一種基于一體化信道的數(shù)據(jù)格式集成解譯器設(shè)計(jì)

【摘 要】無(wú)人飛行器測(cè)控系統(tǒng)是直接關(guān)系飛行任務(wù)成敗的關(guān)鍵系統(tǒng)，數(shù)據(jù)格式集成解譯器則是飛行器與測(cè)控系統(tǒng)下行鏈路的接口。本文分析了飛行器的測(cè)控需求，為簡(jiǎn)化設(shè)備和節(jié)省頻譜資源，在一體化信道的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)格式集成解譯器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人飛行器；測(cè)控；數(shù)據(jù)格式集成解譯解譯器；一體化信道

0 引言

無(wú)人飛行器實(shí)時(shí)有效的指揮控制和情報(bào)信息準(zhǔn)確快速的發(fā)送都依賴于測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈路[1]，下行測(cè)控鏈路傳輸信息為飛行器狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)信息[2]，用于傳送飛行路徑和航行數(shù)據(jù)等內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及傳輸傳感器數(shù)據(jù)流[3]。上下行數(shù)據(jù)鏈路有很強(qiáng)的非對(duì)稱性[4]。

近年來(lái)，我國(guó)無(wú)人飛行器測(cè)控技術(shù)相繼實(shí)現(xiàn)諸多技術(shù)突破，如一體化綜合信道體制、視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼、機(jī)載設(shè)備輕量化等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用[5]，同時(shí)通信設(shè)備正朝著集成化、小型輕量化、靈活通用化等趨勢(shì)迅猛發(fā)展，在這個(gè)大趨勢(shì)下，本文基于某無(wú)人飛行器的下行鏈路一體化信道，對(duì)數(shù)據(jù)格式集成解譯器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。

1 測(cè)控需求分析

無(wú)人飛行器姿態(tài)信息主要為加速度計(jì)和陀螺儀的解算數(shù)據(jù)，航跡信息為經(jīng)緯度和高度數(shù)據(jù)，該飛行器直接采用姿態(tài)/GPS產(chǎn)品模塊，保障數(shù)據(jù)精度，減少了解算數(shù)據(jù)的資源開(kāi)支；遙控指令的轉(zhuǎn)速控制信息在該飛行器上為脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)，考慮到設(shè)備成本和數(shù)據(jù)的可靠性，選取輸出的部分飛控指令數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)速采集數(shù)據(jù)；溫度信息主要為飛控/測(cè)控系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度、飛行器外部大氣環(huán)境溫度、工作電動(dòng)機(jī)溫度、機(jī)械變速箱溫度等，考慮對(duì)溫度實(shí)時(shí)性需求，采用溫度模塊（0.25℃分辨率，I2C總線協(xié)議）；電池電量信息主要為動(dòng)力電池電量、控制系統(tǒng)單獨(dú)供電電池電量、啟動(dòng)電機(jī)電池電量等，均采用電壓傳感器；視頻信息由攝像頭拍攝獲得。

視頻數(shù)據(jù)一般由靜態(tài)的圖像組成[6]，數(shù)據(jù)傳輸率一般為30幀/秒或25幀/秒，若傳輸幀數(shù)下降，視頻效果變差，但傳輸數(shù)據(jù)量會(huì)大大降低。視頻壓縮利用圖像冗余來(lái)降低像素平均所需比特?cái)?shù)[6]，減少視頻數(shù)據(jù)的大小，考慮到測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸壓力和對(duì)視頻的要求，選取480×320分辨率、256色彩、25幀/秒、1：15的無(wú)損圖像壓縮比的視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量為1.9531Mbps。若選取視頻幀數(shù)頻率為采樣頻率，則GPS數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)量各為75bps，視頻數(shù)據(jù)傳輸將占用99.9%的數(shù)據(jù)帶寬。數(shù)據(jù)格式集成解譯器對(duì)視頻數(shù)據(jù)的處理好壞很大程度上決定了數(shù)據(jù)傳輸性能的優(yōu)劣。

2 格式集成解譯器方案設(shè)計(jì)

測(cè)控需求直接影響設(shè)計(jì)方案邏輯工作量以及所使用仿真開(kāi)發(fā)板的資源，將需求中多個(gè)類似通道的小數(shù)據(jù)和一個(gè)通道大數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為GPS、溫度、轉(zhuǎn)速、視頻數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方案。這種簡(jiǎn)化減少了小數(shù)據(jù)通道處理的重復(fù)性，卻沒(méi)有減少設(shè)計(jì)方案中數(shù)據(jù)集成解譯的復(fù)雜性，同時(shí)數(shù)據(jù)可擴(kuò)展，故簡(jiǎn)化合理可行。

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方案

任務(wù)傳感器輸出信號(hào)格式各異，涉及的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不同，需數(shù)據(jù)格式集成器將信息格式統(tǒng)一并結(jié)合成信道能傳輸?shù)膸袷綌?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)信道后再由數(shù)據(jù)格式解譯器將這些信息解譯出來(lái)，提供給地面站進(jìn)行處理。

轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)為脈寬調(diào)制信號(hào)；NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)是GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議； I2C為兩線式串行總線協(xié)議，具體見(jiàn)圖 1；視頻采集是圖像處理的前提，配置ADV模塊，匹配輸入模擬視頻制式。將模擬圖像數(shù)據(jù)處理為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩存模塊中，編碼模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼。視頻采集數(shù)據(jù)的優(yōu)劣直接決定圖像處理的結(jié)果[7]。

