基于CPCI總線的航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)設計

張賀鑫，雷文禮，王雨婷

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

航天器通常處于高溫高壓的惡劣環(huán)境中，當設備在飛行過程中發(fā)生故障時，會導致衛(wèi)星的輪控姿態(tài)會發(fā)生偏差，甚至轉速失控。因此，如何有效地探測航天器的失效狀態(tài)，已成為當前研究的熱點之一[1]。當前基于時域反射法設計的系統(tǒng)檢測和分析導體絕緣故障，但本系統(tǒng)采用的測量信號為窄電壓脈沖，易受原功率信號的影響，且僅適用于電纜故障離線檢測；基于頻域反射法設計的系統(tǒng)，通過被測電纜接收掃頻信號，利用傅立葉變換，測量反射信號峰值頻率，完成故障點的距離轉換。該系統(tǒng)能夠檢測和定位航空器電纜故障，但因為算法復雜度較低，無法進行實時檢測，只能離線運行；基于非線性時間序列定位算法設計的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)故障特征提取，從而實現(xiàn)光纖網(wǎng)絡故障的快速定位，已取得了一些研究成果，但是算法定位精度不高，實時性差。

針對上述問題，設計了基于CPCI總線的航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)。CPCI總線在操作系統(tǒng)、驅動程序和應用程序中，數(shù)據(jù)傳輸速度更快，具有高度開放性、高可靠性和熱插拔能力。除了在通信和網(wǎng)絡中有廣泛地應用之外，它也可用于實時系統(tǒng)控制，工業(yè)自動化，實時數(shù)據(jù)采集，軍事系統(tǒng)等方面，以 CPCI總線結構為基礎的設備，已經(jīng)廣泛應用于航空航天領域的地面設備開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體框架設計

基于CPCI總線的航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)總體框架主要采用標準CPCI箱體，中央處理機(CPU)采用普通板，其余功能模塊采用已投入生產(chǎn)的CPCI板[2]。系統(tǒng)以CPU板為控制板，主要負責各種功能板的軟件計算與硬件調(diào)度，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

連接被測板和子適配器，連接子適配器和主適配器。主適配器主要控制PXI中的卡資源，并連接通用的PC終端。系統(tǒng)總體框架主要控制PXI中各板產(chǎn)生的響應激勵信號以及從測量板獲得的響應信號[3]。通過主適配器以及子適配器，將激勵信號添加到被測電路板上，并在電路板上添加標識信號，實現(xiàn)系統(tǒng)故障的定位和識別。

2 系統(tǒng)硬件結構設計

基于CPCI總線的航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)硬件主要采用CPCI故障模擬模塊，通過RS232串行線控制注入機，利用故障注入器執(zhí)行故障注入CPCI總線，使用時鐘分配芯片傳輸時鐘信號，通過CPCI檢測板卡模塊，配合FPGA實現(xiàn)接口控制。

2.1 CPCI故障模擬模塊

CPCI故障模擬模塊通過RS232串行線對注入機的操作進行控制。注入器嵌入在目標設備與 CPCI底板之間，通過注入器可以對數(shù)據(jù)修改，從而實現(xiàn)故障注入[4]。CPCI故障模擬模塊結構如圖2所示。

圖2 CPCI故障模擬模塊結構圖

故障注入器負責故障注入的執(zhí)行，接收控制系統(tǒng)的參數(shù)和指令，根據(jù)用戶設定的參數(shù)將故障注入 CPCI總線，并將注入結果和總線狀態(tài)等相關信息反饋給控制軟件，供進一步分析處理。FPGA邏輯是故障注入器硬件的重要組成部分，包括CPCI-to-CPCI橋IP核和故障注入邏輯[5]。橋接 IP核擴展了目標系統(tǒng)原有的 PCI總線；擴展總線通常被稱為次總線，而擴展總線被稱為主總線。CPCI-to-CPCI橋 IP核在主總線上只相當于一臺 PCI設備，而在此總線上可以支持更多設備[6]。

