鄧 輝，溫 瑞

(中國人民解放軍92853部隊，遼寧 興城 125109)

0 引言

近年來，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，航空遙測系統(tǒng)網(wǎng)絡化傳輸趨勢愈發(fā)明顯[1]。為實現(xiàn)多飛行目標和地面接收站之間建立高碼率、網(wǎng)絡化遙測傳輸鏈路，國內(nèi)相關(guān)單位進行了多種嘗試，基于COFDM調(diào)制方式的NETNode無線網(wǎng)格網(wǎng)IP電臺傳輸方案就是其中一種[2]。該方案由無線IP電臺搭建地面與飛行目標、飛行目標與飛行目標之間的無線數(shù)據(jù)鏈路通道，將一臺IP電臺作為一個目標節(jié)點，多個目標節(jié)點組合成一個自組織、自愈合的無線網(wǎng)。靈活的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使節(jié)點之間在同一頻率上以UDP組播方式進行點對點、點對多點交換數(shù)據(jù)，也可以通過節(jié)點中繼增加傳輸距離[3]。由于網(wǎng)內(nèi)IP電臺間以無線IP通信方式交換數(shù)據(jù)，同節(jié)點內(nèi)IP電臺與機載遙測信息采集編碼設備也通過TCP/IP有線通信方式交換數(shù)據(jù)包。因此需要專門設計基于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包輸出的遙測信息采集編碼設備，以滿足無線IP電臺網(wǎng)絡化傳輸需求[4]。該設備是在傳統(tǒng)PCM遙測采集編碼記錄設備基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設計完成的，不但能夠使編碼信息形成復合PCM數(shù)據(jù)流進行本地存儲，而且能夠組成IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包并通過RJ45網(wǎng)絡接口發(fā)送至IP電臺進行無線網(wǎng)絡化傳輸。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)設計

基于網(wǎng)絡輸出的遙測信息采集編碼器主要由硬件系統(tǒng)和嵌入軟件組成[5]。設備繼承了國內(nèi)機載遙測系統(tǒng)信息采集編碼器的部分設計成果，其中平顯視頻采集板、ARINC-429總線采集板、RS422總線采集板以及母板和電源板繼續(xù)使用了原型成果，只是在主控板基礎(chǔ)上增加IRIG-B AC時碼接收模塊和以太網(wǎng)輸出模塊，并對設備整體架構(gòu)進行了重新布板規(guī)劃[6]。設備布板主要包括平顯視頻采集板、ARINC-429總線采集板、RS422總線采集板、模擬量采集板(集成模擬量采集模塊和熱電偶采集模塊)、頻率量和離散量采集板、主控板(集成主控模塊、PCM編碼模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、以太網(wǎng)模塊以及IRIG-B AC時碼模塊等)、母板及電源板等板卡。設備機箱插板規(guī)劃示意如圖1所示。機箱采用后出線方式，所有操作、采集、輸出接口都設計在右側(cè)面板上，機箱正視圖如圖2，對外接口如表1所示。

圖1 設備機箱插板規(guī)劃

圖2 機箱正視圖

表1 機箱對外接口

序號標號對外功能接口1X1視頻信號采集接口2X2電源輸入接口3X3RS422、ARIN429、時碼、離散量等信號采集接口4X4模擬量、頻率量信號采集接口5X5數(shù)據(jù)下載輸出接口6X6PCM、100 M以太網(wǎng)輸出接口7X7熱電偶信號采集接口

1.2 主控板設計

設備主控板主要包括主控模塊、PCM編碼模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)下載模塊、IRIG-B AC時碼接收模塊、以太網(wǎng)輸出模塊等功能模塊。以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)輸出按照主控板PCM流的一個子幀為單位進行打包發(fā)送，其中一包數(shù)據(jù)為一般采集參數(shù)，另一包為視頻數(shù)據(jù)。主控板設計原理如圖3所示。

圖3 主控板設計原理

各模塊主要功能：

① 主控模塊負責對整個設備進行管理調(diào)度，通過LVDS總線和Local BUS總線管理各功能板卡，并為各采集功能板提供參考時鐘和全局同步脈沖信號；

② PCM編碼模塊實現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)按照PCM編碼格式編排及發(fā)送；

③ 數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)將所有采集數(shù)據(jù)按照一定的格式進行存儲，存儲容量可達4 G；

④ 數(shù)據(jù)下載模塊實現(xiàn)將存儲的數(shù)據(jù)通過專用通信接口下傳；

⑤ AC時碼接收模塊實現(xiàn)將AC時碼信號調(diào)理后進行解調(diào)，輸出秒脈沖信號和時碼參數(shù)；

⑥ 以太網(wǎng)輸出模塊使用FPGA內(nèi)部的高速通信收發(fā)器配合外部物理層電路實現(xiàn)10/100 Mbps的以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)通信。

