吳侃侃，朱振華，2，魏曉陽，陳德相，顏俊菁

(1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201108；2.東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211189)

航天器電子系統(tǒng)趨向集成化、一體化設(shè)計(jì)［1］，產(chǎn)品間數(shù)據(jù)交互多，信息關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，接口交互復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品測(cè)試設(shè)備和系統(tǒng)聯(lián)試設(shè)備的可用性、易用性、便攜性和可靠性提出了更高的要求。其中，衛(wèi)星遙控設(shè)備負(fù)責(zé)接收遙控命令并轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星其他設(shè)備或者直接輸出驅(qū)動(dòng)控制，與星上各分系統(tǒng)以及地面測(cè)控系統(tǒng)均有接口關(guān)系，是星地、星內(nèi)信息交互的核心產(chǎn)品。在遙控設(shè)備產(chǎn)品測(cè)試，以及參加各類型對(duì)接試驗(yàn)時(shí)［2］，均需一套功能強(qiáng)大且簡便易攜的集成化測(cè)試設(shè)備支撐。

地面測(cè)試設(shè)備通常分為專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試設(shè)備。專用測(cè)試設(shè)備針對(duì)特定需求獨(dú)立開發(fā)，實(shí)用性強(qiáng)，但通用性弱，易造成資源浪費(fèi)。隨著 VXI、PXI、VPX等總線技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列基于標(biāo)準(zhǔn)接口的通用板卡［3］，每一類通用板卡提供了數(shù)量眾多的單一接口。通過對(duì)各類型板卡的組合集成和二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備的通用化，在航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［4-5］。但是這種基于標(biāo)準(zhǔn)接口的通用化方式，需要大量板卡配合使用，靈活性較差，閑置資源較多，成本高昂。

文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］在兼顧測(cè)試設(shè)備的實(shí)用性和通用性方面做了一些有益的探索。文獻(xiàn)［6］通過對(duì)原有專用設(shè)備進(jìn)行綜合化、集成化改造，合并冗余鏈路，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)小型化和通用化。文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］提出柔性測(cè)試系統(tǒng)的概念，通過總線互聯(lián)和可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備依據(jù)測(cè)試要求進(jìn)行靈活重組，以適應(yīng)測(cè)試環(huán)境和任務(wù)。文獻(xiàn)［7］提出通用化、綜合化研制思路，滿足彈箭載安全指令接收機(jī)全周期研制過程的全覆蓋測(cè)試需求。

本文主要著眼于測(cè)試對(duì)象，即衛(wèi)星遙控設(shè)備，系統(tǒng)性地梳理各衛(wèi)星型號(hào)遙控設(shè)備的不同接口類型和測(cè)試需求，通過對(duì)遙控設(shè)備測(cè)試需求的歸一化，引導(dǎo)遙控測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)過綜合分析設(shè)計(jì)后，將現(xiàn)有遙控測(cè)試功能集成于單一3U板卡中，在兼顧實(shí)用性和通用化的同時(shí)，無需進(jìn)行復(fù)雜的配置和二次開發(fā)，滿足各種測(cè)試試驗(yàn)使用要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

衛(wèi)星遙控設(shè)備接收地面發(fā)出的遙控命令或者接收星上計(jì)算機(jī)發(fā)出的自主程控命令，直接驅(qū)動(dòng)輸出指令脈沖，或者輸出串行遙控?cái)?shù)據(jù)到遠(yuǎn)置單元，由遠(yuǎn)置單元進(jìn)行遙控?cái)?shù)據(jù)解析并驅(qū)動(dòng)輸出指令脈沖。衛(wèi)星常用的指令驅(qū)動(dòng)電路為集電極開路門(Open Collector，OC)指令驅(qū)動(dòng)和射隨指令驅(qū)動(dòng)，串行遙控?cái)?shù)據(jù)接口一般采用門控、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)三線制同步RS422電路或OC門電路。為了提高產(chǎn)品可靠性，星上遙控設(shè)備通常為主備機(jī)熱冗余設(shè)計(jì)，也就是串行遙控?cái)?shù)據(jù)會(huì)由遙控設(shè)備的主機(jī)和備機(jī)同時(shí)獨(dú)立輸出。綜上，遙控功能測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：

①接收檢測(cè)OC指令和射隨指令脈沖，輸出脈沖地址識(shí)別、脈沖寬度、脈沖幅度等檢測(cè)信息；

②具備同時(shí)檢測(cè)兩路指令脈沖的能力；

③接收RS422和OC門串行遙控?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)要求可比較分析遙控設(shè)備主機(jī)和備機(jī)輸出的串行遙控?cái)?shù)據(jù)一致性；

④根據(jù)接收的遙控?cái)?shù)據(jù)解析譯碼結(jié)果，可驅(qū)動(dòng)輸出OC指令和射隨指令，并檢測(cè)輸出指令的正確性。

測(cè)試系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 遙控功能測(cè)試指標(biāo)要求