2.2 故障注入器

因為CPCI故障注入程序包含一個CPCI-CPCI橋接邏輯，所以注入程序本身在總線主端作為CPCI設備運行?？偩€主側注入器設計必須符合 CPCI設備設計規(guī)范；CPCI-CPCI橋接 IP核提供地址、數(shù)據(jù)、控制信號、獨立時鐘、中斷機制和總線仲裁機制，用于總線上的其它設備。二次注入器的總線設計必須符合 CPCI底板，為保證注射頭與靶板的正常工作，需根據(jù)有關規(guī)范進行硬件設計[7]。故障注入器結構主要包括 FPGA、CPCI插座、電源電路、通訊接口電路、時鐘電路和配置電路[8]。在FPGA工作時，F(xiàn)PGA包含CPCI-to-CPCI橋接IP核和故障注入邏輯，但是FPGA基于 SRAM技術，斷電后通常會丟失內(nèi)部邏輯。當FPGA加電時，為了保存FPGA配置信息和自動配置FPGA，就需要一個獨立的外部配置電路，這種組態(tài)電路通常使用 EEPROM作為組態(tài)芯片。

2.3 時鐘電路模塊

CPCI-to-CPCI橋接IP用于輸入端P_CLK和S_CLK分別為主端和副端的兩個同步時鐘域，時鐘信號需要同步，并且S_CLK的相位和頻率不得超過P_CLK。連接后，主機側時鐘信號的長度應為63.5 mm(±2.54 mm)，其他信號的長度應小于或等于63.5 mm。在第二端的每個擴展插槽都需要一個獨立的時鐘信號，該信號由CPCI到CPCI橋接器通過時鐘分配芯片傳輸[9]。為減少時鐘信號支路的反射效應，時鐘分配芯片必須將時鐘信號串入擴展槽中，再加上終端電阻。與此同時，為了保證時鐘信號的同步，時鐘分布芯片與 FPGA的S_CLK輸入口必須具有相同長度的時鐘跟蹤每個擴展槽，每個擴展槽的長度為135～185 mm。二次側噴嘴設計有三個擴張槽，但由于空間限制，只能實現(xiàn)其中一個擴張槽。時鐘分配電路模塊結構如圖3所示。

圖3 時鐘分配電路模塊結構圖

2.4 CPCI檢測板卡模塊

使用CPCI接口芯片，配合 FPGA實現(xiàn)接口控制。FPGA+ CPCI接口芯片結構如圖4所示。

圖4 FPGA+ CPCI接口芯片結構圖

因為CPCI總線是基于CPCI總線協(xié)議開發(fā)的，所以它承接了CPCI總線上的所有信號，并且在通信過程中維護CPCI總線的所有電氣特性。CPCI接口芯片CPCI9054在 CPCI總線上完成 CPCI總線的部分功能，并可與各模塊 I/O端口及存儲器通信[10]。FPGA負責PCI9054與本機端口的通訊，實現(xiàn)CPCI本機定時控制。在CPCI總線上控制和管理觸發(fā)信號、參考時鐘和其它擴展信號，以及執(zhí)行其它定時操作和控制。

3 系統(tǒng)軟件部分設計

對于軟件部分設計，當發(fā)現(xiàn)故障時，如果運行時間仍然不能滿足系統(tǒng)運行要求，用戶可根據(jù)可靠性來判斷。若工作時間影響系統(tǒng)的工作要求，系統(tǒng)會自動復位并重新初始化設備。系統(tǒng)故障處理邏輯流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)故障處理邏輯流程圖

