基于以太网通信的脉冲变换器测试系统设计*

李建军，沈三民，龙光捷，赵俊江

（1.四川航天燎原科技有限公司，成都 610000；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051）

0 引言

近年来，随着航天飞行器任务增多，遥测设备可靠和稳定运行显得越来越重要。脉冲变换器作为航天飞行器性能评定及故障分析的重要设备，其可靠性关系到飞行器研发设计的改进。为了提高遥测设备的检测性能，特研发了针对变换器性能测试的产品。测试台作为遥测设备变换器的配套专用设备，模拟飞行器上的一些重要参数，配合地面遥测系统的测试，应具有抗干扰能力强、运行稳定度高的特点[1]。

本测试系统不仅为变换器提供各路信号源，还接收变换器回传的工况信息，简单可靠地实现对变换器的检测和数据采集功能。W5300作为测试系统同上位机通信的核心器件，完成嵌入式计算机指令的下发和数据的上传，不仅提高了通信的传输速率，还避免数据传输的不稳定性。信号源编码的灵活性和以太网高速长距离通信优势，使整个测试系统能稳定而高效运行。

1 总体设计

1.1 功能指标

脉冲变换器测试系统需要满足以下测试指标要求：1）测试系统具有自检功能；2）为脉冲变换器提供25 V～31 V的直流电源，配合电压拉偏试验；3）模拟控制系统为变换器X1提供6路脉冲宽度为1 us～5 us，幅度为8 V～12 V，频率范围1 kHz～4 kHz可调的平台加表脉冲信号，同时为变换器X2提供12路脉宽3 us，幅度均为5 V，频率范围1 kHz～128 kHz可选的加速度表脉冲和陀螺脉冲信号；4）为脉冲变换器提供起飞清零信号、帧同步信号、移位脉冲信号，电平均为5 V，并接受脉冲变换器返回的脉冲数实测值；5）上位机具备对数据实时显示和存储功能。

1.2 方案设计

根据功能指标，测试系统选用嵌入式计算机，将通信模块、控制功能模块，供电模块以及计算机存储显示设备集成于一个装置，实现了一体化，便于功能调试和产品运输。背板通信模块采用具有网络通信协议的W5300芯片，外围电路配置简单，易于实现同FPGA的数据通信。为了提升测试系统的通用性，基于软件化的思想，上位机完成各路信号源编码。根据数据收发通信协议，对W5300寄存器进行读写和功能配置[2]。当W5300处于接收模式时，FPGA对上位机指令进行解析，产生频率和宽度可调的脉冲信号，通过硬件电路实现电压转换，得到符合设计指标的多路信号源，完成对变换器的功能检测。测试系统不仅为变换器提供模拟信号源，同时接收变换器回传的群信号。群信号采用PCM格式，为了保证串行通信数据的同步，FPGA将帧同步和移位脉冲信号发送至变换器，通过同步信号来准确接收变换器返回的实测数据。W5300处于发送模式时，将数据上传到上位机，实时显示变换器返回的工作状况数据。嵌入式计算机作为整个系统控制中心，通过以太网传输指令，控制功能板与脉冲变换器的数据交互。W5300和功能板FPGA数据传输采用RS422总线，以太网传输速率为11 MB/s，RS422总线速率为100 kb/s。为了保证异步数据稳定传输，W5300和FPGA中间通过两个FIFO来缓存数据，FIFO1缓存下传的中转命令，FIFO2缓存上传的回读数据[3]。图1为脉冲变换器测试系统的总体结构框图。

