趙宏方，章思嚴(yán)，夏成竹，劉 波

(1.重慶航天火箭電子技術(shù)有限公司,重慶 400039；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

在過去的幾十年里，我國(guó)航天事業(yè)取得了舉世矚目的成就，航天運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)屢創(chuàng)新高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來我國(guó)航天年發(fā)射次數(shù)高達(dá)幾十次。遙測(cè)傳輸碼率從2 Mbit/s、5 Mbit/s到10 Mbit/s，某型號(hào)甚至提出了50 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸要求，由20世紀(jì)八九十年代的兩三千個(gè)測(cè)量參數(shù)，到21世紀(jì)初的五六千個(gè)測(cè)量參數(shù)，目前測(cè)量參數(shù)的數(shù)量已經(jīng)破萬(wàn)[1]。參數(shù)類型也由原來的電量、壓力、振動(dòng)等簡(jiǎn)單低頻信號(hào)，向噪聲、沖擊、高精度動(dòng)態(tài)信號(hào)、高清圖像信號(hào)等大數(shù)據(jù)量測(cè)試參數(shù)的采集、傳輸轉(zhuǎn)變?？焖僭鲩L(zhǎng)的測(cè)量需求，特別是高清可視化測(cè)量要求的快速增長(zhǎng)對(duì)遙測(cè)傳輸速率提出了越來越高的要求。同時(shí)，伴隨測(cè)量需求的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的分布式測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)品越來越不能滿足型號(hào)海量的數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)需求和飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可靠獲取、自診斷能力的應(yīng)用要求，產(chǎn)品數(shù)量、種類急劇增多，系統(tǒng)復(fù)雜度和電纜網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度呈指數(shù)型增長(zhǎng)。

傳統(tǒng)遙測(cè)系統(tǒng)[2]隨著需求的不斷變化，其傳輸速率、體系結(jié)構(gòu)不靈活、無自診斷能力等問題已制約其應(yīng)用發(fā)展[3-4]。本文提出了一種基于VPX總線架構(gòu)的一體化綜合測(cè)量系統(tǒng),采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)集成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、變換設(shè)備、基帶設(shè)備等多個(gè)設(shè)備,將其以VPX背板的形式進(jìn)行集成化處理,替代傳統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)電纜網(wǎng)絡(luò),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成,滿足了型號(hào)海量的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)需求,有效保障了型號(hào)快速發(fā)射要求。同時(shí),該系統(tǒng)能夠通過更新模塊實(shí)現(xiàn)新一代遙測(cè)系統(tǒng)的替代升級(jí),滿足未來型號(hào)應(yīng)用需求。

1 測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)狀及產(chǎn)品架構(gòu)

圖1為簡(jiǎn)單的測(cè)量系統(tǒng)框架圖，測(cè)量系統(tǒng)完成整箭環(huán)境參數(shù)、指令等信號(hào)的采集和編碼，并形成串行數(shù)據(jù)PCM送發(fā)射機(jī)、天基測(cè)控終端和存儲(chǔ)器。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用分布式采集方式，采用RS422進(jìn)行通信，型號(hào)配套產(chǎn)品類型包括換流轉(zhuǎn)接器、配電器、指令變換器、中間裝置、圖像壓縮裝置、數(shù)據(jù)綜合器、分布式數(shù)據(jù)采集器、存儲(chǔ)器、S波段遙測(cè)發(fā)射機(jī)、Ka天基終端、安控指令接收機(jī)等設(shè)備。配電設(shè)備完成對(duì)各個(gè)設(shè)備的統(tǒng)一供電；換流轉(zhuǎn)接器完成一次母線到二次母線的供電和對(duì)傳感器供電；指令變換器完成起飛等各種指令的控制和變換采集；分布式采集設(shè)備完成傳感器等模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和編碼；中間裝置將各種模擬量、數(shù)字量等各種信號(hào)轉(zhuǎn)換為同步RS422數(shù)字量；圖像壓縮裝置完成圖像的壓縮編碼處理；控制系統(tǒng)的設(shè)備通過1553B或RS422與數(shù)據(jù)綜合設(shè)備進(jìn)行通信；各設(shè)備最終與數(shù)據(jù)綜合設(shè)備通過RS422接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和傳輸，數(shù)據(jù)綜合設(shè)備完成數(shù)據(jù)的編幀，并形成串行PCM數(shù)據(jù)流通過無線傳輸設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)下行傳輸。

