基于遠程動態(tài)重構的通用靶場測控系統(tǒng)設計

(空間物理重點試驗室，北京 100076)

0 引言

飛行器測控系統(tǒng)是由外測、遙測、遙控、計算中心等分系統(tǒng)組成的復雜系統(tǒng)，包括靶場測控系統(tǒng)和航區(qū)測控系統(tǒng)[1]。現(xiàn)代靶場測控系統(tǒng)的部署方案是將供配電計算機、電源、手動配電控制臺、諸元裝訂計算機、檢測站多種變頻設備等多個分立設備置于發(fā)射場坪附近的前端測試間，將測控計算機、數(shù)據(jù)處理機、存儲器測控設備、檢測站多種基帶設備等多個分立設備置于后端遠控測試間，前后端設備通過交換機和光纖實現(xiàn)局域網(wǎng)互連，后端存儲器測控設備與飛行器存儲器間通過電光轉(zhuǎn)換連接，測試人員均在后端操作。這種方案集成度不高，設備臃腫，操作人員多，且通用性不強。

隨著鋰離子電池在航天系統(tǒng)中的大量應用，電源已不再是靶場測試的必需設備；而隨著自動測試總線技術的不斷發(fā)展，利用PXI、PXI Express等總線及其內(nèi)嵌控制器，將各功能模塊集成為一體化設備，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立設備，由后端單個設備統(tǒng)一調(diào)控，減少設備，解放人力。

在設備集成化的前提下，通過可重構技術改變硬件邏輯結(jié)構，可在相同硬件上實現(xiàn)不同功能，進一步節(jié)約硬件資源。

1 可重構技術簡介

可重構技術一般包括靜態(tài)可重構技術和動態(tài)可重構技術。靜態(tài)可重構是指在FPGA開始運行之前為其配置不同的數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)邏輯功能的改變。

動態(tài)可重構技術是在FPGA運行過程中，為其配置不同的數(shù)據(jù)文件，改變FPGA的邏輯功能。遠程動態(tài)重構是通過以太網(wǎng)對需要重構的FPGA系統(tǒng)進行局部邏輯功能的更新，是近年來由Xilinx公司提出的基于互聯(lián)網(wǎng)的可重構邏輯(IRL)系統(tǒng)升級方法[2]。圖1是一個典型的IRL系統(tǒng)。

圖1 典型的IRL升級系統(tǒng)組成

近年來，隨著FPGA可重構技術的發(fā)展，以FPGA為核心的可重構儀器大量涌現(xiàn)，比如NI公司的FlexRIO、Teradyne公司的Ai-710等，但這些可重構儀器均不具備遠程動態(tài)重構功能，無法在某些特殊的場合實現(xiàn)儀器邏輯功能升級。

靶場某些環(huán)境下人力不易到達或存在危險，采用遠程動態(tài)重構技術可以方便地遠程快速改變設備的局部邏輯功能，既可迅速實現(xiàn)靶場不同飛行器的通用化測試，又可迅速實現(xiàn)同一飛行器不同功能的測試，方便設備的遠程升級維護，大大降低成本。

2 通用靶場測控方案

2.1 總體方案

利用PXI總線將供配電計算機、諸元裝訂計算機、存儲器測控臺、手動配電控制臺、檢測站基帶設備和變頻設備等設備集于一體，組成一個測控組合，置于發(fā)射場坪附近的前端測試間，連接飛行器完成有線測試和無線遙測遙控測試。后端遠控測試間僅布置主控計算機和數(shù)據(jù)處理計算機，由主控計算機通過局域網(wǎng)實現(xiàn)對前端設備的控制和狀態(tài)檢測，由數(shù)據(jù)處理計算機完成遙測數(shù)據(jù)的處理和分析，前后端通過交換機組成局域網(wǎng)。靶場測控系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 靶場測控系統(tǒng)總體方案

