摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)的地面測(cè)控測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可移植性差、難以滿足當(dāng)前測(cè)試要求的現(xiàn)狀，提出了基于CPCI總線設(shè)計(jì)的衛(wèi)星PCM測(cè)控測(cè)試設(shè)備。設(shè)備采用“通用前板+專用背板”板卡設(shè)計(jì)方法，提高通用性,降低成本；使用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)分立元件，提高設(shè)計(jì)效率和可靠性。為便于調(diào)試，硬件功能盡量簡(jiǎn)化，只完成數(shù)據(jù)發(fā)送接收操作，遙測(cè)幀同步、遙控指令解析等工作由軟件實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： CPCI; 通用化設(shè)計(jì); 軟件幀同步
近年來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)日益繁重，衛(wèi)星研制周期逐漸縮短，測(cè)試時(shí)間也被壓縮,同時(shí)衛(wèi)星型號(hào)逐漸增多，若對(duì)每一種型號(hào)的衛(wèi)星都單獨(dú)研發(fā)測(cè)試設(shè)備，不僅浪費(fèi)資源而且影響測(cè)試進(jìn)度，因此,衛(wèi)星地面測(cè)試設(shè)備應(yīng)向高效、通用的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的地面測(cè)試設(shè)備多采用分立元件設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一、可移植性差、更新?lián)Q代困難、操作不夠靈活，已不能適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜緊迫的地面測(cè)試工作。
基于CPCI的衛(wèi)星PCM測(cè)控測(cè)試設(shè)備是地面測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，采用了數(shù)字化、通用化的設(shè)計(jì)思想，功能如下：
(1) 完成衛(wèi)星下行遙測(cè)PCM信號(hào)的接收和分路；對(duì)接收的遙測(cè)數(shù)據(jù)幀同步處理；通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)端口上傳遙測(cè)數(shù)據(jù)幀，通過(guò)狀態(tài)服務(wù)端口通報(bào)遙測(cè)數(shù)據(jù)接收情況。
(2) 通過(guò)遙控?cái)?shù)據(jù)接收端口接收網(wǎng)絡(luò)遙控指令；完成上行遙控PCM信號(hào)的分路輸出；通過(guò)狀態(tài)服務(wù)端口通報(bào)遙控指令發(fā)送情況。
1 總體設(shè)計(jì)方案
1.1 總線平臺(tái)選擇
為使設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便測(cè)試，采用了“計(jì)算機(jī)+專用板卡”的結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的板卡形式為PCI結(jié)構(gòu)或CPCI結(jié)構(gòu)。雖然PCI總線也是一種高性能總線，但是由于其接口不牢固，在惡劣環(huán)境下容易脫落、斷裂，所以其只能用在比較穩(wěn)定、理想的環(huán)境中[1]。而CPCI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)融合了PCI局部總線的電氣特性、工業(yè)級(jí)歐卡封裝結(jié)構(gòu)和規(guī)格、EC 2 mm高密度針孔連接器等3項(xiàng)技術(shù)[2]，具有和PCI相同的電氣性能和更為牢固的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此在可靠性要求較高的場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。
目前，CPCI板卡的設(shè)計(jì)一般采用2種方案:可編程邏輯器件和專用總線接口器件[3]。可編程邏輯器件是根據(jù)CPCI協(xié)議在FPGA或CPLD中實(shí)現(xiàn)CPCI總線接口控制器，但是由于CPCI協(xié)議的復(fù)雜性，使得開(kāi)發(fā)難度大、周期長(zhǎng)，而且很難在短期內(nèi)達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，這種方法只適合于大批量生產(chǎn)的情況。對(duì)于一般的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，大都采用現(xiàn)成的CPCI接口器件。這類專用接口器件具有較低的成本和很好的通用性，能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，提供配置空間，具備用于突發(fā)傳輸功能的片內(nèi)FIFO等，是一種省時(shí)省力的方案。這類專用芯片有很多，如PLX公司的CPCI總線目標(biāo)接口器件PCI9052、PCI9054和AMCC公司的55933等。
根據(jù)設(shè)備的功能要求，本設(shè)計(jì)采用了CPCI總線結(jié)構(gòu)，接口芯片選擇成本較低但性能優(yōu)異的PCI9054。
1.2 設(shè)計(jì)方案