1.3 模擬量采集板設計

模擬量采集板采用模塊化設計，主要包括電壓跟隨器、濾波電路、增益調(diào)節(jié)電路、通道選擇電路及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路等功能電路[7]，設計原理如圖4所示。

板卡前端為調(diào)理電路、后端為配置電路，主要實現(xiàn)對9路模擬量輸入信號進行濾波、幅值調(diào)節(jié)，使其滿足AD轉(zhuǎn)換芯片對輸入信號的要求，并通過FPGA完成各通道采樣率配置后，根據(jù)總線上的時序控制信號控制AD轉(zhuǎn)換芯片進行AD轉(zhuǎn)換，再將每次轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過總線傳送給主控板。

圖4 模擬量采集板設計原理

1.4 離散量和頻率量采集板

離散量和頻率量采集板由離散量采集模塊、SPI總線模塊(熱電偶信號采集)和頻率量采集模塊3部分組成。設計原理如圖5所示。

圖5 離散量和頻率量采集板設計原理

離散量采集模塊可對12路離散量信號實時采集，并將離散量數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式配置后通過總線傳送給主控板。SPI總線模塊采用ALTERA公司成熟的IP核設計SPI總線接口。

頻率量采集模塊由信號調(diào)理、信號濾波、信號放大及施密特觸發(fā)器等部分組成，可實現(xiàn)對4個通道頻率量信號的采集。

2 軟件設計

2.1 軟件組成及功能

設備軟件主要包括配置信息模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、以太網(wǎng)組包模塊及發(fā)送模塊、視頻板授時模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)下載模塊等功能模塊[8]。主要實現(xiàn)設備對外部信號進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包組包發(fā)送，并能及時對數(shù)據(jù)進行存儲記錄等功能。軟件同時還具有與數(shù)據(jù)下載裝置進行數(shù)據(jù)交互功能，能夠完成對記錄數(shù)據(jù)的下載、擦除等工作。

2.2 軟件工作流程

按照設備軟件工作內(nèi)容以及框架設計要求，主要分為系統(tǒng)初始化、工作模式選擇、數(shù)據(jù)采集模式及數(shù)據(jù)下載模式4步工作流程，如圖6所示。

圖6 軟件工作流程

軟件時序步驟如下：

① 系統(tǒng)上電；

② 配置信息模塊工作時，完成系統(tǒng)初始化(包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式讀取、設置、數(shù)據(jù)采集參數(shù)配置以及記錄數(shù)據(jù)存儲與管理更新等)；

③ 工作模式選擇時，完成系統(tǒng)工作模式選擇；

④ 數(shù)據(jù)采集模式工作時，完成數(shù)據(jù)采集、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)記錄等；

⑤ 數(shù)據(jù)下載模式工作時，完成與外部數(shù)據(jù)下載裝置的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)擦除等工作；

⑥ 數(shù)據(jù)采集工作模式選定并開始工作時，采集系統(tǒng)按照配置好的工作模式開始工作，工作過程中模式不可變。

2.3 數(shù)據(jù)包輸出及存儲格式

設備輸出的IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包以PCM流的一個子幀為單位進行組包，其中一包數(shù)據(jù)為一般采集參數(shù)，另一包為視頻數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)端口和視頻端口分別輸出。數(shù)據(jù)包格式定義如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)包格式定義圖

源端，目端：各占2 Byte，高字節(jié)表示類別編碼，低字節(jié)表示編碼。編號從1開始，依次編排。如2號機遙測采集編碼設備編碼高字節(jié)為001(0X65)，低字節(jié)為2(0X02)，其系統(tǒng)編碼為0X6502；

長度：長度字段指示了數(shù)據(jù)正文的字節(jié)數(shù)，為無符號整形，占2 Byte；

保留字：預留2 Byte的保留字，以后擴充；

信息分類：001(0X65)；

LABLE：信息標簽，0X13；

SN：序列號，1～65 535，每發(fā)送一個報文序列號加1，到65 535回到1；

RN：機載采集記錄設備編號；

FN：航空器號，4 Byte；

ST：飛行架次，整型數(shù)，2 Byte；

偏移量標記：當偏移量標記為1時，下面的PARi部分為視頻數(shù)據(jù)；

PARi：第i個參數(shù)，整型數(shù)，4 Byte，共80個參數(shù)，內(nèi)容為-999為無效數(shù)據(jù)；

T：發(fā)送網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的絕對時間：24 Byte，字符類型表示方式為：YYYY-MM-DD hh：mm：dd.ffff。