同時(shí)，需選取電路模塊，對(duì)端口降壓保護(hù)，保證I/O口的輸入電壓匹配處理芯片電壓要求。

2.2 時(shí)系控制方案

多路并行數(shù)據(jù)串行化后數(shù)據(jù)結(jié)合處理成數(shù)據(jù)幀，進(jìn)入緩存，在數(shù)據(jù)格式化同步化過(guò)程中，數(shù)據(jù)控制總線起關(guān)鍵作用，這就對(duì)時(shí)鐘提出了高要求，時(shí)鐘抖動(dòng)和誤差要在允許范圍內(nèi)。考慮到圖像數(shù)據(jù)處理周期和轉(zhuǎn)速、GPS、溫度數(shù)據(jù)處理周期差異，數(shù)據(jù)集成采取先同時(shí)采集處理多路并行數(shù)據(jù)，后統(tǒng)一數(shù)據(jù)串行化的方法，使數(shù)據(jù)串行化速度最快。

2.3 資源優(yōu)化方案

根據(jù)測(cè)控需求，優(yōu)化采集參數(shù)配置，使傳輸信道資源充分利用，減少通信負(fù)載對(duì)信道的沖擊和壓力，留有可擴(kuò)展的空間。視頻數(shù)據(jù)占用轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)的剩余傳輸空間，看起來(lái)能充分利用信道帶寬，實(shí)則視頻數(shù)據(jù)所能增加的數(shù)據(jù)量很小，同時(shí)會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)串行化的復(fù)雜性和不可靠性。為了保證不同通道的數(shù)據(jù)周期性，取其最小公倍數(shù)為最大采集傳輸頻率。

3 格式集成解譯器程序設(shè)計(jì)

基于格式集成解譯器的設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序分模塊設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)功能劃分為時(shí)鐘生成模塊、使能信號(hào)產(chǎn)生模塊、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)/GPS數(shù)據(jù)/溫度數(shù)據(jù)/視頻數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)集成/解譯模塊。

對(duì)FPGA進(jìn)行初始化，成功初始化后生成時(shí)鐘和使能信號(hào)，在復(fù)位信號(hào)允許的情況下進(jìn)行多路并行采集，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，采取不同的時(shí)鐘和處理方法，將多路數(shù)據(jù)集成為串行數(shù)據(jù)輸出，最后對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及解譯，獲得多路并行輸出信號(hào)。整體數(shù)據(jù)處理程序流程見(jiàn)圖 2。整體數(shù)據(jù)處理模塊程序見(jiàn)圖 3。

4 格式集成解譯器仿真和結(jié)果分析

FPGA芯片數(shù)據(jù)傳輸快，實(shí)時(shí)性能好，高速并行處理能力強(qiáng)大，可通過(guò)編程快速升級(jí)，能滿足電子系統(tǒng)小型化、高可靠、低功耗等需求。目前，全球60%的PLD/FPGA產(chǎn)品由Altera和Xilinx公司提供[8]。本文選用Altera公司的FPGA芯片作為格式集成解譯器的核心處理芯片。使用QuartusⅡ進(jìn)行工作程序設(shè)計(jì)與編寫(xiě)，使用Modelsim建立與工作程序?qū)?yīng)的波形輸入文件。采用與實(shí)際精度相同的時(shí)間單位，定義輸入輸出變量，加載輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，編譯文件，運(yùn)行仿真。

根據(jù)格式集成解譯器數(shù)據(jù)處理程序，對(duì)各模塊聯(lián)合仿真分析。data _together功能模塊將采集的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)（r_rotation）、GPS數(shù)據(jù)（r_gps）、溫度數(shù)據(jù)（r_temper）和視頻數(shù)據(jù)（r_video）處理為串行集成數(shù)據(jù)信號(hào)（s_out），仿真結(jié)果見(jiàn)圖 4。轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)同步采集，采集頻率25Hz，取自視頻數(shù)據(jù)25幀/秒，即在40ms內(nèi)完成1228872個(gè)有用數(shù)據(jù)點(diǎn)的集成，余下371248個(gè)無(wú)用數(shù)據(jù)點(diǎn)為待擴(kuò)展通道使用。圖4中可看出視頻數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的在數(shù)據(jù)量上的巨大差別。

data_disperse功能模塊將輸入的串行集成數(shù)據(jù)（r_in）解譯。通過(guò)數(shù)據(jù)解譯使能信號(hào)（CLOCK_en）、輸出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)（s_rotation）、GPS數(shù)據(jù)（s_gps）、溫度數(shù)據(jù)（s_temper）和視頻數(shù)據(jù)（s_video）。仿真結(jié)果見(jiàn)圖 5。在數(shù)據(jù)解譯過(guò)程中，解譯使能信號(hào)是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在40ms周期前32ms內(nèi)將視頻數(shù)據(jù)解譯，后8ms內(nèi)將其他數(shù)據(jù)解譯。最終將串行集成數(shù)據(jù)四路數(shù)據(jù)剝離，單獨(dú)輸出。對(duì)解譯出視頻數(shù)據(jù)與串行集成中的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序比對(duì)，可看出數(shù)據(jù)一致，具體見(jiàn)圖 6。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某無(wú)人飛行器與測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與交互的問(wèn)題，分析了測(cè)控需求，給出了格式集成解譯器的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)模擬仿真驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案，對(duì)無(wú)人飛行器的一體化信道設(shè)計(jì)有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]