘉, 等. 基于FPGA的圖像與模擬信號同步采集系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2015, 38(19): 79–82. CHEN Pengming, LU Zhenyang, LIU Jia, et al. FPGA-based synchronous acquisition system of image and analog signal[J]. Modern Electronics Technique, 2015, 38(19): 79–82.

[4] 鄭可旺, 邢達波, 丁騰歡. 基于FPGA的網(wǎng)絡采集系統(tǒng)電壓采集模塊設計[J]. 中國科技信息, 2017(10): 75–77.

[5] 甄國涌, 郝曉鵬. 基于級聯(lián)模式的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]. 計算機應用, 2011, 26(2): 50–52. ZHEN Guoyong, HAO Xiaopeng. Design of multi-channel data acquisition system based on cascade model[J]. Automation & Instrumentation, 2011, 26(2): 50–52.

[6] 袁強, 焦新泉, 方煒, 等. 基于FPGA的多通道遙測采編器設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2015, 34(12): 97–100. YUAN Qiang, JIAO Xinquan, Fang Wei, et al. Design of multi-channel telemetry collector based on FPGA[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2015, 34(12): 97–100.

[7] 李圣昆, 孟青, 史玉健, 等. 基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采編器的研究與設計[J]. 計算機測量與控制, 2012, 20(11): 3104–3106. LI Shengkun, MENG Qing, SHI Yujian, et al. Study and design of high-speed data acquisition based on FPGA[J]. Computer Measurement & Control, 2012, 20(11): 3104–3106.

Design and implementation of a configurable sample-encoder based on modularity method

WANG Hongkai, LI Bao, GE Li, GAO Feng, LI Beiguo

（Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China）

With the development of space vehicle, the demands of telemetric signal have increased in variety and quantity. The sample-encoder, the key device in telemetry system, becomes application specific and implementation complex. In order to solve this problem, a configurable sample-encoder based on modularity method is designed and implemented. Firmware and hardware have been redesigned using modularity method to make it composable and decomposable. A configurable protocol and a practical plan are made to adapt for every particular telemetry system. As a consequence, numerous tests show that this sample-encoder is well applied to several telemetry systems reliably and its design cycle and costs have been reduced considerably, the application prospect of this device can be attractive.

Telemetry; Sample-encoder; Modularization; Configurable

TP23

A

CN11-1780(2019)05-0068-05

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-05-14

2019-09-11

王洪凱 1990年生，碩士，工程師，主要研究方向為遙測系統(tǒng)設計。

李 寶 1983年生，碩士，高級工程師，研究室副主任，研究方向為遙測系統(tǒng)設計。

葛 立 1985年生，碩士，工程師，研究方向為遙測產品設計。

高 楓 1972年生，碩士，高級工程師，研究方向為遙測產品設計。

李北國 1986年生，碩士，高級工程師，研究方向為遙測系統(tǒng)設計。