图1 系统总体结构框图

2 系统硬件设计

2.1 W5300硬件电路设计

系统采用以太网协议芯片W5300来进行上位机和主控设备FPGA的通信。硬件接口电路如下页图2所示。将引脚OP_MODE[2：0]和 TEST_MODE[3∶0]都配置为接地，使W5300工作在内部PHY模式和全功能自动握手的运行模式[4]。BIT16EN为数据总线选择端口，FPGA对W5300软件复位时将其置于高电平，选择为16位数据总线模式。外围电路中D1、D2、D3、D4为网络传输状态指示灯，分别代表接收数据指示、连接速度指示、传输数据指示和网络连接指示。将模式寄存器MR端口的最低位置0，使W5300配置为直接地址模式，可以获得更高的数据访问速度。在内部PHY模式下，为了数据可靠传输，差分对信号接收RXIP/RXIN和差分对信号发送TXOP/TXON上外接两个50Ω终端电阻和一个0.1 uf的电容。25 MHz的无源晶振经过6倍频建立150 MHz的时钟信号，用于TCP/IP内核、主机接口管理和寄存器管理的运行[5]。W5300和RJ45网口中间增添了网络隔离变压器，除了满足差分信号的传输，还可以用于信号电平的耦合，减少数据丢包现象发生，从硬件上保证通信的可靠稳定性。

2.2 平台加表脉冲信号源设计

图2 W5300硬件电路图

根据功能指标要求，测试台为脉冲变换器提供6路平台加表脉冲信号。由于FPGA输出电平最高为3.3 V，需要外接电压放大电路。选用了68 MHz的晶振，通过FPGA对上位机的指令解析，产生高精度频率可调脉冲信号。为了适配脉冲变换器信号源接口，采用变压器和三极管进行电压放大，电路如图3所示。变压器PT111109线圈匝数比为1∶1，R5为限流电阻，使三极管的功耗降低，还能在无正向偏置电压时，保证三极管基极的电压为零，避免受外部干扰而导通。二极管D1起到续流作用，将变压器上的反向电势释放，保护三极管的集电极。3.3 V方波从FPGA输出到端口B1，高低电平使三极管3DK104的导通或截止。平台加表脉冲信号由变压器BO1端输出。

图3 平台加表脉冲信号源设计

2.3 加速度表脉冲和陀螺脉冲信号源设计

6路加速度表脉冲和6路速率陀螺脉冲信号指标参数都一样，所以采用相同的接口电路。FPGA接收到上位机发送的帧数据包，对其进行解析，产生频率和脉宽可调的信号。信号输出端选用TI公司芯片SN54LS06，实现3.3V的电平转换为5V电平[6]。芯片输出端为OC门，需接上拉电阻。6路信号经22 Ω的排阻连接到SN54LS06的输入端，根据测试要求在输出端串接了82Ω的保护电阻，电路如下页图4所示。

3 系统逻辑设计

3.1 勤务信号时序设计

图4 加速度和陀螺脉冲信号源设计

勤务信号包括帧同步信号和移位脉冲信号。FPGA在系统上电复位稳定后，开始自动循环发送脉宽25 us、周期为25 ms帧同步信号。变换器接收到帧同步信号后，在同步信号上升沿时刻，发送请求脉冲给测试系统[7]。测试系统在同步脉冲下降沿，延时200 us，产生速率为25.6 kHz的移位脉冲信号作用于变换器。上位机指令经通信模块传递到FPGA内部寄存器，主控单元FPGA以串行通信方式读取寄存器的指令，解析后产生同步信号。同步信号作为脉冲变换器返回实测数据的时序基准信号，每个移位脉冲的上升沿接收一位实测数据。一个帧同步信号周期，对应18个波道的移位脉冲信号。所以在一个帧同步周期内，测试系统接收到18个字节的实测数据。勤务信号的时序如图5所示。

图5 勤务信号时序设计图

3.2 W5300软件设计

通信模块软件设计包括W5300初始化、端口初始化、接收数据和发送数据过程。W5300初始化完成后，采用UDP数据报文协议打开端口socket1，开始数据传输。数据接收过程采取查询的方式，FPGA作为W5300的控制端，按一定的时间读取socket1接收数据字节长度寄存器S1_RX_RSR的值，大于0则表明W5300的RX接收存储器里有一个或多个上位机发送过来的数据包。数据的接收必须按数据包里的字节单元进行处理，FPGA不能直接访问内部RX存储器，只能通过接收缓存寄存器S1_RX_FIFOR来读取内部RX存储器的数据。当读取有效数据长度等于包信息中数据包长度值时，表示接收完成，即向命令寄存器S1_CMR写入接收命令：0X0040，告知W5300关闭接收端口。