圖1 傳統(tǒng)PCM遙測(cè)設(shè)備系統(tǒng)框圖

隨著火箭運(yùn)載能力的提升，測(cè)量系統(tǒng)采集的參數(shù)類型、種類急劇增加。以我國(guó)現(xiàn)役某型號(hào)運(yùn)載火箭為例，單機(jī)設(shè)備包括助推傳輸設(shè)備、芯一級(jí)傳輸設(shè)備、芯二級(jí)傳輸設(shè)備、芯三級(jí)傳輸設(shè)備，單機(jī)產(chǎn)品包括配電設(shè)備、指令變換器、圖像壓縮設(shè)備、遙測(cè)發(fā)射機(jī)，換流轉(zhuǎn)接器、助推數(shù)據(jù)綜合器、助推數(shù)據(jù)采編單元，采編單元、數(shù)據(jù)綜合器等產(chǎn)品，產(chǎn)品種類高達(dá)數(shù)十種，產(chǎn)品數(shù)量幾十臺(tái)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，該型火箭產(chǎn)品的架構(gòu)與圖1基本保持一致，只是由于火箭級(jí)數(shù)的增加進(jìn)行了純粹的數(shù)量疊加，火箭的每級(jí)產(chǎn)品種類和數(shù)量根據(jù)應(yīng)用需求配置不同，但各個(gè)單機(jī)的種類多數(shù)分為配電設(shè)備、換流轉(zhuǎn)接器、中間裝置(變換器)、指令變換器、圖像壓縮器、分布式采集設(shè)備(采編單元、助推數(shù)據(jù)綜合器、助推數(shù)據(jù)采編單元)、數(shù)據(jù)綜合器等。其中配電器完成設(shè)備的供電配置和控制，換流轉(zhuǎn)接器完成對(duì)各種傳感器的供電，中間裝置完成各種信號(hào)的變換，指令變換器完成指令信號(hào)的變換處理，圖像壓縮器完成數(shù)據(jù)的圖像數(shù)據(jù)采集，分布式采集設(shè)備完成各級(jí)模擬量、數(shù)字量信號(hào)采集，數(shù)據(jù)綜合器完成各種數(shù)字量采集并送給發(fā)射機(jī)、天基終端、存儲(chǔ)器等設(shè)備。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品數(shù)量多達(dá)幾十臺(tái)，系統(tǒng)電纜網(wǎng)數(shù)百千克，測(cè)量系統(tǒng)配套廠家?guī)资摇?/p>

以分布式采集設(shè)備為例，測(cè)控系統(tǒng)中提供采集數(shù)據(jù)的設(shè)備包括助推傳輸設(shè)備助推數(shù)據(jù)采編器、助推數(shù)據(jù)綜合器、一級(jí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、二級(jí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、芯一級(jí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和芯二級(jí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。其設(shè)備內(nèi)部大多采用自定義內(nèi)部并行總線，產(chǎn)品架構(gòu)如圖2所示。電源模塊完成對(duì)遙測(cè)單機(jī)設(shè)備供電，采集板1…采集板n完成對(duì)傳感器、數(shù)字量等信號(hào)的采集，控制板通過內(nèi)部總線完成對(duì)采集板的控制并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀。各個(gè)廠家對(duì)于總線的定義都不同，且隨著測(cè)量需求的不斷增長(zhǎng)，所需位寬持續(xù)增長(zhǎng)，信號(hào)頻率越來越高，從而帶來的封裝尺寸增加、信號(hào)線間的相互干擾增大等問題，且已成為制約遙測(cè)設(shè)備的一個(gè)瓶頸。特別是近年來設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、智能化趨勢(shì)越來越明顯，內(nèi)部總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)需求越來越多，再加上需要增加專門的BIT測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)加載等信號(hào)，傳統(tǒng)的自定義并行內(nèi)部總線越來越不能滿足型號(hào)的應(yīng)用需求。而配電器、圖像壓縮設(shè)備、指令變換器等設(shè)備大多也采用類似的自定義內(nèi)部總線架構(gòu)，這些產(chǎn)品的體積、大小又與采編器完全不同。