2.2 測控組合設計方案

測控組合由RS422通訊模塊、1553B通訊模塊、LVDS通訊模塊、繼電器模塊、電源模塊、基帶處理模塊和上、下變頻模塊等構成，各模塊均為3U標準PXI板卡。RS422通訊模塊可實現(xiàn)供配電控制、諸元裝訂、狀態(tài)監(jiān)測和有線PCM接收；LVDS傳輸模塊可完成存儲器控制和存儲器數(shù)據(jù)的高速下載；1553B通訊模塊可實現(xiàn)對器上設備的控制和監(jiān)視；繼電器模塊直接受面板硬開關控制，在電源模塊的配合下提供帶電觸點，完成器上手動配電，基帶處理模塊和上、下變頻模塊實現(xiàn)無線遙測、遙控的一體化測試，嵌入式控制器實現(xiàn)各模塊的調(diào)控、數(shù)據(jù)存儲和處理。測控組合組成如圖3所示。

圖3 測控組合組成

結(jié)合實際情況，為實現(xiàn)不同的串口通訊形式和無線測控體制，RS422通訊模塊與基帶處理模塊的設計采用了遠程動態(tài)重構技術。其余模塊均易于實現(xiàn)通用性設計，在此不做贅述。

3 可重構模塊設計

3.1 可重構模塊硬件組成

圖4與圖5分別給出了RS422通訊模塊和基帶處理模塊的硬件原理框圖。兩個模塊包含相同的FPGA、以太網(wǎng)接口電路、DDR2 SDRAM緩存電路、Flash存儲電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及PXI接口電路。

選用Xilinx的Virtex-5 FXT系列FPGA XC5VFX30T作為控制器，它包含PowerPC440處理器，以及TEMAC(Tri-mode Ethernet Media Access Controller)、MPMC(Multi-Port Memory Controller)、EMC(External Memory Controller)以及ICAP(Internal Configuration Access Port)控制器等多種IP核，便于實現(xiàn)動態(tài)重構。

選用Marvell的PHY芯片88E1111，與TEMAC IP核相結(jié)合，實現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸；選用Micron的512MB DDR2 SDRAM作為配置文件的緩存和軟件的運存；選用Micron的128Mbits NOR Flash JS28F128J3F75A存儲相關配置文件。

RS422通訊模塊利用FPGA控制4路RS422收發(fā)，選用TI的DS26C31和DS26C32分別作為RS422串口收發(fā)器，串行數(shù)據(jù)的輸入輸出采用光耦隔離。

基帶處理模塊利用FPGA實現(xiàn)編碼調(diào)制與解調(diào)解碼等，利用A/D、D/A及其相關通道實現(xiàn)基帶信號的收發(fā)，ADC選用ADI的AD9268，DAC選用TI的DAC5675；選用ADI的AD9516作為DCM(Digital Clock Manager)，可通過內(nèi)部VCO產(chǎn)生高質(zhì)量、低抖動的時鐘信號，供DAC、ADC使用；ADC前端通道完成濾波和阻抗匹配，DAC后端通道實現(xiàn)信號放大和阻抗匹配。

圖4 RS422通訊模塊硬件原理框圖

圖5 基帶處理模塊硬件原理框圖

3.2 SOPC配置的實現(xiàn)

在FPGA上構建SOPC(System on a Programmable Chip)，并將其劃分為靜態(tài)區(qū)和重構區(qū)，在靜態(tài)區(qū)實現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸、配置文件存儲、動態(tài)重構和PXI接口等通用功能，而僅在重構區(qū)內(nèi)進行部分邏輯重構，以減小重構單元數(shù)目，縮短重構時間。這里采用基于BPI Flash的配置模式實現(xiàn)SOPC的配置[3]。

遠程動態(tài)重構方案如圖6所示。在FPGA靜態(tài)區(qū)內(nèi)，PowerPC440處理器通過PLB(Processor Local Bus)總線訪問各外設控制IP核，實現(xiàn)對各外設的控制。其中，TEMAC IP核完成以太網(wǎng)接口電路的控制，可獨立配置接收與發(fā)送FIFO，開啟接收與發(fā)送硬件校驗，這里通過GMII接口與PHY芯片連接；MPMC IP核完成DDR2 SDRAM的控制，這里為MPMC配置PPC440MC和NPI兩個端口，分別作為與PowerPC440和DDR2的接口，并將MPMC配置為FIXED仲裁模式以減少資源消耗。另外，ICAP IP核用于完成重構區(qū)域的配置，PCI IP核完成PCI接口DMA讀寫邏輯，EMC IP核用于控制NOR Flash。軟件程序運行于PowerPC440內(nèi)，實現(xiàn)對各接口的調(diào)度控制。

