基于VPX总线架构的一体化综合测量系统实现

赵宏方，章思严，夏成竹，刘 波

(1.重庆航天火箭电子技术有限公司,重庆 400039；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

在过去的几十年里，我国航天事业取得了举世瞩目的成就，航天运载火箭发射次数屡创新高。据不完全统计，近年来我国航天年发射次数高达几十次。遥测传输码率从2 Mbit/s、5 Mbit/s到10 Mbit/s，某型号甚至提出了50 Mbit/s的数据传输要求，由20世纪八九十年代的两三千个测量参数，到21世纪初的五六千个测量参数，目前测量参数的数量已经破万[1]。参数类型也由原来的电量、压力、振动等简单低频信号，向噪声、冲击、高精度动态信号、高清图像信号等大数据量测试参数的采集、传输转变。快速增长的测量需求，特别是高清可视化测量要求的快速增长对遥测传输速率提出了越来越高的要求。同时，伴随测量需求的不断增长，传统的分布式测量系统产品越来越不能满足型号海量的数据量的增长需求和飞行试验的数据可靠获取、自诊断能力的应用要求，产品数量、种类急剧增多，系统复杂度和电缆网络复杂度呈指数型增长。

传统遥测系统[2]随着需求的不断变化，其传输速率、体系结构不灵活、无自诊断能力等问题已制约其应用发展[3-4]。本文提出了一种基于VPX总线架构的一体化综合测量系统,采用标准化设计方案,系统集成传统的数据采集设备、变换设备、基带设备等多个设备,将其以VPX背板的形式进行集成化处理,替代传统复杂的系统电缆网络,简化了系统组成,满足了型号海量的数据增长需求,有效保障了型号快速发射要求。同时,该系统能够通过更新模块实现新一代遥测系统的替代升级,满足未来型号应用需求。

1 测量系统现状及产品架构

图1为简单的测量系统框架图，测量系统完成整箭环境参数、指令等信号的采集和编码，并形成串行数据PCM送发射机、天基测控终端和存储器。整个测量系统应用分布式采集方式，采用RS422进行通信，型号配套产品类型包括换流转接器、配电器、指令变换器、中间装置、图像压缩装置、数据综合器、分布式数据采集器、存储器、S波段遥测发射机、Ka天基终端、安控指令接收机等设备。配电设备完成对各个设备的统一供电；换流转接器完成一次母线到二次母线的供电和对传感器供电；指令变换器完成起飞等各种指令的控制和变换采集；分布式采集设备完成传感器等模拟信号的数据采集和编码；中间装置将各种模拟量、数字量等各种信号转换为同步RS422数字量；图像压缩装置完成图像的压缩编码处理；控制系统的设备通过1553B或RS422与数据综合设备进行通信；各设备最终与数据综合设备通过RS422接口进行数据通信和传输，数据综合设备完成数据的编帧，并形成串行PCM数据流通过无线传输设备进行数据下行传输。

图1 传统PCM遥测设备系统框图

随着火箭运载能力的提升，测量系统采集的参数类型、种类急剧增加。以我国现役某型号运载火箭为例，单机设备包括助推传输设备、芯一级传输设备、芯二级传输设备、芯三级传输设备，单机产品包括配电设备、指令变换器、图像压缩设备、遥测发射机，换流转接器、助推数据综合器、助推数据采编单元，采编单元、数据综合器等产品，产品种类高达数十种，产品数量几十台。经过统计分析，该型火箭产品的架构与图1基本保持一致，只是由于火箭级数的增加进行了纯粹的数量叠加，火箭的每级产品种类和数量根据应用需求配置不同，但各个单机的种类多数分为配电设备、换流转接器、中间装置(变换器)、指令变换器、图像压缩器、分布式采集设备(采编单元、助推数据综合器、助推数据采编单元)、数据综合器等。其中配电器完成设备的供电配置和控制，换流转接器完成对各种传感器的供电，中间装置完成各种信号的变换，指令变换器完成指令信号的变换处理，图像压缩器完成数据的图像数据采集，分布式采集设备完成各级模拟量、数字量信号采集，数据综合器完成各种数字量采集并送给发射机、天基终端、存储器等设备。据不完全统计，产品数量多达几十台，系统电缆网数百千克，测量系统配套厂家几十家。