在任務開始運行時，兩個任務之間的時間間隔被設定為固定位置。按照設計任務運行周期為32 ms，時鐘準確度為微秒，因此，運行周期的時間誤差在100 μs范圍內(nèi)。錯誤大于100 μs小于1 ms，報警次數(shù)增加；錯誤大于1 ms，軟件重新進行初始化，完成對看門狗和任務的刪除和重構。在任務級故障檢測方面，利用任務間的相互依賴關系實現(xiàn)任務間的相互檢測；在系統(tǒng)的整體運行中，許多任務相互依賴，需要使用消息來交換信息。所以當任務 A運行時，任務 B是否發(fā)送了任務 A需要的消息，任務級故障處理流程如圖6所示。

圖6 任務級故障處理流程圖

任務 A啟動后，首先從任務 B獲取消息。如已成功獲得任務 B的消息，則表明任務 B工作正常，程序運行正常。若某個獲取失敗，則程序繼續(xù)運行，等待下一個獲取，然后再次讀取消息。若此時能成功取得訊息，警報會增加一次，繼續(xù)正常運作。若仍未成功，則初始化任務 B，并確保它在運行前對所有相關變量進行初始化。終端網(wǎng)工作站定期向總線控制器和系統(tǒng)芯片發(fā)送多路通信網(wǎng)的相關信息，主要通過CPCI總線控制芯片和傳輸通信信號分析處理系統(tǒng)芯片，并向終端網(wǎng)節(jié)點返回無疵點檢測結果。

在正常工作時間內(nèi)，如果終端系統(tǒng)接收不到上位機的確認幀反饋，則可以確定故障區(qū)域。在多個通信網(wǎng)絡中檢測故障信號的關鍵是準確識別故障信號中包含的異常信息。該系統(tǒng)的軟件算法部分在信息提取和噪聲過濾鏈路中，使用二次相關算法，可在信噪比較低的情況下使用該算法。該方法可以準確估計多個網(wǎng)絡的延遲，并提取故障信號中包含的異常信息。分別以和對信號采集模塊采集的收發(fā)信號，設計了以下信號模型：

(1)

式(1)中,s(t)表示原始航天器通信信號；i表示信號采集次數(shù)；τi表示通信信號系數(shù)；n(t)表示故障檢測系統(tǒng)受到的噪聲影響函數(shù)。發(fā)射信號與接收信號兩者之間關系如下所示：

Rxy(U)=E[x(t)y(t+U)]

(2)

充分考慮故障檢測系統(tǒng)受到的噪聲影響因素，將發(fā)射信號與接收信號兩者之間關系改寫為：

(3)

識別多通道通信網(wǎng)中所述發(fā)送信號和所述接收信號之間的關系，二次相關算法可以在低信噪比的情況下，提高網(wǎng)絡時延估計的準確性，并且能夠準確地提取多通道通信故障信號中包含的詳細信息，以定位和識別故障節(jié)點或連接，及時處理多通道網(wǎng)絡通訊故障，實現(xiàn)基于CPCI總線的航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)設計。

4 系統(tǒng)調(diào)試

針對基于CPCI總線架構的航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)設計合理性，進行系統(tǒng)調(diào)試分析。

4.1 CPCI串口卡故障注入實驗環(huán)境

CPCI服務器通常用于工業(yè)控制領域的數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)設備狀態(tài)監(jiān)測。帶有 CPCI接口的串口卡是一種比較常用的外設，在 CPCI試驗中，選擇研華micc-3392作為 CPCI試驗機，用普通 PC作為控制機，進行 CPCI故障注入試驗。執(zhí)行故障注入控制軟件，通過RS232串行線連接故障注入器。CPCI串口卡故障注入實驗環(huán)境如表1所示。

表1 CPCI串口卡故障注入實驗環(huán)境

通過 CPCI串行卡故障注入實驗，MIC-3621串行卡插入噴射器，MIC-3392試驗機外圍插槽插入噴射器。RS232串口與MIC-3621串口卡通過串口直接相連，串口調(diào)試助手軟件分別運行于測試機和控制機上。