圖6 遠程動態(tài)重構方案框圖

SOPC的配置流程如下。第一步，在Xilinx XPS中創(chuàng)建硬件工程，為PowerPC處理器添加外設IP核(包括自定義的黑盒)并劃定地址，添加外部端口約束，生成比特流文件system.bit和塊存儲器映射文件system.bmm。第二步，將硬件工程導入Xilinx SDK中，導入system.bit和system.bmm，同時將引導程序bootloader.elf設置為初始配置文件，完成配置并生成融合的比特流文件download.bit。第三步，在SDK中創(chuàng)建C工程，導入文件系統(tǒng)生成包BSP，定義庫文件，編寫驅(qū)動程序，生成鏈接腳本文件linker script，生成軟件可執(zhí)行文件appname.elf并轉(zhuǎn)化為SREC文件。第四步，利用Xilinx impact工具生成BPI Flash兼容的配置文件download.mcs，并燒寫入Flash的起始地址。第五步，將SREC文件燒寫入Flash的特定偏移地址中，此偏移地址與bootloader中的偏移地址保持一致[4]。

片上系統(tǒng)啟動的過程中，只能使用FPGA片內(nèi)RAM空間作為運行空間；但PowerPC440軟件程序移植了文件系統(tǒng)，F(xiàn)PGA提供的RAM空間不夠其使用。而引導程序容量較小，上電后可加載到片內(nèi)RAM中直接運行。在引導程序中設定相對應的地址偏移量，這樣就可以根據(jù)設定的偏移量直接從Flash中的特定偏移地址中讀取軟件的配置文件，使軟件運行于片外Flash[5]。

3.3 遠程動態(tài)重構的實現(xiàn)

遠程動態(tài)重構的工作流程如下：可重構模塊上電后SOPC從Flash中讀取配置文件，完成初始配置，并與遠程計算機完成網(wǎng)絡連接；收到來自遠程計算機的重構使能后，接收遠程動態(tài)配置文件和配置區(qū)域地址，經(jīng)DDR2 SDRAM緩存，寫入Flash相應地址；最后通過ICAP IP核完成重構區(qū)邏輯的動態(tài)重構。

控制流程在SOPC軟件中實現(xiàn)，軟件移植Xilinx公司的XilFATFS文件系統(tǒng)，它提供完整的源程序和良好的接口函數(shù)。采用Light Weight IP協(xié)議棧，并使用RAW模式的API接口函數(shù)完成TCP/IP協(xié)議。Xilinx SDK中包含了Light Weight IP的源碼與庫，可直接生成TEMAC IP核驅(qū)動。

3.4 RS422通訊模塊重構區(qū)功能實現(xiàn)

串口通訊有異步和同步之分。異步串口通訊邏輯較簡單，此處不做贅述。標準同步串口通訊包括位同步、字符同步和幀同步，而在標準同步通訊的基礎上，又衍生出自同步、準同步等多種通訊形式。

圖7是包含CRC校驗的標準同步串行通訊的邏輯實現(xiàn)框圖。定時通訊觸發(fā)單元利用時鐘計數(shù)器產(chǎn)生周期性的觸發(fā)信號，送入發(fā)控單元。發(fā)控單元一方面產(chǎn)生波特率大小的時鐘供發(fā)送單元使用，另一方面根據(jù)設定的命令幀長度，在定時觸發(fā)單元觸發(fā)下，從發(fā)送FIFO中取出一幀命令幀數(shù)據(jù)，由發(fā)送單元發(fā)送。發(fā)送單元完成并行向串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，并在串行數(shù)據(jù)輸出的過程中添加CRC校驗碼。收控單元根據(jù)發(fā)送單元給出的狀態(tài)指示信號判斷當前的通訊狀態(tài)；如為發(fā)送狀態(tài)，收控單元將發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送時鐘送入接收單元，實現(xiàn)對發(fā)送數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)校驗結(jié)果的回收；如為空閑狀態(tài)，收控單元將獲取外部接收數(shù)據(jù)和接收時鐘信號。接收單元完成CRC校驗以及串行向并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，并將處理的數(shù)據(jù)和校驗結(jié)果一并寫入接收FIFO中。

