一種星載遙測采集電路優(yōu)化設(shè)計

紀丙華，王茂森，沈 奇，張錦濤，戴 琳

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星在國土勘察、路況規(guī)劃、氣象監(jiān)測、農(nóng)產(chǎn)品估值、防災(zāi)減災(zāi)、廣播通信等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。

衛(wèi)星發(fā)射入軌后，受空間帶電粒子輻照環(huán)境等因素的影響，各分系統(tǒng)的工作狀態(tài)隨時可能發(fā)生改變[3]。由于其工作環(huán)境的特殊性以及入軌后的不可維修性，使得衛(wèi)星的在軌健康狀態(tài)監(jiān)測和自主任務(wù)管理成為提高其可靠性的重要項目。如果地面測控基站或衛(wèi)星自主健康監(jiān)測系統(tǒng)不能第一時間獲取衛(wèi)星在軌運行的狀態(tài)信息，及時感知衛(wèi)星健康狀態(tài)，那么一旦發(fā)生問題，錯過了最佳搶救時機將造成無法估量的損失[4-7]。遙測采集模塊作為星上工作狀態(tài)健康監(jiān)測的重要組成部分，在母線電壓采集、供電電流監(jiān)測、各分系統(tǒng)模塊開關(guān)機狀態(tài)和熱控溫度采集等方面發(fā)揮重要作用，可為星務(wù)平臺提供多方位的健康狀態(tài)監(jiān)測，為實現(xiàn)衛(wèi)星自主健康管理和地面感知提供重要參數(shù)。

本文針對傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺配套使用的遙測采集模塊數(shù)字量遙測回傳延時長、緩存成本高的問題，研制了一款基于FPGA 控制、無需硬件緩存的即采即發(fā)遙測采集電路，旨在為星務(wù)平臺更好地實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃提供操作依據(jù)。

1 電路設(shè)計

1.1 傳統(tǒng)遙測采集電路設(shè)計

通常使用的遙測采集模塊電路如圖1 所示。在實際應(yīng)用中，遙測采集模塊在收到平臺發(fā)出的固有頻率的遙測采集指令后即開始采集各分系統(tǒng)工作電壓、電流、溫度和開關(guān)狀態(tài)等遙測狀態(tài)信息，同時生成遙測數(shù)據(jù)包。由于板載FPGA 緩存資源有限，遙測采集模塊每周期產(chǎn)生的大量遙測數(shù)據(jù)只能以固定的數(shù)據(jù)包格式在FPGA 片外的SRAM 中進行暫存；待遙測采集模塊收到遙測群采指令后，再從SRAM 中讀取上一包遙測數(shù)據(jù)回傳給星務(wù)平臺。

圖1 傳統(tǒng)遙測采集模塊電路設(shè)計架構(gòu)Fig. 1 Circuit design architecture of a traditional telemetry acquisition module

由于FPGA 資源的局限性，每次回傳的數(shù)據(jù)來源總是從SRAM 中讀取的上一次指令啟動緩存的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)包，所以回傳的遙測數(shù)據(jù)比實時工作狀態(tài)至少慢1 個星務(wù)周期，即完成1 次遙測群采和數(shù)據(jù)回傳至少需要2 個星務(wù)控制周期。這使得遙測信息總是滯后于實際工作狀態(tài)，難以適應(yīng)衛(wèi)星平臺高實時的健康狀態(tài)監(jiān)測要求。

1.2 新型遙測采集電路設(shè)計

為提升遙測采集模塊工作的實時性，本文對傳統(tǒng)遙測采集電路的信息流進行優(yōu)化，設(shè)計了一種支持實時狀態(tài)量采集、即采即發(fā)的新型遙測采集模塊，其電路設(shè)計架構(gòu)如圖2 所示。該新型遙測采集模塊電路去除了SRAM 存儲器件，即無須將大量的狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)進行FPGA 片外緩存，僅片內(nèi)資源即可滿足要求，因此簡化了電路設(shè)計，降低了宇航產(chǎn)品的研制成本，同時提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖2 新型遙測采集模塊電路設(shè)計架構(gòu)Fig. 2 Circuit design structure of the new telemetry acquisition module

2 軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)遙測采集模塊對每路輸入狀態(tài)量的即采即發(fā)，對FPGA 控制邏輯進行優(yōu)化，主要包括模擬通道選通的控制時序邏輯設(shè)計和對外輸出的控制邏輯設(shè)計：要求FPGA 控制邏輯能在回傳衛(wèi)星平臺當前采集端口遙測參數(shù)的同時，完成下一路模擬量采集端口的模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換工作。即，當前通道的遙測數(shù)據(jù)傳輸完成時，下一路數(shù)據(jù)已經(jīng)準備就緒、可以接續(xù)傳輸，進而實現(xiàn)多路模擬量參數(shù)從采集到發(fā)送的無縫銜接。