衛(wèi)星PCM測(cè)控測(cè)試設(shè)備由遙測(cè)數(shù)據(jù)接收板卡、遙控指令發(fā)送板卡、控制軟件、CPCI主機(jī)4個(gè)部分組成。遙測(cè)數(shù)據(jù)接收板卡對(duì)衛(wèi)星下行PCM遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)隔離和電平變換，將遙測(cè)數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換后，通過(guò)CPCI總線送至測(cè)控設(shè)備軟件，進(jìn)行幀同步處理。遙控指令發(fā)送板卡將CPCI總線送來(lái)的指令內(nèi)容按照遙控指令幀格式組裝，組裝后的遙控指令經(jīng)并串轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、電平變換后，發(fā)送給衛(wèi)星，板卡還可以發(fā)送生成的虛擬遙測(cè)數(shù)據(jù)，由遙測(cè)板卡接收，進(jìn)行環(huán)路自測(cè)試。測(cè)控設(shè)備軟件負(fù)責(zé)板卡的參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)查詢，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)幀同步，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口上傳遙測(cè)數(shù)據(jù)幀、接收遙控?cái)?shù)據(jù)、通報(bào)設(shè)備工作狀態(tài)。其組成框圖如圖1所示。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 通用化板卡設(shè)計(jì)
為使設(shè)備具有通用性，在設(shè)計(jì)硬件板卡時(shí)，采用“通用前板+專用背板”的設(shè)計(jì)方法。前板放置CPCI接口芯片（PLX9054）、FPGA（EP1C12QC2048）以及二者的配置電路，將FPGA的IO管腳通過(guò)CPCI接插件送至背板，背板則根據(jù)信號(hào)相應(yīng)的電氣特性要求，設(shè)計(jì)不同的電路，然后將信號(hào)連接到CPCI接插件上，實(shí)現(xiàn)與FPGA相連。這樣前板只需負(fù)責(zé)信號(hào)邏輯處理，不需考慮信號(hào)的具體電氣特性；后板只負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)硬件接口所要求的電氣特性，不涉及信號(hào)的邏輯處理。因此，前板可以看成通用的信號(hào)處理板，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)不同的功能時(shí)，只需改變FPGA內(nèi)邏輯和重新設(shè)計(jì)相應(yīng)背板即可，前板不必重新設(shè)計(jì)，極大節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。這種設(shè)計(jì)方法可以在對(duì)信號(hào)處理速度要求不高(10 Mb/s以下)、接口特性相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)合應(yīng)用。
2.2 FPGA邏輯設(shè)計(jì)
2.2.1 遙測(cè)接收卡邏輯設(shè)計(jì)
遙測(cè)接收模塊如圖2所示。模塊具有1路遙測(cè)PCM解調(diào)通道和1路用于閉環(huán)測(cè)試的自測(cè)試接收通道。遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)進(jìn)入解調(diào)通道后，首先進(jìn)行信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)星上設(shè)備和地面設(shè)備的隔離保護(hù)。隔離后信號(hào)分成3路，2路作為分路輸出，經(jīng)信號(hào)隔離后輸出給下級(jí)設(shè)備，另外1路作為解調(diào)數(shù)據(jù)。輸入的PCM數(shù)據(jù)可以是NRZ-L/M/S 3種碼型之一。如果輸入的是NRZ-M/S 2種中的1種，則碼型轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行差分解碼，轉(zhuǎn)換成NRZ-L輸出。串并轉(zhuǎn)換模塊將接收的串行PCM遙測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，寫(xiě)入同步FIFO，以供測(cè)控設(shè)備軟件讀取。
自測(cè)試接收通道有2種可選模式:(1)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)幀，用于遙測(cè)PCM解調(diào)通道模塊的自檢；(2)接收遙控?cái)?shù)據(jù)幀，用于遙控PCM調(diào)制模塊的自測(cè)試以及在設(shè)備工作時(shí)接收遙控PCM調(diào)制模塊發(fā)送的遙控指令,向測(cè)控主機(jī)反饋指令的發(fā)送狀況，2種工作模式能夠使用軟件切換。其工作流程和解調(diào)通道類似，均是將接收數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換后寫(xiě)入同步FIFO，以供計(jì)算機(jī)讀取。
由于測(cè)試通道要求既能夠接收遙測(cè)數(shù)據(jù)又能夠接收遙控?cái)?shù)據(jù)，并能夠靈活切換，而且遙控方式也要比較靈活。如果直接在硬件上同步會(huì)比較復(fù)雜，而且系統(tǒng)的碼速率比較低，采用軟件處理其速度完全能夠滿足要求。故將接收數(shù)據(jù)在軟件上進(jìn)行幀同步或遙控指令檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法。
2.2.2 遙控指令發(fā)送卡邏輯設(shè)計(jì)