W5300数据发送过程即是回读群信号上传的过程。发送数据时，需先设置发送端的IP和端口号，将待发送的数据通过发送缓存寄存器S1_TX_FIFOR写入到内部TX发送存储器，然后将发送数据字节值写入到发送数据字节长度寄存器S1_TX_WRSR，命令寄存器 S1_CR＜=0x0020，启动发送命令[8]。如果S1_TX_WRSR大于最大分片字节数MTU，W5300会自动将数据裁剪为MTU单元处理，重新发送裁分的数据。在发送下一包数据前，先确认上一包数据是否发送完毕。当中断寄存器S1_IR（TIMEOUT）等于1时，数据传输产生了ARP超时，发送失败；当中断寄存器S1_IR（SENDOK）为1时，表示发送执行完毕。W5300数据发送过程和接收过程软件设计流程如图6所示。

图6 W5300软件设计流程

4 系统测试与验证

4.1 通信模块测试

为了满足测试的灵活通用性，上位机根据功能指标完成各路信号源地址、频率、幅度以及脉冲个数的编码[9]。W5300数据通信采用UDP协议，因此，使用UDP调试助手测试通信模块的功能。网络连接成功后，上位机指令由通信模块下载到FPGA寄存器中。数据发送区，第1行数据为背板W5300与上位机通信协议数据，实现测试系统自检功能。第2行及以后的数据为上位机发送的功能指令。在一行中，列B1、B2的数据为软件编码协议，B3～B6数据分别代表功能板卡号、信号源地址、频率和脉冲数量。指令“25AC00A80711”表示幅值8 V～12 V，频率3.4 kHz的平台加表脉冲信号。上位机指令发送成功后，功能板接收端实测信号波形如图7所示，实测信号频率和幅值与设计一致，表明通信功能正常。读取回传数据时，通过多次测试，从数据接收单元中字节数和时间量可知，以太网通信速率达到了11 MB/s。通信模块测试如图8所示。

图7 实测信号波形

4.2 测试结果验证

测试系统通过模拟航天飞行器系统，提供脉冲信号源和时序控制信号，用于调试和检验脉冲信号变换器的性能。测试系统与脉冲变换器通过电缆连接，整个测试系统实物如图9所示。

图8 通信模块测试

图9 测试系统实物图

脉冲变换器将接收的飞行器工况数据以PCM格式回传到测试系统，PCM解码的时序控制信号由测试系统发出，即帧同步信号和移位脉冲信号[10]。实测数据以帧数据包回传到上位机，每帧数据由22列×50行个字节组成。从以太网通信测试可知，一次回传的数据量为110 MB，用时为10 s。根据通信协议，接收数据包每行为一子帧，行标志码为EB 90，帧结束码为14 6F，帧计数位于同步码前2个字节。从勤务信号时序设计可知，一个帧同步周期对应18个字节的实测数据。上位机软件显示的部分原始数据如图10所示，每行有18个字节的工况数据，每列的帧计数连续不间断，码间无串扰，验证了以太网数据传输稳定，测试系统能可靠稳定进行遥测数据的回读。

图10 接收回传的原始数据

5 结论

本文从脉冲变换器测试任务需求出发，设计了基于以太网通信的脉冲信号变换器测试系统。以太网W5300集成网络协议，简化了硬件结构和研发周期。主控芯片FPGA通过对上位机指令解析，实现多路信号源的输出和回读数据的采集。测试可知，以太网传输速率可达到11 MB/s，回传数据也未出现丢数现象，表明该系统能可靠稳定应用于遥测设备测试中。