以分布式采集设备为例，测控系统中提供采集数据的设备包括助推传输设备助推数据采编器、助推数据综合器、一级数据采集设备、二级数据采集设备、芯一级数据采集设备和芯二级数据采集设备等。其设备内部大多采用自定义内部并行总线，产品架构如图2所示。电源模块完成对遥测单机设备供电，采集板1…采集板n完成对传感器、数字量等信号的采集，控制板通过内部总线完成对采集板的控制并对数据进行编帧。各个厂家对于总线的定义都不同，且随着测量需求的不断增长，所需位宽持续增长，信号频率越来越高，从而带来的封装尺寸增加、信号线间的相互干扰增大等问题，且已成为制约遥测设备的一个瓶颈。特别是近年来设备网络化、智能化趋势越来越明显，内部总线的节点数需求越来越多，再加上需要增加专门的BIT测试、现场加载等信号，传统的自定义并行内部总线越来越不能满足型号的应用需求。而配电器、图像压缩设备、指令变换器等设备大多也采用类似的自定义内部总线架构，这些产品的体积、大小又与采编器完全不同。

图2 传统遥测单机设备架构示意图

2 基于VPX的测量系统设计

2.1 系统架构设计

图3为基于VPX的一体化综合测控组合示意图，通过对现有的功能单机进行整合，将数据采集、数据综合、数据接口、通信、控制、供电等功能进行综合设计，实现硬件资源的标准化和通用化、功能的软件化和集成化。在硬件上采用通用VPX板卡+定制化背板的一体化方案，对传统各个独立单机进行通用化、模块化、板卡化设计，模块采用统一的标准化结构和电气接口，组合内各模块间通过高速背板总线进行连接；取消各独立单机的电源模块，由组合内的电源控制模块通过背板进行二次电源的统一供电和配电控制；功能模块采用统一的I2C总线和自检测协议实现加电自检测功能，自检测电路与主功能电路进行隔离，实现智能化的自检测。

图3 基于VPX的一体化综合测控组合

图4为以某运载型号为目标进行整合后的系统框图，整机采用VXP总线，根据测量系统的需求和产品完成功能，对各个功能模块进行划分，功能模块包括电源模块、采集模块、指令变换模块、图像压缩模块、S波段发射机模块、安控模块、存储模块等，组合之间采用RS422或网络或FC-1553B。通过对多个单机的整合，实现了单机到模块的整合，减少了分布式的供电和单机数量；通过背板互联实现了各个设备间的电缆互联。经不完全统计，系统复杂度减少30%以上，系统电缆网减重高达20%，单机数量减少50%以上。

图4 基于VPX的一体化综合测量系统架构

一体化综合测量系统采用VPX总线，VPX总线是新一代国际标准化串行总线，是对VME技术的自然进化，它采用高速串行总线替代并行总线[5-7]，按照VITA46标准，定义了3U VPX背板和6U VPX背板的结构和背板连接器及用户IO，在6U模块中VPX指定P0连接器为公用连接器, 用于功率传输、维护总线、测试总线等信号, 指定P1至P6用于信号的传输；在3U模块中的VPX P0连接器为公用连接器, 用于功率传输、 维护总线、 测试总线等信号, 指定P1至P2用于信号的传输。无论是6U的P1至P6还是3U的P1和P2，其背板接插件可以通过自定义通用IO，其中常用的全差分可使用差分对，全单端接插件，P1共112引脚的差分信号连接器, 有40个地, 32 对差分对信号, 8 个单端信号。P2, P3, P4, P5, P6既可作为差分连接分配也可作为单端连接分配。当作为差分连接分配时, 有40 个地, 32对差分对信号, 8个单端信号；当作为单端连接分配时有32个地, 80个单端信号。在差分模式,P3到P5中的一排留用于单端信号。P5 和P6可用于非兼容形式如光轴或同轴连接[7]。因此，可以借鉴和使用VPX总线完成对传统自定义模式的并行数据总线，引入新的总线传输方式[8]，包括同步HDLC总线、MLVDS总线、以太网总线等。

