一种多指令信号源遥测系统的设计与实现

张会新，张凤英，马　睿，崔丽杰(中北大学电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)



一种多指令信号源遥测系统的设计与实现

张会新*，张凤英，马睿，崔丽杰
(中北大学电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

摘要:为准确检测飞行器设备的工作状态，设计了一种能够提供多种指令信号源的遥测系统，以FPGA为中央控制单元，通过以太网接口与上位机进行通信，传输速率可达40 Mbit/s。根据通信协议，结合外围硬件电路，为飞行器测试提供所需参数。经试验表明，此系统产生带电指令信号幅值稳定，不带电指令响应精准。该系统可靠性高、扩展方便，具有很强的实用性。

关键词:电路;遥测系统; FPGA;以太网; W5300;指令信号

随着航天技术和飞行技术的快速发展，准确检测飞行器工作状态，有利于飞行器稳定地工作，是现代航天测控领域不可缺少的环节［1］。现有的飞行器测试设备，大多针对特定对象，其通用性差并且升级、扩展难度大［2－3］。本设计以远程实时、准确检测飞行器工作状态为目的，实现了基于以太网的多指令信号源遥测系统，为飞行器的监测提供了一种全新的手段。

1　原理设计

本设计以高精度、高可靠性为设计原则进行遥测系统的总体设计，系统主要包括以太网板卡模块、背板模块、指令板模块，设计框图如图1所示。设计采用XINLINX公司的XC2S200型FPGA进行各个模块的中央逻辑控制。系统上电进行整体复位，以太网板卡通过FPGA完成W5300芯片的初始化，并将W5300配置为UDP模式，接收上位机下发的数据并根据协议进行判断，若数据完整则传送给背板，否则舍弃;背板在接收到以太网板卡的完整数据后进行解析，提取有效信息，并根据设定的协议将数据打包、转发给指令板;指令板对接收到的数据进行判断，若有效则解包，并通过控制相应的寄存器发送命令，产生119路指令信号(其中91路带电指令，28路不带电指令)。

图1　原理设计框图

2　硬件电路设计

2．1总线通信硬件设计

传统的USB总线通信传输速率低，在工作过程中，USB接口易受干扰而通信异常，导致传输过程出现误码［4］。本设计采用以太网接口卡，实现上位机与遥测系统之间的指令下发和数据交换，有效解决了上述问题，满足项目快速远程测试需求［5］。

图2　以太网接口卡设计

以太网接口卡主要包括WizNet公司的以太网接口芯片W5300，以及一片XC2S200型FPGA，原理图如图2所示。在硬件电路设计时，采用隔离变压器T1－6T，对信号进行电平耦合和电气隔离，增强W5300芯片的抗干扰性，并起到防雷保护作用。设计采用72M外部晶振作为时间激励，通过外围硬件输入将W5300芯片的“BIT16EN”管脚置高，使其工作在16 bit数据接口模式。并将OP_MODE0～OP_ MODE2接地，使W5300芯片以全自动握手模式运行。

2．2指令信号电路设计

在对飞行器测试时，遥测系统产生的指令信号为飞行器提供点火、起飞及硬启动等命令，因此必须具备高可靠性和高灵敏度。指令信号包括带电指令开关信号(带电时间指令信号及带电触发指令信号)和不带电指令开关信号，常用的控制“开关”开断的器件有机械开关、光耦及继电器等，但机械开关实时性差并且容易磨损，而继电器控制开断时发热量高、容易产生电压损耗。本设计采用光耦芯片AQY210作为指令信号产生的“开关”器件，利用光电效应，实现电路的闭合或开断，工作过程中不会出现磨损并且实时性高［6］。

本设计由两块指令板卡作为所有指令信号实现的硬件基础［7］，指令板1的功能是产生55路带电指令信号(其中29路+28 V、4路+27 V、10路+15 V、12 路+5 V)，指令板2的功能是产生64路指令信号(其中15路－28 V、8路－15 V、8路－5 V、5路－3．3 V，以及28路不带电指令)。指令板卡的设计是本系统设计的关键技术之一，以最低的成本、最简单的电路结构，实现了多种指令信号产生的通用化模块，设计原理如图3所示，主要由差分接收器DS26C32、中控FPGA、光耦AQY210开断电路、及电压选择电路构成。在指令板卡上由FPGA直接控制光耦开关的开断，所产生的指令信号各项性能均满足项目需求。