遙控指令發(fā)送模塊如圖3所示，模塊具有1路遙控指令發(fā)送通道和1路用于閉環(huán)測(cè)試的自測(cè)試發(fā)送通道。由于遙控指令是突發(fā)的,為防止FPGA的FIFO出現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)法全部讀出的情況,使用2塊雙口RAM交替緩存遙控指令，1塊作為工作區(qū)存儲(chǔ)正在發(fā)送指令內(nèi)容，另1塊作為存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)下次發(fā)送的指令內(nèi)容。發(fā)送遙控指令時(shí)，首先由主機(jī)軟件將指令內(nèi)容存入RAM，然后查詢上一幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢，則啟動(dòng)1次發(fā)送。發(fā)送時(shí)序列生成器首先根據(jù)設(shè)置的前導(dǎo)序列長(zhǎng)度和樣式發(fā)送前導(dǎo)序列，然后序列生成器在內(nèi)部產(chǎn)生的PCM時(shí)鐘的作用下串行輸出PCM數(shù)據(jù)，當(dāng)1個(gè)Byte串行移位結(jié)束后從雙口RAM下一地址中取數(shù)，繼續(xù)移位操作。當(dāng)遙控指令發(fā)送完之后，F(xiàn)PGA將根據(jù)軟件的設(shè)置繼續(xù)發(fā)送預(yù)設(shè)好的填充序列，直到啟動(dòng)下一次發(fā)送。發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)碼型變換器變換成設(shè)置的碼型。輸出的PCM時(shí)鐘可設(shè)為常發(fā)或突發(fā)模式，當(dāng)處于常發(fā)模式時(shí)，無(wú)論有無(wú)遙控指令，均輸出時(shí)鐘；當(dāng)處于突發(fā)模式時(shí)，只有發(fā)送遙控指令時(shí)才有時(shí)鐘輸出。
自測(cè)試發(fā)送通道，在結(jié)構(gòu)上與遙控發(fā)送通道類似，只是自測(cè)試通道需要產(chǎn)生連續(xù)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，使用RAM無(wú)法實(shí)現(xiàn)，故使用FIFO作為數(shù)據(jù)緩存，測(cè)控軟件在查詢到硬件FIFO中有足夠的空間后，將1幀遙測(cè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入，F(xiàn)PGA依次將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出，通過(guò)并串轉(zhuǎn)換及碼型變換后送到數(shù)據(jù)源選擇器，軟件根據(jù)當(dāng)前的工作模式選擇輸出。如果工作在轉(zhuǎn)發(fā)遙控?cái)?shù)據(jù)模式，數(shù)據(jù)源選擇器將會(huì)輸出遙控發(fā)送通道產(chǎn)生的遙控PCM數(shù)據(jù)和時(shí)鐘；如果工作在發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)模式，將會(huì)把自測(cè)試通道產(chǎn)生的遙測(cè)數(shù)據(jù)送出，從而使得自測(cè)試通道既能夠發(fā)送遙控?cái)?shù)據(jù)，又能夠發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)
常用的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks和Windows2000 由于Windows2000通用、軟件資源豐富、易于使用和擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)選擇Windows2000作為操作系統(tǒng)平臺(tái)。
在Windows環(huán)境下，常用的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具有WindowsDDK、Driverstudio和WinDriver。前2種工具需要開(kāi)發(fā)人員具有系統(tǒng)內(nèi)核層次的知識(shí)，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)且難度較大,而WinDriver可以在用戶模式下編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序,其函數(shù)庫(kù)提供了大量的API函數(shù),便于調(diào)用。另外,WinDriver針對(duì)PCI9054特別編寫(xiě)了API函數(shù)包，這些函數(shù)能夠方便地實(shí)現(xiàn)中斷處理、DMA傳輸、I/O操作、內(nèi)存映射以及即插即用等功能[4]，可以滿足一般的設(shè)計(jì)要求。故本設(shè)計(jì)選用WinDriver作為驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具。其開(kāi)發(fā)流程如下：
(1) 在Driver Wizard下選擇需要生成驅(qū)動(dòng)程序的硬件板卡。
(2) 生成INF文件。
(3) 探測(cè)硬件，Wizard會(huì)自動(dòng)探測(cè)硬件資源。
(4) 測(cè)試硬件,包括讀/寫(xiě)I/O Port、Memory space和相關(guān)寄存器以及監(jiān)聽(tīng)硬件的中斷。
(5) 生成Driver Code。
(6) 修改設(shè)計(jì)代碼，完善驅(qū)動(dòng)程序的功能。
3.2 控制軟件組成
控制軟件由板卡控制模塊、遙測(cè)參數(shù)設(shè)置模塊、遙控參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、指令發(fā)送模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊6部分組成,組成框圖如圖4所示。