其中新型遙測采集模塊的模擬量采集邏輯通道地址選擇程序如下：

該地址選擇程序中，寄存器變量“sample_cnt”是以固定時間周期遞增的采集路數(shù)寄存器；“mux”是8 bit 位寬的模擬門選通地址控制信號。程序可通過改變模擬門電路地址實現(xiàn)多路輸入通道的切換，最大支持85 路模擬量的采集工作；當“sample_cnt”變化時，F(xiàn)PGA 將該變量譯碼成模擬門的選通地址，實現(xiàn)遙測采集模塊對外輸入接口的遍歷采集。

新型遙測采集模塊的遙測參數(shù)輸出控制邏輯程序如下：

該控制邏輯程序中，“rd_ram_add”是輸出通道計數(shù)器；“tx_data”是數(shù)字量參數(shù)輸出寄存器；遙測群采指令對應(yīng)的遙測參數(shù)數(shù)據(jù)包幀長為184 Byte，根據(jù)要求順次輸出遙測變量。為便于衛(wèi)星平臺快速提取數(shù)據(jù)塊，開展遙測數(shù)據(jù)的解包工作，每幀遙測采集模塊的遙測數(shù)據(jù)幀頭和幀尾均填充固定的數(shù)據(jù)格式，幀頭包括遙測包引導(dǎo)頭“16'h39D7”、遙測包計數(shù)和數(shù)據(jù)包長度等信息，幀尾固定填充“aabbccddee”。對于外部輸入的模擬量參數(shù)，每當上一路遙測參數(shù)發(fā)送完畢后，發(fā)送地址寄存器“rd_ram_add”即加1，并將當前采到的遙測參數(shù)賦值給輸出參數(shù)寄存器“tx_data”，以實現(xiàn)當前遙測數(shù)據(jù)的對外發(fā)送。

3 仿真與實測驗證

為了驗證新型遙測采集模塊設(shè)計方案的正確與可行性，采用quarteus+Modelsim 軟件搭建了工程仿真平臺，結(jié)合實際應(yīng)用設(shè)計工程測試輸入激勵，遙測群采指令設(shè)計為“1D 97 11 11”， “rx_data”是遙測采集指令譯碼模塊接收到的指令內(nèi)容。新型遙測采集電路收到遙測群采指令后隨即啟動遙測群采過程，F(xiàn)PGA 控制輸出的遙測數(shù)據(jù)回傳情況如圖3 和圖4 所示。從圖中可以看出：新型遙測采集電路輸出遙測數(shù)據(jù)包的包頭引導(dǎo)碼“16'h39D7”、遙測包計數(shù)和數(shù)據(jù)包長“16'h00A2”等參數(shù)準確；遙測包計數(shù)順次遞增，模擬門地址選通依次執(zhí)行，符合預(yù)期要求；每路遙測端口采集完即發(fā)送，幾乎無時延，并且遙測幀格式滿足解包要求，數(shù)據(jù)輸出邏輯準確可靠。

圖3 新型遙測采集電路指令接收和遙測回傳仿真數(shù)據(jù)Fig. 3 Simulation of command receiving and telemetry return of the newly developed telemetry acquisition circuit

圖4 新型遙測采集電路遙測回傳幀尾仿真數(shù)據(jù)Fig. 4 Simulation of telemetry return frame tail of newly developed telemetry acquisition circuit

為了進一步驗證新型遙測采集模塊設(shè)計方案的可行性，進行實測驗證，實測數(shù)據(jù)如圖5 所示?？梢钥吹?，新型遙測采集模塊的遙測幀序列格式與設(shè)計一致，遙測包計數(shù)穩(wěn)定遞增。

圖5 新型遙測采集模塊實測數(shù)據(jù)Fig. 5 Measured data of telemetry acquisition module

圖6 給出了新型遙測采集模塊上位機測試控制界面的實測遙測包數(shù)據(jù)解析結(jié)果。

圖6 新型遙測采集模塊上位機測試控制界面Fig. 6 Testing control interface of upper computer of telemetry acquisition module

由圖6 可以看出，當?shù)孛鏈y試設(shè)備向遙測采集模塊發(fā)送遙測群采指令時，隨即收到遙測采集模塊返回的184 Byte 遙測數(shù)據(jù)包。說明被測的新型遙測采集模塊能及時響應(yīng)測試平臺的遙測群采指令，返回數(shù)據(jù)包格式正確，且功能可靠。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的新型遙測采集電路采用實時采集、實時發(fā)送的設(shè)計方案，能夠確保在1 個星務(wù)遙測群采周期內(nèi)完成所有模擬量的采集組包和發(fā)送工作，解決了傳統(tǒng)遙測采集電路存在的回傳遙測參數(shù)延時問題，實現(xiàn)了模擬量的實時采集、實時發(fā)送，提高了遙測采集參數(shù)傳輸?shù)膶崟r性，解除了對存儲器件SRAM 的依賴，可降低產(chǎn)品研制成本，為星務(wù)平臺提供高實時、高可靠的遙測參數(shù)。