遙控功能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。OC指令和射隨指令分別經(jīng)過分壓電路后由FPGA進(jìn)行有效電平的地址識(shí)別，根據(jù)脈沖地址控制多路開關(guān)電路選通有效脈沖，由A/D電路進(jìn)行量化采集脈沖電平幅度，同時(shí)對(duì)電平寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)。

通過RS422和OC門接口電路接收遙控?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)主備機(jī)數(shù)據(jù)一致性比對(duì)后進(jìn)行譯碼，若譯碼正確則輸出地址和控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)輸出OC指令脈沖或射隨指令脈沖。輸出的執(zhí)行脈沖同時(shí)經(jīng)過脈沖反測(cè)電路輸入FPGA，檢測(cè)出執(zhí)行脈沖的地址和脈寬。

圖1 遙控功能測(cè)試系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)題指令脈沖分壓電路

OC指令為負(fù)脈沖控制，正端+28 V上拉電壓由測(cè)試設(shè)備提供，無指令驅(qū)動(dòng)時(shí)信號(hào)為高電平，有指令時(shí)為低電平。射隨指令為+10 V正脈沖控制，無指令時(shí)信號(hào)為低電平，有指令時(shí)為高電平。OC指令和射隨指令分別通過電阻分壓到0～5 V后，輸出至多路開關(guān)電路進(jìn)行選通和A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)指令經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVC164245隔離后輸入FPGA進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。

2.2 多路開關(guān)電路

多路開關(guān)電路采用兩級(jí)選通方式，如圖2所示。第一級(jí)由4個(gè)32選1選通開關(guān)ADG732組成，完成共計(jì)128路指令的選通，輸出4路脈沖；第二級(jí)由1個(gè)4選1選通開關(guān)ADG704組成，最終輸出有效指令脈沖進(jìn)行A/D采集。

多路開關(guān)ADG732和ADG704的選通地址由FPGA控制。輸入FPGA的指令脈沖IO口與選通地址一一映射，當(dāng)FPGA檢測(cè)到指令脈沖時(shí)，通過映射表選通相應(yīng)的開關(guān)地址。

圖2 多路開關(guān)電路示意圖

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

測(cè)試系統(tǒng)對(duì)A/D器件的采集速率、精度等并無特殊要求，選用16位分辨率的AD7686即可滿足。逐次逼近型A/D的輸入阻抗一般較低，雖然AD7686易于驅(qū)動(dòng)，但為避免對(duì)信號(hào)的影響，在A/D采樣前加一級(jí)射隨，如圖3所示。AD7686配置為三線式無繁忙指示模式，周期性采集數(shù)據(jù)，電壓采集范圍為0～5 V，可以滿足0.02 V的檢測(cè)精度要求。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.4 串行通信電路

提供RS422和OC門兩類串行遙控?cái)?shù)據(jù)通信接口。RS422接口電路接收端采用AM26C32芯片，如圖4所示。OC門接口電路采用+5 V和5.1 kΩ上拉，如圖5所示。

2.5 指令驅(qū)動(dòng)與反測(cè)電路

OC指令驅(qū)動(dòng)選用LB8163雙冗余譯碼輸出驅(qū)動(dòng)器，射隨驅(qū)動(dòng)電路選用BH2003型4線—16線譯碼器，分別如圖6和圖7所示。LB8163具有16路輸出驅(qū)動(dòng)能力，輸入電平可與TTL或CMOS電路相匹配，輸入阻抗高，輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，每路輸出端最大吸收電流可達(dá)200 mA。

圖4 RS422接收電路

圖5 OC門數(shù)據(jù)接收電路

FPGA根據(jù)遙控譯碼結(jié)果控制LB8163和BH003的輸入端和控制端，驅(qū)動(dòng)指令脈沖輸出。為加強(qiáng)設(shè)計(jì)可靠性和健壯性，F(xiàn)PGA輸出的控制信號(hào)經(jīng)過電流驅(qū)動(dòng)電路和電平轉(zhuǎn)換電路后輸入LB8163和BH2003芯片，使信號(hào)單向隔離，并有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

指令反測(cè)電路與指令脈沖分壓電路類似，只需在驅(qū)動(dòng)線上加一個(gè)反向隔離二極管，防止指令接收端電壓倒灌反測(cè)電路。

圖7 射隨指令驅(qū)動(dòng)電路

3 FPGA設(shè)計(jì)

FPGA芯片選用Xilinx公司的XC4VLX100，VHDL編程語言，主頻10 MHz。

衛(wèi)星遙控功能測(cè)試FPGA設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

圖8 遙控功能測(cè)試FPGA設(shè)計(jì)框圖

3.1 脈沖檢測(cè)

脈沖檢測(cè)模塊檢測(cè)有效的輸入脈沖，將1路或者2路有效脈沖地址多路選通開關(guān)控制模塊地址映射后控制ADG732和ADG704選通。由A/D采樣模塊完成有效脈沖電壓幅度的A/D量化。

為了適應(yīng)地面上行遙控指令和衛(wèi)星自主程控指令同時(shí)檢測(cè)的要求，對(duì)于輸入的128路脈沖，需要選擇其中有效的2路脈沖(a、b)，輸出有效脈沖的信號(hào)和地址。

