基于FPGA的卫星遥控测试系统设计与实现

吴侃侃，朱振华，2，魏晓阳，陈德相，颜俊菁

(1.上海卫星工程研究所，上海 201108；2.东南大学移动通信国家重点实验室，江苏南京 211189)

航天器电子系统趋向集成化、一体化设计［1］，产品间数据交互多，信息关联性强，接口交互复杂，对产品测试设备和系统联试设备的可用性、易用性、便携性和可靠性提出了更高的要求。其中，卫星遥控设备负责接收遥控命令并转发至卫星其他设备或者直接输出驱动控制，与星上各分系统以及地面测控系统均有接口关系，是星地、星内信息交互的核心产品。在遥控设备产品测试，以及参加各类型对接试验时［2］，均需一套功能强大且简便易携的集成化测试设备支撑。

地面测试设备通常分为专用测试设备和通用测试设备。专用测试设备针对特定需求独立开发，实用性强，但通用性弱，易造成资源浪费。随着 VXI、PXI、VPX等总线技术的发展，出现了一系列基于标准接口的通用板卡［3］，每一类通用板卡提供了数量众多的单一接口。通过对各类型板卡的组合集成和二次开发，实现测试设备的通用化，在航天领域获得了广泛的应用［4-5］。但是这种基于标准接口的通用化方式，需要大量板卡配合使用，灵活性较差，闲置资源较多，成本高昂。

文献［6］和文献［7］在兼顾测试设备的实用性和通用性方面做了一些有益的探索。文献［6］通过对原有专用设备进行综合化、集成化改造，合并冗余链路，实现测试系统小型化和通用化。文献［8］和文献［9］提出柔性测试系统的概念，通过总线互联和可重构技术实现测试设备依据测试要求进行灵活重组，以适应测试环境和任务。文献［7］提出通用化、综合化研制思路，满足弹箭载安全指令接收机全周期研制过程的全覆盖测试需求。

本文主要着眼于测试对象，即卫星遥控设备，系统性地梳理各卫星型号遥控设备的不同接口类型和测试需求，通过对遥控设备测试需求的归一化，引导遥控测试设备的标准化。经过综合分析设计后，将现有遥控测试功能集成于单一3U板卡中，在兼顾实用性和通用化的同时，无需进行复杂的配置和二次开发，满足各种测试试验使用要求。

1 系统总体设计

卫星遥控设备接收地面发出的遥控命令或者接收星上计算机发出的自主程控命令，直接驱动输出指令脉冲，或者输出串行遥控数据到远置单元，由远置单元进行遥控数据解析并驱动输出指令脉冲。卫星常用的指令驱动电路为集电极开路门(Open Collector，OC)指令驱动和射随指令驱动，串行遥控数据接口一般采用门控、时钟、数据三线制同步RS422电路或OC门电路。为了提高产品可靠性，星上遥控设备通常为主备机热冗余设计，也就是串行遥控数据会由遥控设备的主机和备机同时独立输出。综上，遥控功能测试系统实现的功能主要包括：

①接收检测OC指令和射随指令脉冲，输出脉冲地址识别、脉冲宽度、脉冲幅度等检测信息；

②具备同时检测两路指令脉冲的能力；

③接收RS422和OC门串行遥控数据，根据要求可比较分析遥控设备主机和备机输出的串行遥控数据一致性；

④根据接收的遥控数据解析译码结果，可驱动输出OC指令和射随指令，并检测输出指令的正确性。

测试系统主要设计指标如表1所示。

表1 遥控功能测试指标要求

遥控功能测试系统设计如图1所示。OC指令和射随指令分别经过分压电路后由FPGA进行有效电平的地址识别，根据脉冲地址控制多路开关电路选通有效脉冲，由A/D电路进行量化采集脉冲电平幅度，同时对电平宽度进行计数。

通过RS422和OC门接口电路接收遥控数据，经主备机数据一致性比对后进行译码，若译码正确则输出地址和控制信号到驱动电路，驱动输出OC指令脉冲或射随指令脉冲。输出的执行脉冲同时经过脉冲反测电路输入FPGA，检测出执行脉冲的地址和脉宽。

图1 遥控功能测试系统框图

2 硬件电路设计

2.1 标题指令脉冲分压电路

OC指令为负脉冲控制，正端+28 V上拉电压由测试设备提供，无指令驱动时信号为高电平，有指令时为低电平。射随指令为+10 V正脉冲控制，无指令时信号为低电平，有指令时为高电平。OC指令和射随指令分别通过电阻分压到0～5 V后，输出至多路开关电路进行选通和A/D转换，同时指令经电平转换芯片SN74ALVC164245隔离后输入FPGA进行识别检测。

2.2 多路开关电路

多路开关电路采用两级选通方式，如图2所示。第一级由4个32选1选通开关ADG732组成，完成共计128路指令的选通，输出4路脉冲；第二级由1个4选1选通开关ADG704组成，最终输出有效指令脉冲进行A/D采集。

多路开关ADG732和ADG704的选通地址由FPGA控制。输入FPGA的指令脉冲IO口与选通地址一一映射，当FPGA检测到指令脉冲时，通过映射表选通相应的开关地址。

图2 多路开关电路示意图

2.3 A/D转换电路

测试系统对A/D器件的采集速率、精度等并无特殊要求，选用16位分辨率的AD7686即可满足。逐次逼近型A/D的输入阻抗一般较低，虽然AD7686易于驱动，但为避免对信号的影响，在A/D采样前加一级射随，如图3所示。AD7686配置为三线式无繁忙指示模式，周期性采集数据，电压采集范围为0～5 V，可以满足0.02 V的检测精度要求。