圖7 標準同步串行通訊邏輯圖

對于準同步串行通訊形式，只是在標準同步的基礎上，利用定時觸發(fā)單元產(chǎn)生副幀同步、字同步信號等，準同步時序如圖8所示。

圖8 準同步串口通訊時序圖

3.5 基帶處理模塊重構區(qū)功能實現(xiàn)

3.5.1 PCM-FM遙測體制實現(xiàn)

PCM-FM遙測體制可實現(xiàn)低仰角條件下的高碼率遙測，具有抗多徑、抗相位隨機閃爍等優(yōu)勢，應用多符號檢測技術(MSD)和Turbo乘積碼編譯碼技術(TPC)，在誤碼率為1×10-7條件下，可獲得近8dB的信道增益[6]。

圖9 PCM-FM遙測體制邏輯框圖

PCM-FM遙測體制邏輯如圖9所示。在FPGA中產(chǎn)生兩路正交信號對A/D采樣信號進行數(shù)字正交下變頻，生成I、Q兩路信號并分別進行匹配濾波，以濾除噪聲和干擾；然后利用非相干基帶MSD算法完成鑒頻，得到PCM碼流；經(jīng)位同步、TPC譯碼、幀同步等過程完成信號的檢測，獲得遙測數(shù)據(jù)[7]。另外，利用TPC編碼和數(shù)字正交調(diào)制提供遙測模擬源，以實現(xiàn)系統(tǒng)自檢。

可利用上位機通過PXI總線設置碼率、編碼類型、幀格式、載波頻率、載波環(huán)帶寬、調(diào)制度等。

3.5.2 擴頻測控體制實現(xiàn)

擴頻測控體制可實現(xiàn)點頻統(tǒng)一和信道統(tǒng)一，具有抗干擾、保密性強等優(yōu)勢，且通過不同的擴頻碼可實現(xiàn)多目標測控。這里采用PCM-DSSS-QPSK調(diào)制方式，采用非相干擴頻模式(TT&C模式二)實現(xiàn)遙測、遙控和外測一體化測控。

擴頻測控體制邏輯如圖10所示。A/D采樣信號同時送入載波與偽碼捕獲單元和載波與偽碼跟蹤單元，采用匹配濾波與FFT頻率估計的方法進行信號的快速捕獲，捕獲的載波和偽碼送入跟蹤單元；利用Costas環(huán)實現(xiàn)載波的跟蹤、解調(diào)和解擴，在FLL跟蹤環(huán)中，采用歸一化的叉積鑒頻器，在PLL跟蹤環(huán)中，采用Costas環(huán)反正切鑒相器[8]；利用偽碼跟蹤環(huán)實現(xiàn)偽碼的跟蹤，當載波沒有鎖定時，采用非相干功率鑒相算法，當載波鎖定時，采用相干點積鑒相算法；跟蹤單元輸出的信號經(jīng)位同步信號的積分判決，并進行Viterbi譯碼和幀同步處理，完成遙測數(shù)據(jù)的接收。遙控指令經(jīng)卷積編碼、交織、串并轉(zhuǎn)換、偽碼擴頻、載波調(diào)制后，經(jīng)D/A電路發(fā)送。

圖10 擴頻測控體制邏輯框圖

可利用上位機通過PXI總線設置碼率、偽碼類型、偽碼速率、編碼類型、幀格式、載波頻率、載波環(huán)帶寬、調(diào)制度等。

4 測試與分析

4.1 RS422通訊模塊功能測試

利用MOXA串口卡對RS422通訊模塊進行收發(fā)測試，并用示波器監(jiān)測線路上的收發(fā)信號。經(jīng)測試，各種不同的串行通訊誤碼率低于1×10-7，波特率調(diào)整、定時收發(fā)、CRC校驗等功能均正常。圖11和圖12所示分別為標準同步通訊和準同步通訊的波形。