基于VPX的一体化综合测量系统适用于未来航天型号应用，随着测量参数的急剧增长，采用传统分布式的测量系统会带来单机数量的急剧增长和系统的复杂性[9]，通过基于VPX的一体化测量系统单机的整合，通过背板互联可有效减少单机的种类和数量，且通过标准化设计，在不改变背板互联的基础上，可通过更换背板实现系统的网络化升级，将传统的RS422接口变更为同步以太网TTE网络或FC-1553B。同时，可将存储器、安控指令接收机、S波段遥测发射机通过模块化设计和整合，作为一体化综合测控组合的模块，实现对整个测量系统的整合。

2.2 基于VPX总线的单机组合架构

如图5所示，基于VPX总线的一体化综合测控组合单机采用3U VPX架构和6UVPX架构2种不同的物理结构，用于满足不同的型号应用需求。可根据用户的应用需求开发不同的模块，其中电源模块和RS422/网络通信模块是核心模块，其他模块可根据应用需求进行选配，可包括传感器采集模块、指令采集模块、图像压缩处理模块、1553B模块、RS422接口模块、安控模块、S波段发射模块等，并且可通过后续将RS422/网络通信模块升级为FC-1553B模块或TTE以太网模块实现更新换代。

图5 基于VPX总线的单机架构

各模块的总线包括背板互联总线和外部通信接口，VPX背板总线定义如表1所示，包括供电的供电总线，进行自检测功能的I2C总线，进行数据传输和互联的HDLC总线、以太网总线。

表1 VPX背板总线定义

2.3 标准化设计

VPX单模块采用标准化设计，结构设计符合VITA46，单板由载板(含接插件及定位销)、机械框架(含起拔器)、盖板、紧固条等组成。VPX单板采用5HP(25.4 mm)间距，外形尺寸为170 mm×100 mm×24.64 mm(3U示意图，6U参考ANSI/VITA 46.0标准)，正面元件最大高度为14.5 mm，背面元件最大高度为3.8 mm，如图6所示。

图6 模块结构

如图7所示，PCB总面积为160 mm×100 mm，可布局区域为140 mm×77 mm。差分信号线阻抗100 Ω(±10%)，差分信号对线长差上限±10 mil，介质材料FR4，介电常数4.0，实际设计过程中需要根据加工工艺调整参数以满足阻抗需求，不同差分对之间的距离不得小于25 mil(走线边沿至边沿，FR4@ε=4.0，介质厚度10 mil)。

图7 3U VPX外形图及印制板图

2.4 自检测设计

VPX总线自定义了I2C总线，如图8所示。每个模块均有I2C自检测电路，其中一个模块作为主控模块，其他模块作为从模块[10]。主控模块通过背板互联，通过I2C发送指令完成对各个模块的通信和功能自检测。自检测供电采用3.3 V供电，由电源模块单独给出，各个模块自检测可统一元器件选型。单模块自检测采用芯片MSP430F5438A，配合以测温传感器集成电路ADT7410可以完成要求。自测试电路的主要测试内容如表2所示。

图8 自检测电路框图

表2 自测试内容

3 结论

近年来，随着遥测技术的发展，传统的分布式测量系统产品越来越不能满足型号海量数据的增长需求、型号快速应用发射应用需求和高可靠性质量要求。本文提出了一种基于VPX总线架构的一体化综合测量系统,采用标准化设计方案,系统集成传统的数据采集设备、变换设备、基带设备等多个设备,将其以VPX背板的形式进行集成化处理,替代传统复杂的系统电缆网络,简化了系统组成,满足了型号海量的数据增长需求,有效保障了型号快速发射要求。同时,该系统能够通过更新模块实现新一代遥测系统的替代升级,满足未来型号应用需求，对发展具有中国特色、满足我国未来运载火箭测量系统具有极大的促进作用。