如果單脈沖輸入，則a路有效輸出；如果兩脈沖沖突輸入，則首先a路有效輸出，檢測(cè)到第二路脈沖輸入時(shí)，b路有效輸出。模塊能夠適應(yīng)單脈沖輸入和兩脈沖同時(shí)輸入，通過沖突標(biāo)志表征不同的類型，如表2所示。

表2 脈沖沖突標(biāo)志和意義

根據(jù)表2的沖突類型定義，圖9為輸入2路沖突脈沖后的檢測(cè)仿真，a路標(biāo)記為100，b路標(biāo)記為111。

圖9 脈沖沖突輸入仿真

有效脈沖地址編碼格式采用7-bit格雷碼表示，低5位為第一級(jí)多路開關(guān)選通脈沖地址，高2位為第二級(jí)多路開關(guān)選通脈沖地址。

脈沖信息綜合模塊完成有效脈沖的信息收集和組包，如表3所列。

表3 指令脈沖檢測(cè)信息

3.2 遙控?cái)?shù)據(jù)接收解析

串行遙控?cái)?shù)據(jù)采用三線制傳輸，門控、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系如圖10所示，發(fā)送端在時(shí)鐘上升沿置數(shù)，接收端在時(shí)鐘下降沿取數(shù)。

圖10 串行遙控?cái)?shù)據(jù)接口時(shí)序

當(dāng)星上遙控設(shè)備同一通道輸入的主、備兩路數(shù)據(jù)中有一路數(shù)據(jù)有效后，在T時(shí)間內(nèi)，如果：

在收到一路數(shù)據(jù)后，如果在T時(shí)間內(nèi)還沒有收到另一路遙控?cái)?shù)據(jù)，則認(rèn)為此次只輸入一路數(shù)據(jù)，如圖11(d)仿真所示。

T的取值要綜合考慮輸入數(shù)據(jù)速率、輸入數(shù)據(jù)的時(shí)間差、外部電路響應(yīng)時(shí)間等因素。

如果先后有兩路數(shù)據(jù)輸入且時(shí)間差大于T，則認(rèn)為兩路數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，按輸入時(shí)間先后串行處理。

圖11 遙控?cái)?shù)據(jù)接收處理仿真

3.3 指令譯碼和反測(cè)

對(duì)經(jīng)過合法性檢查的遙控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，根據(jù)譯碼結(jié)果輸出信號(hào)控制LB8163和BH2003芯片的地址端和控制端，脈沖寬度可調(diào)節(jié)。

測(cè)試設(shè)備輸出的指令脈沖直接驅(qū)動(dòng)星上產(chǎn)品，為了確保輸出脈沖正確有效，設(shè)計(jì)了執(zhí)行脈沖反測(cè)功能，主要用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輸出的執(zhí)行脈沖，并將檢測(cè)信息上報(bào)。

執(zhí)行脈沖反測(cè)模塊還具有譯碼反饋功能，即如果回檢的執(zhí)行脈沖地址和譯碼后的輸出驅(qū)動(dòng)地址不一致，則立即生成禁止信號(hào)。譯碼驅(qū)動(dòng)模塊一旦收到禁止信號(hào)，對(duì)驅(qū)動(dòng)輸出部分復(fù)位清零。通過該設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提高指令安全性。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本文提出的綜合集成化遙控測(cè)試系統(tǒng)具備遙控串行數(shù)據(jù)接收解析和指令脈沖檢測(cè)功能，基本覆蓋現(xiàn)有衛(wèi)星遙控類產(chǎn)品的測(cè)試需求。測(cè)試板卡可單獨(dú)使用，也可集成到其他測(cè)試系統(tǒng)中綜合使用。圖12為遙控測(cè)試板卡集成到某型號(hào)測(cè)控對(duì)接設(shè)備產(chǎn)品中參與星地測(cè)控對(duì)接試驗(yàn)，圖13為上位機(jī)的遙控測(cè)試信息顯示界面。

圖12 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物

圖13 測(cè)試軟件界面

5 結(jié)束語

通過衛(wèi)星遙控設(shè)備的設(shè)計(jì)統(tǒng)型，梳理遙控功能相關(guān)的測(cè)試接口，包括指令檢測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)接收、指令驅(qū)動(dòng)，并將測(cè)試接口集成于單一板卡，相比傳統(tǒng)的專用測(cè)試設(shè)備提高了通用性，相比基于標(biāo)準(zhǔn)接口板卡的通用化測(cè)試設(shè)備有更好的靈活性和資源利用率。

本文提出的遙控測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，可單獨(dú)用于遙控產(chǎn)品的測(cè)試試驗(yàn)，也可以將其集成到其他測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中，構(gòu)成更為復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，如衛(wèi)星模擬器、衛(wèi)星綜合測(cè)試系統(tǒng)等。遙控測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)過長時(shí)間的老練考核，并多次應(yīng)用于產(chǎn)品測(cè)試、外場(chǎng)測(cè)控對(duì)接試驗(yàn)等，功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試可信度高，獲得顯著成效。