圖2 傳統(tǒng)遙測(cè)單機(jī)設(shè)備架構(gòu)示意圖

2 基于VPX的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為基于VPX的一體化綜合測(cè)控組合示意圖，通過對(duì)現(xiàn)有的功能單機(jī)進(jìn)行整合，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)綜合、數(shù)據(jù)接口、通信、控制、供電等功能進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)硬件資源的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化、功能的軟件化和集成化。在硬件上采用通用VPX板卡+定制化背板的一體化方案，對(duì)傳統(tǒng)各個(gè)獨(dú)立單機(jī)進(jìn)行通用化、模塊化、板卡化設(shè)計(jì)，模塊采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)和電氣接口，組合內(nèi)各模塊間通過高速背板總線進(jìn)行連接；取消各獨(dú)立單機(jī)的電源模塊，由組合內(nèi)的電源控制模塊通過背板進(jìn)行二次電源的統(tǒng)一供電和配電控制；功能模塊采用統(tǒng)一的I2C總線和自檢測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)加電自檢測(cè)功能，自檢測(cè)電路與主功能電路進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)智能化的自檢測(cè)。

圖3 基于VPX的一體化綜合測(cè)控組合

圖4為以某運(yùn)載型號(hào)為目標(biāo)進(jìn)行整合后的系統(tǒng)框圖，整機(jī)采用VXP總線，根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的需求和產(chǎn)品完成功能，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行劃分，功能模塊包括電源模塊、采集模塊、指令變換模塊、圖像壓縮模塊、S波段發(fā)射機(jī)模塊、安控模塊、存儲(chǔ)模塊等，組合之間采用RS422或網(wǎng)絡(luò)或FC-1553B。通過對(duì)多個(gè)單機(jī)的整合，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)到模塊的整合，減少了分布式的供電和單機(jī)數(shù)量；通過背板互聯(lián)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)設(shè)備間的電纜互聯(lián)。經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)復(fù)雜度減少30%以上，系統(tǒng)電纜網(wǎng)減重高達(dá)20%，單機(jī)數(shù)量減少50%以上。

圖4 基于VPX的一體化綜合測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)

一體化綜合測(cè)量系統(tǒng)采用VPX總線，VPX總線是新一代國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化串行總線，是對(duì)VME技術(shù)的自然進(jìn)化，它采用高速串行總線替代并行總線[5-7]，按照VITA46標(biāo)準(zhǔn)，定義了3U VPX背板和6U VPX背板的結(jié)構(gòu)和背板連接器及用戶IO，在6U模塊中VPX指定P0連接器為公用連接器, 用于功率傳輸、維護(hù)總線、測(cè)試總線等信號(hào), 指定P1至P6用于信號(hào)的傳輸；在3U模塊中的VPX P0連接器為公用連接器, 用于功率傳輸、 維護(hù)總線、 測(cè)試總線等信號(hào), 指定P1至P2用于信號(hào)的傳輸。無論是6U的P1至P6還是3U的P1和P2，其背板接插件可以通過自定義通用IO，其中常用的全差分可使用差分對(duì)，全單端接插件，P1共112引腳的差分信號(hào)連接器, 有40個(gè)地, 32 對(duì)差分對(duì)信號(hào), 8 個(gè)單端信號(hào)。P2, P3, P4, P5, P6既可作為差分連接分配也可作為單端連接分配。當(dāng)作為差分連接分配時(shí), 有40 個(gè)地, 32對(duì)差分對(duì)信號(hào), 8個(gè)單端信號(hào)；當(dāng)作為單端連接分配時(shí)有32個(gè)地, 80個(gè)單端信號(hào)。在差分模式,P3到P5中的一排留用于單端信號(hào)。P5 和P6可用于非兼容形式如光軸或同軸連接[7]。因此，可以借鑒和使用VPX總線完成對(duì)傳統(tǒng)自定義模式的并行數(shù)據(jù)總線，引入新的總線傳輸方式[8]，包括同步HDLC總線、MLVDS總線、以太網(wǎng)總線等。

基于VPX的一體化綜合測(cè)量系統(tǒng)適用于未來航天型號(hào)應(yīng)用，隨著測(cè)量參數(shù)的急劇增長(zhǎng)，采用傳統(tǒng)分布式的測(cè)量系統(tǒng)會(huì)帶來單機(jī)數(shù)量的急劇增長(zhǎng)和系統(tǒng)的復(fù)雜性[9]，通過基于VPX的一體化測(cè)量系統(tǒng)單機(jī)的整合，通過背板互聯(lián)可有效減少單機(jī)的種類和數(shù)量，且通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在不改變背板互聯(lián)的基礎(chǔ)上，可通過更換背板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)，將傳統(tǒng)的RS422接口變更為同步以太網(wǎng)TTE網(wǎng)絡(luò)或FC-1553B。同時(shí)，可將存儲(chǔ)器、安控指令接收機(jī)、S波段遙測(cè)發(fā)射機(jī)通過模塊化設(shè)計(jì)和整合，作為一體化綜合測(cè)控組合的模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的整合。