圖11 標準同步通訊波形

圖12 準同步通訊波形

4.2 基帶處理模塊功能測試

將基帶處理模塊的DAC發(fā)送通道和ADC接收通道連接，可實現(xiàn)基帶的小環(huán)比對。經(jīng)測試，在不同的體制下，基帶接收誤碼率均低于1×10-7，利用上位機調(diào)整相關參數(shù)，基帶處理模塊均作出正確響應。

圖13和圖14所示分別為PCM-FM遙測體制下調(diào)制度為0.7時的調(diào)制信號頻譜，以及擴頻測控體制下調(diào)制信號的頻譜。

圖13 PCM-FM調(diào)制信號頻譜(SPAN=30 MHz)

圖14 擴頻調(diào)制信號的頻譜(SPAN=150 MHz)

4.3 可重構模塊重構時間測試

遠程重構的總時間t是從遠程計算機發(fā)送配置文件到可重構模塊完成重構這一段時間，由配置文件通過以太網(wǎng)上傳至可重構模塊端口的時間t0、配置文件寫入Flash的時間t1以及配置文件從Flash載入FPGA的時間t2組成，t=t0+t1+t2。利用Wireshark軟件測量出網(wǎng)絡傳輸速率，結(jié)合網(wǎng)絡傳輸速率和配置文件的容量得出t0。在軟件代碼中設定時間戳函數(shù)，利用返回值差值計算得到t1和t2。

測試中對各可重構模塊的多個重構狀態(tài)進行重構時間測試，其測試結(jié)果如表1所示。

表1 重構時間測試結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，t0由網(wǎng)絡傳輸?shù)乃俣葲Q定，t1和t2分別由Flash的擦寫速度與讀取速度決定。用配置文件大小除以t0的平均值，得到傳輸速率的平均值為32.937 Mbps；擦寫速率由配置文件大小除以t1的平均值得到，平均擦寫速率為1.023 MB/s；讀取速率則由配置文件大小除以t2得到，平均存儲速率為10.293 MB/s。

4.4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

利用兩個不同的等效器模擬不同的飛行器，按圖15連接同一地面系統(tǒng)，通過遠程動態(tài)重構方式完成地面系統(tǒng)的功能重構，遠程重構時間小于20 s，性能優(yōu)異。測控組合通過脫插與等效器連接，完成存儲器數(shù)據(jù)下載、供配電控制、有線PCM接收等功能的驗證。經(jīng)聯(lián)調(diào)，存儲器下載速率達180 Mb/s(傳輸距離為50 m)，有線PCM傳輸速率達10 Mb/s(傳輸距離為50 m)。將測控組合的S波段上、下變頻模塊分別連接發(fā)射天線和接收天線，實現(xiàn)無線遙測、外測、遙控等功能的自檢驗證。輸入功率為-110～0 dBm，輸入頻率為RF(2 200～2 400 MHz，帶寬70 MHz)，擴頻體制下偽碼速率為10～12 Mchip/s可調(diào)，遙控碼速率為1～10 Kbps可調(diào)。PCM-FM遙測體制下遙測數(shù)據(jù)率達5 Mb/s。滿足現(xiàn)階段靶場測控系統(tǒng)的基本使用需求。

圖15 系統(tǒng)測試示意圖

5 結(jié)論

本文介紹的基于遠程動態(tài)重構的通用靶場測控系統(tǒng)設計，通過PXI總線將試驗所需的各模塊集成于前端測控組合，由后端主控計算機完成對前端設備的綜合調(diào)度，由數(shù)據(jù)處理計算機完成遙測數(shù)據(jù)的實時處理，利用SOPC遠程動態(tài)重構實現(xiàn)了測控組合中RS422通訊功能和基帶處理功能的重配置。經(jīng)測試，測控組合具有較高的可靠性，重構時間短。本方法能夠有效降低研發(fā)和試驗成本，方便設備的遠程升級維護，提高測試效率，具有廣闊的應用前景。