板卡控制模塊作為控制軟件的基礎(chǔ)，控制板卡的打開(kāi)、關(guān)閉、初始化、讀、寫(xiě)、中斷等操作。遙測(cè)參數(shù)設(shè)置模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)指令，設(shè)置遙測(cè)幀同步字、幀長(zhǎng)、碼型等參數(shù)，提交當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)。遙控參數(shù)設(shè)置模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)指令，設(shè)置遙控指令長(zhǎng)度、碼型、前導(dǎo)序列長(zhǎng)度、圖樣、是否校驗(yàn)等參數(shù)，提交當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收模塊完成遙測(cè)數(shù)據(jù)幀同步、遙控指令自環(huán)接收和統(tǒng)計(jì)誤碼率，提交同步后的遙測(cè)數(shù)據(jù)和誤碼率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。遙控指令發(fā)送模塊將接收的遙控指令內(nèi)容寫(xiě)入板卡的緩存RAM中。網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備和總控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信，解析總控送來(lái)的遙控指令內(nèi)容，上傳同步后的遙測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置設(shè)備的工作參數(shù)，上傳設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)。
3.3 軟件幀同步
由于輸入的遙測(cè)數(shù)據(jù)碼速率較低(<100 Kb/s)，為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，使用軟件完成幀同步的工作。遙測(cè)幀同步器按照設(shè)定的格式搜索數(shù)據(jù)流中按照幀長(zhǎng)關(guān)系反復(fù)出現(xiàn)的幀同步字，從而按照定義好的格式輸出同步后的數(shù)據(jù)。幀同步器按照如圖5所示的邏輯狀態(tài)進(jìn)行工作。圖中，幀同步容錯(cuò)參數(shù)為0~3 bit可設(shè)；校驗(yàn)至鎖定次數(shù)(L2)參數(shù)為0~7次可設(shè)；保護(hù)至鎖定次數(shù)(L3)參數(shù)為0~7次可設(shè)。
(1)幀同步器處于搜索狀態(tài),在此狀態(tài)下，每到來(lái)1個(gè)新的數(shù)據(jù)位，遙測(cè)幀同步器都將移位寄存器中的數(shù)據(jù)與設(shè)置的幀同步字進(jìn)行比較，在某些通信方式(如PSK)的解調(diào)過(guò)程中,會(huì)引入相位模糊。在這種情況下，PCM數(shù)據(jù)有可能與發(fā)送方發(fā)送的信息是全部反向的。而PCM解調(diào)器在進(jìn)行幀同步的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)幀同步字?jǐn)?shù)據(jù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的判別，可以在發(fā)生數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)將接收到的數(shù)據(jù)反向，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)相位模糊的功能。考慮到誤碼的存在，比較時(shí)并不要求全對(duì)，只要滿足容錯(cuò)(M)參數(shù)(0~3 bit錯(cuò)誤)要求即可。當(dāng)搜索到同步字后，即進(jìn)入校驗(yàn)狀態(tài)。
(2)在校驗(yàn)狀態(tài)下，每隔幀長(zhǎng)乘以8個(gè)bit，再將當(dāng)前移位寄存器中的數(shù)據(jù)與設(shè)定的幀同步字進(jìn)行比較，如果不正確，則表示搜索狀態(tài)獲得的比較結(jié)果可能是錯(cuò)誤的（如當(dāng)數(shù)據(jù)域中出現(xiàn)與幀同步字相同的序列），回到搜索狀態(tài)重新搜索同步。當(dāng)在校驗(yàn)狀態(tài)連續(xù)L2次比較均正確后，即認(rèn)為幀同步鎖定，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)幀。
(3)在鎖定狀態(tài)也會(huì)每隔幀長(zhǎng)乘以8個(gè)bit檢查同步字是否如約出現(xiàn)，如果沒(méi)有出現(xiàn)，便進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。
(4)在保護(hù)狀態(tài)下，如果連續(xù)L3次如約收到幀同步字，則回到鎖定狀態(tài)；否則，返回搜索狀態(tài)重新搜索同步。
4 設(shè)備測(cè)試和使用
本設(shè)備在交付前由用戶方進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試，測(cè)試范圍包括接口電氣特性測(cè)試、功能測(cè)試、老化測(cè)試等，測(cè)試結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)要求，設(shè)備于2008年3月交用戶使用。通過(guò)一年來(lái)設(shè)備的運(yùn)行狀況以及用戶反映，證明該設(shè)備具有可靠性高、測(cè)試快速準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。
基于CPCI的衛(wèi)星PCM測(cè)控測(cè)試設(shè)備采用目前廣泛使用的先進(jìn)測(cè)控總線標(biāo)準(zhǔn)CPCI總線技術(shù)研制而成,研制周期短，升級(jí)簡(jiǎn)單，只需稍作更改便可以應(yīng)用于其他項(xiàng)目的測(cè)試工作，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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