图3 A/D转换电路

2.4 串行通信电路

提供RS422和OC门两类串行遥控数据通信接口。RS422接口电路接收端采用AM26C32芯片，如图4所示。OC门接口电路采用+5 V和5.1 kΩ上拉，如图5所示。

2.5 指令驱动与反测电路

OC指令驱动选用LB8163双冗余译码输出驱动器，射随驱动电路选用BH2003型4线—16线译码器，分别如图6和图7所示。LB8163具有16路输出驱动能力，输入电平可与TTL或CMOS电路相匹配，输入阻抗高，输出驱动能力强，每路输出端最大吸收电流可达200 mA。

图4 RS422接收电路

图5 OC门数据接收电路

FPGA根据遥控译码结果控制LB8163和BH003的输入端和控制端，驱动指令脉冲输出。为加强设计可靠性和健壮性，FPGA输出的控制信号经过电流驱动电路和电平转换电路后输入LB8163和BH2003芯片，使信号单向隔离，并有足够的驱动能力。

指令反测电路与指令脉冲分压电路类似，只需在驱动线上加一个反向隔离二极管，防止指令接收端电压倒灌反测电路。

图7 射随指令驱动电路

3 FPGA设计

FPGA芯片选用Xilinx公司的XC4VLX100，VHDL编程语言，主频10 MHz。

卫星遥控功能测试FPGA设计框图如图8所示。

图8 遥控功能测试FPGA设计框图

3.1 脉冲检测

脉冲检测模块检测有效的输入脉冲，将1路或者2路有效脉冲地址多路选通开关控制模块地址映射后控制ADG732和ADG704选通。由A/D采样模块完成有效脉冲电压幅度的A/D量化。

为了适应地面上行遥控指令和卫星自主程控指令同时检测的要求，对于输入的128路脉冲，需要选择其中有效的2路脉冲(a、b)，输出有效脉冲的信号和地址。

如果单脉冲输入，则a路有效输出；如果两脉冲冲突输入，则首先a路有效输出，检测到第二路脉冲输入时，b路有效输出。模块能够适应单脉冲输入和两脉冲同时输入，通过冲突标志表征不同的类型，如表2所示。

表2 脉冲冲突标志和意义

根据表2的冲突类型定义，图9为输入2路冲突脉冲后的检测仿真，a路标记为100，b路标记为111。

图9 脉冲冲突输入仿真

有效脉冲地址编码格式采用7-bit格雷码表示，低5位为第一级多路开关选通脉冲地址，高2位为第二级多路开关选通脉冲地址。

脉冲信息综合模块完成有效脉冲的信息收集和组包，如表3所列。

表3 指令脉冲检测信息

3.2 遥控数据接收解析

串行遥控数据采用三线制传输，门控、时钟和数据之间的时序关系如图10所示，发送端在时钟上升沿置数，接收端在时钟下降沿取数。

图10 串行遥控数据接口时序

当星上遥控设备同一通道输入的主、备两路数据中有一路数据有效后，在T时间内，如果：

在收到一路数据后，如果在T时间内还没有收到另一路遥控数据，则认为此次只输入一路数据，如图11(d)仿真所示。

T的取值要综合考虑输入数据速率、输入数据的时间差、外部电路响应时间等因素。

如果先后有两路数据输入且时间差大于T，则认为两路数据相互独立，按输入时间先后串行处理。

图11 遥控数据接收处理仿真

3.3 指令译码和反测

对经过合法性检查的遥控数据进行译码，根据译码结果输出信号控制LB8163和BH2003芯片的地址端和控制端，脉冲宽度可调节。

测试设备输出的指令脉冲直接驱动星上产品，为了确保输出脉冲正确有效，设计了执行脉冲反测功能，主要用于检测驱动输出的执行脉冲，并将检测信息上报。

执行脉冲反测模块还具有译码反馈功能，即如果回检的执行脉冲地址和译码后的输出驱动地址不一致，则立即生成禁止信号。译码驱动模块一旦收到禁止信号，对驱动输出部分复位清零。通过该设计可进一步提高指令安全性。

4 系统实现与应用

本文提出的综合集成化遥控测试系统具备遥控串行数据接收解析和指令脉冲检测功能，基本覆盖现有卫星遥控类产品的测试需求。测试板卡可单独使用，也可集成到其他测试系统中综合使用。图12为遥控测试板卡集成到某型号测控对接设备产品中参与星地测控对接试验，图13为上位机的遥控测试信息显示界面。

图12 测试系统实物

图13 测试软件界面

5 结束语

通过卫星遥控设备的设计统型，梳理遥控功能相关的测试接口，包括指令检测、遥控数据接收、指令驱动，并将测试接口集成于单一板卡，相比传统的专用测试设备提高了通用性，相比基于标准接口板卡的通用化测试设备有更好的灵活性和资源利用率。

本文提出的遥控测试系统应用广泛，可单独用于遥控产品的测试试验，也可以将其集成到其他测试设备的标准机箱中，构成更为复杂的测试系统，如卫星模拟器、卫星综合测试系统等。遥控测试系统已经过长时间的老练考核，并多次应用于产品测试、外场测控对接试验等，功能正常，运行稳定，测试可信度高，获得显著成效。