2.2 基于VPX總線的單機(jī)組合架構(gòu)

如圖5所示，基于VPX總線的一體化綜合測(cè)控組合單機(jī)采用3U VPX架構(gòu)和6UVPX架構(gòu)2種不同的物理結(jié)構(gòu)，用于滿足不同的型號(hào)應(yīng)用需求?？筛鶕?jù)用戶的應(yīng)用需求開發(fā)不同的模塊，其中電源模塊和RS422/網(wǎng)絡(luò)通信模塊是核心模塊，其他模塊可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選配，可包括傳感器采集模塊、指令采集模塊、圖像壓縮處理模塊、1553B模塊、RS422接口模塊、安控模塊、S波段發(fā)射模塊等，并且可通過后續(xù)將RS422/網(wǎng)絡(luò)通信模塊升級(jí)為FC-1553B模塊或TTE以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代。

圖5 基于VPX總線的單機(jī)架構(gòu)

各模塊的總線包括背板互聯(lián)總線和外部通信接口，VPX背板總線定義如表1所示，包括供電的供電總線，進(jìn)行自檢測(cè)功能的I2C總線，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)的HDLC總線、以太網(wǎng)總線。

表1 VPX背板總線定義

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

VPX單模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合VITA46，單板由載板(含接插件及定位銷)、機(jī)械框架(含起拔器)、蓋板、緊固條等組成。VPX單板采用5HP(25.4 mm)間距，外形尺寸為170 mm×100 mm×24.64 mm(3U示意圖，6U參考ANSI/VITA 46.0標(biāo)準(zhǔn))，正面元件最大高度為14.5 mm，背面元件最大高度為3.8 mm，如圖6所示。

圖6 模塊結(jié)構(gòu)

如圖7所示，PCB總面積為160 mm×100 mm，可布局區(qū)域?yàn)?40 mm×77 mm。差分信號(hào)線阻抗100 Ω(±10%)，差分信號(hào)對(duì)線長(zhǎng)差上限±10 mil，介質(zhì)材料FR4，介電常數(shù)4.0，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)加工工藝調(diào)整參數(shù)以滿足阻抗需求，不同差分對(duì)之間的距離不得小于25 mil(走線邊沿至邊沿，F(xiàn)R4@ε=4.0，介質(zhì)厚度10 mil)。

圖7 3U VPX外形圖及印制板圖

2.4 自檢測(cè)設(shè)計(jì)

VPX總線自定義了I2C總線，如圖8所示。每個(gè)模塊均有I2C自檢測(cè)電路，其中一個(gè)模塊作為主控模塊，其他模塊作為從模塊[10]。主控模塊通過背板互聯(lián)，通過I2C發(fā)送指令完成對(duì)各個(gè)模塊的通信和功能自檢測(cè)。自檢測(cè)供電采用3.3 V供電，由電源模塊單獨(dú)給出，各個(gè)模塊自檢測(cè)可統(tǒng)一元器件選型。單模塊自檢測(cè)采用芯片MSP430F5438A，配合以測(cè)溫傳感器集成電路ADT7410可以完成要求。自測(cè)試電路的主要測(cè)試內(nèi)容如表2所示。

圖8 自檢測(cè)電路框圖

表2 自測(cè)試內(nèi)容

3 結(jié)論

近年來，隨著遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的分布式測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)品越來越不能滿足型號(hào)海量數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)需求、型號(hào)快速應(yīng)用發(fā)射應(yīng)用需求和高可靠性質(zhì)量要求。本文提出了一種基于VPX總線架構(gòu)的一體化綜合測(cè)量系統(tǒng),采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)集成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、變換設(shè)備、基帶設(shè)備等多個(gè)設(shè)備,將其以VPX背板的形式進(jìn)行集成化處理,替代傳統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)電纜網(wǎng)絡(luò),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成,滿足了型號(hào)海量的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)需求,有效保障了型號(hào)快速發(fā)射要求。同時(shí),該系統(tǒng)能夠通過更新模塊實(shí)現(xiàn)新一代遙測(cè)系統(tǒng)的替代升級(jí),滿足未來型號(hào)應(yīng)用需求，對(duì)發(fā)展具有中國(guó)特色、滿足我國(guó)未來運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)具有極大的促進(jìn)作用。