图3　指令信号设计原理

指令板卡的电压选择电路如图4(a)所示。电压选择电路的设计使指令信号具有很强的灵活性，在实际应用时，此部分的电阻根据需求进行选择性焊接，实现V1、V2、V3、V4为不同电压，为带电指令提供所需电压值。

本设计在指令板卡的“开关”开断电路部分进行了复用设计，由光耦芯片AQY210及选择电阻6 R构成，如图4(b)所示。“IN1”为FPGA输出的开断控制信号，当FPGA输出“0”电平时，AQY210的第3、第4输出管脚不导通;当FPGA输出“1”电平时，驱动AQY210的第3、第4输出管脚导通，这样“OUT+”、“OUT－”就加载到输出端口上。选择电阻6 R实际是6个焊盘，根据项目需要，在选择电阻6 R的焊盘灵活焊接不同电阻，完成不同信号连接的通断。

图4　指令信号硬件实现

以输出+28 V带电触发指令的实现为例进行阐述:在电压选择电路，电路板焊接时“V1”的电气连接部分只焊接R64为0 Ω，R51、R60、R73均不焊接，使V1选通为+28 V;焊接电阻R67为0 Ω，使V1GND选通为28 V GND。只需将V1、V1GND引入“开关”开断电路，便实现了+28 V带电指令所需电压值的提供。在“开关”开断电路，电路板焊接时用0 Ω电阻将选择电阻6 R的5、6焊盘接通，则6 R的第5管脚为V1即+28 V，从而光耦芯片AQY210的第3管脚为+28 V，当FPGA控制“IN1”为高电平，触发将AQY210的第3、第4管脚导通，“OUT+”为+28 V。并用0 Ω电阻将6 R的2、3焊盘接通，使“OUT－”为28 V GND。“OUT+”“OUT－”直接连接到外部接口，实现+28 V带电指令输出。

3　软件设计

3．1总体逻辑设计

远程遥测系统的所有控制工作由上位机进行。本系统所需产生的指令信号数量较多，为确保遥测系统与上位机之间的通信稳定，设计了以太网与上位机之间的通信协议，如表1所示，每个命令包由24 bit构成，其中8 bit为寄存器地址信息，16 bit为命令字信息。以太网接口卡成功接收数据包后，在FPGA内部根据寄存器地址信息进行寻址，并对相应寄存器赋值，生成对应的命令。再根据与背板之间的通信协议将外部数据在FPGA内整合，传输到背板［8］。

表1　以太网卡与上位机之间通信协议

以太网板卡经背板向各功能板发送命令的过程中，为提高系统时序的可靠性，本设计为数据的发送、接收设计了统一的帧格式。每帧信号包含28 bit，如表2所示。在背板和指令板中，不同的寄存器对应不同功能，对不同的寄存器进行操作便代表了一定的命令。以太网板卡接收到上位机下发的完整数据后，存储到FPGA内部的寄存器，并根据命令包帧格式进行打包，由光口传输至背板，背板通过差分发送器DS26C31将数据传输到指令板卡。

表2　命令包帧格式

指令板接收到背板传输的数据后，根据帧格式进行判定、解析。通过FPGA将指令板卡的内部寄存器数值全部初始化为“0”，在上位机对寄存器进行写入时，内部寄存器刷新。若写入16进制数值“FFFF”则通过移位，使相应的FPGA端口输出高电平，触发光耦开关AQY210闭合，最终输出指令信号。

3．2以太网接收数据设计

上位机与以太网卡之间通信实现的关键，在于以太网芯片W5300的初始化以及如何正确配置。以太网控制逻辑设计如图5所示，远程遥测系统上电后整体复位，待复位完成进行W5300初始化:由FPGA控制W5300的“/RESET”管脚，将其拉低并维持17．05 μs，再置高并维持15．9 ms，完成对W5300芯片的复位。接着将ROM的配置信息赋给W5300。本设计将以太网设置为用户数据报UDP模式，容易实现握手，减小了对FPGA的负荷，并且传输速率高。通过FPGA设置端口号为“8000”，打开端口，并判断是否打开成功，若不成功则关闭端口，否则进入数据接收。数据接收时先对接收长度寄存器进行判断，若大于零则进行数据题头的接收(8 byte的题头包括:源端口号地址、源端口号、目的端口号、接收数据长度)，然后接收有效数据。