2.3 參數(shù)配置

參數(shù)配置文件是采集編碼設備賴以運行的依據(jù)，需要用戶在地面通過維護軟件對設備進行配置。配置文件要求設備與IP電臺、地面系統(tǒng)計算機等系統(tǒng)設備在同一IP網(wǎng)段下配置網(wǎng)絡參數(shù)，規(guī)劃相應的IP地址、組播地址及數(shù)據(jù)端口和視頻端口號。文件腳本在系統(tǒng)維護軟件“configfile”文件夾下的“tracknet.xml”文件中，通過編輯“net”節(jié)點設置完成。設備參數(shù)配置完成后，設備軟件會根據(jù)存儲的配置文件自動運行。

3 測試及結(jié)果分析

3.1 測試方法

信息采集編碼器設備通過采用機內(nèi)測試(BIT)和內(nèi)場綜合自動測試設備(IATE)相配合方法完成測試性設計。BIT可對設備機內(nèi)各板卡進行工作狀態(tài)檢測，并通過機箱上的狀態(tài)指示燈顯示[9]。由于僅僅依靠BIT無法檢測和隔離接口電路、電纜、導線以及連接器等器件故障，因此又配備了IATE以完成對設備功能、性能測試及故障診斷隔離。

IATE設備采用閉環(huán)測試方法完成測試過程，即將事先配置好的模擬信息源輸送給信息采集編碼器的同時，又接收以太網(wǎng)接口輸出的數(shù)據(jù)包信息，再利用軟件對接收的數(shù)據(jù)包信息進行分析和檢測，得出信息采集編碼器功能、性能測試結(jié)果；也可使用數(shù)據(jù)下載器下載信息采集編碼器存儲的PCM流數(shù)據(jù)信息，并通過IATE軟件對存儲數(shù)據(jù)信息與輸入模擬信息源信息進行比對分析，判斷信息采集編碼器是否有故障[10]。

3.2 測試結(jié)果及分析

3.2.1 單向傳輸速率測試

IATE設備分10組連續(xù)給信息采集編碼器輸送1 MB模擬信息源數(shù)據(jù)[11]，再通過IATE軟件檢測信息采集編碼器以太網(wǎng)接口和PCM下載接口的輸出速率和丟包情況，結(jié)果如下：

① PCM下載輸出接口碼速率為1 Mbps；

② 以太網(wǎng)輸出接口碼速率為15.35 Mbps；

③ 通過對網(wǎng)絡狀態(tài)進行故障診斷與分析發(fā)現(xiàn)，實時捕獲的10組數(shù)據(jù)包中網(wǎng)絡丟包小于0.01%。

3.2.2 功能及性能測試

通過IATE軟件對接收的2種數(shù)據(jù)包進行導入提取、轉(zhuǎn)換及解算處理等工作后，分離解析出了完整的以PCM流子幀為單位的編碼信息。模擬的信息量包括：

① 4路ARINC-429信息；② 4路RS422信息；③ 11路模擬量信息；④ 4路頻率量信息；⑤ 12路離散量信息；⑥ 1路平顯視頻信息；⑦ 1路IRIG-B AC時碼信息。

上述分離出的編碼信息檢測結(jié)果顯示：輸入的各路模擬信息源得到了正確采集，信息解碼恢復的模擬參數(shù)能夠反映飛機系統(tǒng)工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

信息采集編碼設備是無線電機載遙測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一[12]。為了適應遙測信息網(wǎng)絡化傳輸?shù)男枨?，在對傳統(tǒng)PCM遙測采集編碼設備進行優(yōu)化設計的基礎(chǔ)上，采用基于網(wǎng)絡輸出的信息采集編碼方案，實現(xiàn)了以PCM流一個子幀為單位進行組包發(fā)送的以太網(wǎng)格式，為遙測信息的高碼率、網(wǎng)絡化傳輸創(chuàng)造了條件[13]。在設備研制過程中發(fā)現(xiàn)，由于設備以太網(wǎng)輸出模塊內(nèi)嵌的高速通信收發(fā)器自帶的網(wǎng)絡協(xié)議棧(Vxworks Network Stack，VNS)單向網(wǎng)絡傳輸速率只能到達15 Mbps左右，滿足不了高采樣網(wǎng)絡速率的需求[14]。近年出現(xiàn)的網(wǎng)絡底層發(fā)包技術(shù)跳過了VNS的多層打包和多次數(shù)據(jù)復制緩存的過程，直接調(diào)用網(wǎng)絡芯片底層驅(qū)動將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，可以明顯的提高網(wǎng)絡傳輸速率[15]，解決了網(wǎng)絡采集系統(tǒng)的瓶頸問題。