4.2 實驗結果與分析

采集航天器通信信號，分別分析正常情況下和故障情況下信號曲線變化幅度，如圖7所示。

圖7 正常情況下和故障情況下信號曲線變化幅度

由圖7可知，正常情況下信號曲線變化幅度具有一定規(guī)律性，在3.5 s采集時間內(nèi)，信號最大為28 dB，最小為3.8 dB；而在故障情況下信號曲線變化幅度不具有規(guī)律性，在3.5 s采集時間內(nèi)，信號最大為28 dB，最小為1 dB。

基于此，分別基于時域反射法設計的系統(tǒng)、基于頻域反射法設計的系統(tǒng)、基于非線性時間序列定位算法設計的系統(tǒng)和基于CPCI的總線架構設計的系統(tǒng)對這兩種情況下的信號曲線變化幅度展開分析，結果如圖8、9所示。

圖8 不同系統(tǒng)正常情況下信號曲線變化幅度

圖9 不同系統(tǒng)故障情況下信號曲線變化幅度

由圖8可知，基于時域反射法設計的系統(tǒng)與實際信號采集周期不一致，但變化幅度一致，信號最大為26 dB，最小為9 dB；基于頻域反射法設計的系統(tǒng)與實際信號采集周期一致，信號最大為27 dB，最小為7 dB；基于非線性時間序列定位算法設計的系統(tǒng)與實際信號采集周期一致，信號最大為24 dB，最小為12 dB；使用基于CPCI總線架構設計的系統(tǒng)與實際變化幅度一致，信號最大為28 dB，最小為3.8 dB。

由圖9可知，基于時域反射法設計的系統(tǒng)整體變化幅度呈下降趨勢，整體變化幅度不大，但整體與實際情況相差較大，信號最大為23 dB，最小為8 dB；基于頻域反射法設計的系統(tǒng)變化幅度上下波動形式較大，信號最大為35 dB，最小為13 dB；基于非線性時間序列定位算法設計的系統(tǒng)比上述這兩種系統(tǒng)更貼近實際曲線變化幅度，但也與實際情況存在一定偏差，信號最大為28 dB，最小為9 dB；使用基于CPCI總線架構設計的系統(tǒng)與實際變化幅度一致，信號最大為28 dB，最小為1 dB。

不同系統(tǒng)的通信設備故障信號檢測時間如圖10所示。

圖10 不同系統(tǒng)通信設備故障信號檢測時間

由圖10可知，基于時域反射法設計的系統(tǒng)的通信設備故障信號平均檢測時間為2.7 s，基于頻域反射法設計的系統(tǒng)的通信設備故障信號平均檢測時間為3.1 s，基于非線性時間序列定位算法設計的系統(tǒng)的通信設備故障信號平均檢測時間為3.5 s，而基于CPCI的總線架構設計的系統(tǒng)的通信設備故障信號平均檢測時間僅為1.8 s，由此可知，基于CPCI總線架構設計的系統(tǒng)的通信設備故障信號檢測時間較短，

通過上述內(nèi)容可知，使用基于CPCI總線架構設計的系統(tǒng)能夠精準檢測到通信設備故障信號，有效縮短通信設備故障信號檢測時間。

5 結束語

為提高當前航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)通信設備故障信號檢測精準度，降低故障檢測時間，設計基于CPCI總線的航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)。通過CPCI故障模擬模塊控制注入機，采用故障注入器執(zhí)行故障注入CPCI總線，使用時鐘分配芯片傳輸時鐘信號，運用CPCI檢測板卡模塊，配合FPGA實現(xiàn)接口控制，完成系統(tǒng)硬件結構設計，通過終端網(wǎng)工作站發(fā)送多路通信網(wǎng)相關信息，返回無疵點檢測結果，采用二次相關算法，提取多通道通信故障信號詳細信息，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件部分設計。實驗研究表明，基于CPCI總線的航天器通信信號設備故障檢測系統(tǒng)通信設備故障信號檢測精準度較高，能夠有效縮短通信設備故障信號檢測時間。