图5　以太网控制逻辑流程图

3．3指令板控制逻辑设计

指令板接收到由背板传输的有效数据后，根据表2所示的命令包帧格式进行解析，并对16 bit命令字判定，若出现“断开/闭合命令”则对相应寄存器的值更新，输出控制“开关”器件AQY210开断的“0/1”电平，流程图如图6所示。

图6　指令信号产生流程图

4　试验结果

为验证系统的实用性，对系统性能进行测试，图7所示为遥测系统上位机操作界面。

图7　上位机操作界面

在上位机操作界面点击“15Y”下“+5 V”的复选框，触发+5 V带电指令。在遥测系统的输出接插件上，用示波器测得指令信号波形如图8(a)所示，通过高精度万用表测量值为5．007 V。下发+28 V带电时间指令时，测得结果如图8(b)所示。试验表明，多种指令信号均满足设计需求。

图8　试验结果

5　结束语

本文以FPGA为中控单元采用以太网进行通信，完成了遥测系统的设计与实现，为飞行器测试设备的实现提供了全新的技术。经过对试验结果分析，该遥测系统所产生的多种指令信号输出准确，设备在使用过程中性能稳定，抗干扰性强，可广泛应用于航天测试系统。

参考文献:

［1］杨新春．某运载器遥测系统数字量变换器测试台设计与实现［D］．太原:中北大学，2010．

［2］朱旗，杜建军．国外军用电子自动测试系统发展综述［J］．电子测量技术，2008，31(8) : 1－3．

［3］林波涛，杨仁忠，陈志伟，等．宽带低噪遥感卫星模拟信号频综源技术研究［J］．传感技术学报，2009，22(12) : 1768－1773．

［4］范旭东，张会新，安震．基于PCI和FPGA的多路信号源设计［J］．计算机测量与控制，2013，21(11) : 3148－3149．

［5］汪昆，冯冬芹．基于FPGA的以太网物理层信号处理器的研究［J］．电子器件，2005，28(4)．

［6］裴向东．遥测设备地面测试平台标准化、模块化、产品化关键技术研究［D］．太原:中北大学，2013．

［7］黄江鹏，崔永俊．基于FPGA和AD5628多通道信号源的设计与实现［J］．电视技术，2014，38(5) : 62－65．

［8］王红亮，黄洋文．基于FPGA的可程控多路信号源设计［J］．火力与指挥控制，2010，35(6) : 97－99．

张会新(1980－)，男，汉族，黑龙江省人，讲师，现为北京航空航天大学在读博士，主要研究方向为动态测试技术与仪器，zhanghx@ nuc．edu．cn;

张凤英(1990－)，女，汉族，四川省人，现为中北大学在读硕士研究生，主要研究方向为自动测试与控制技术，zhangfengying2012@ 163．com。

Design and Implementation of Campus LBS System Based on Indoor-Outdoor Positioning

YU Rui，LU Nan*，ZHANG Haohao，ZHU Jingxian
(School of Electronic Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Abstract:This study addresses the dislocation of the current application software of the intelligent mobile phone location based service(Location Based Service，LBS)，a design solution of campus LBS system is introduced based on indoor-outdoor positioning．First，the architecture of the system is introduced．Then the key technologies such as Mobile GIS，GPS and the RSSI fingerprint positioning strategy in system design are analyzed elaborately．At last the function modules of system are tested and verified．Test results show that the system can realize some functions of terminal positioning，service based on indoor positioning，campus navigation，map service and so on．It occupies features of convenience，feasibility and practicality．

Key words:location based service; Android; indoor-outdoor positioning; mobile GIS

doi:EEACC: 6210L10．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．046

收稿日期:2014－04－29修改日期: 2014－06－12

中图分类号:TP393

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 02－0458－05