面向在軌模塊更換的高級信號接口模塊設計研究
2014-12-18 18:14:04杜娟張孝君
現代電子技術 2014年24期
杜娟+張孝君
摘 ?要： 針對在軌模塊更換任務中接口的即插即用特性進行了分析研究，給出一種用于解決在軌模塊更換任務中完成電信接口向統一的即插即用串行總線轉變的高級信號接口模塊設計。分析了ASIM的基本設計原理以及設計技術指標，給出ASIM的硬件結構模型以及軟件結構模型，進而完成了ASIM軟硬件設計。研究內容為實現航天器在軌模塊接口統一、即插即用以及在軌模塊更換奠定了基礎。
關鍵詞： 在軌模塊更換; 即插即用; 高級信號接口模塊; 航天器
中圖分類號： TN911?34; V411.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0037?04
Design study of ASIM for on?orbit module replacement
DU Juan1， ZHANG Xiao?jun2
（1. Company of Postgraduate Management， the Academy of Equipment， Beijing 101416， China;2. China Taiyuan Satellite Launch Center， Taiyuan 036301， China）
Abstract： The plug?and?play characteristics of interface for the on?orbit module replacement are analyzed and studied. The design of advanced signal interface module （ASIM） to complete the transition from telecom interface to unified plug?and?play serial bus for the task of on?orbit module replacement is introduced. The basic design principle and specifications of ASIM are analyzed in this paper. The hardware and software structure models of ASIM are given. The hardware and software designs of ASIM were completed. The research laid a foundation for realizing the unity of spacecraft on?orbit module interface， plug?and?play and on?orbit module replacement.
Keywords： on?orbit module replacement; plug?and?play; advanced signal interface module; spacecraft
0 ?引 ?言
目前，隨著軍事戰略的不斷調整和航天技術的不斷進步，衛星快速組裝以及模塊在軌更換已經成為未來天基平臺發展的一個主要方向[1?2]。由于即插即用技術在在軌模塊更換、在軌組裝、快速響應戰術衛星等方面具有廣闊應用前景，對即插即用衛星相關技術的研究已經成為各國衛星發展的重要組成部分[3]。
為使衛星模塊具備即插即用特性，接口總線應當重點考慮像USB和Spacewire這樣能夠支持即插即用功能的總線，并且把不支持即插即用的總線（如RS 232、RS 422等）通過轉換電路轉成支持即插即用功能的串行總線[4?5]。對于非總線接口部分而言，目前的接口多是采用A/D、D/A、DIO、計數器等方式實現。每類可更換模塊的非總線接口表現出比較大的差異性，為了保證模塊之間電信接口的簡單一致，需要將這些信息也都轉變成即插即用串行總線輸出。需要設計專門的“高級信號接口模塊（Advanced Signal Interface Module，ASIM）”完成電信接口向統一的即插即用串行總線的轉變。
1 ?ASIM設計原理及指標
1.1 ?ASIM設計原理
可更換模塊的種類千差萬別，其電信接口種類多樣（如UART、I2C、數字I/O、模擬量等），沒有統一規范的標準，為了最大限度地繼承已有的成熟模塊，在原有模塊電信接口的基礎上加入“高級信號接口模塊”，將已有模塊的電信接口轉化成統一規范的即插即用串行總線。如圖1所示，高級信號接口模塊（ASIM）一端連接可更換模塊，另一端和被服務航天器的串行總線連接。為使研究方案具體化，選用USB總線作為電信接口中的即插即用串行總線。
ASIM集成了A/D轉換器和各種常用的數字接口（如UART、I2C、數字I/O、模擬量等），能夠與各種不同的在軌可更換模塊連接;另一端連接被服務航天器的電信接口。同時， ASIM還保留有UART測試旁路接口，能與PC機相連。進行系統測試與模塊配置。
PC機串口與ASIM的測試旁路接口相連，通過上位機軟件完成模塊接口的配置（包括接入模塊的接口數量、接口類型、速率等），將“在軌可更換模塊”的相關信息注入到ASIM內的非易失性存儲器，另外完成對ASIM和傳感器狀態的檢測。
圖1 高級信號接口模塊（ASIM）示意圖
ASIM可與多個（1～5個）模塊數據接口相連，ASIM采集多個（1～5個）接口數據，緩存、編目并組幀，然后轉換為USB協議及網口協議上傳至PC機，利用USB HUB或網絡HUB可實現多個在軌可更換模塊的同時接入。
在沒有可更換模塊的場合，PC機可虛擬可更換模塊的數據，通過ASIM的測試旁路接口輸入，然后由ASIM轉換為USB協議及網絡協議上傳至PC機，完成對ASIM的功能驗證。
1.2 ?ASIM設計指標
根據常用的衛星部件接口特性，設計了對應的ASIM接口指標為：
可更換模塊接口：一路數字I/O、一路I2C、兩路UART（RS 232/422）、一路模擬;可更換模塊UART接口速率：2 400～115 200 b/s自適應;可更換模塊UART接口電平：232電平、422電平;I2C接口電平：TTL電平;數字I/O接口電平：TTL電平;A/D轉換量程：峰峰值1 V;USB版本：USB 2.0;測試旁路接口波特率：115 200 b/s;測試旁路接口電平：232電平。
2 ASIM軟硬件設計
2.1 ?硬件設計
下面從兩個方面設計ASIM的硬件：一是硬件組成框圖及各個結構的接口設計;二是對硬件組成框圖中涉及到的芯片進行選型。
（1） 硬件組成及結構接口設計
高級信號接口模塊主要通過FPGA加以實現，根據其基本原理以及技術指標，可得出其硬件組成框圖如圖2所示。高級信號接口模塊的各個結構的接口設計為：
電路板尺寸：不大于110 mm×80 mm，四周有固定孔（不接地）;傳感器接口插座：32（或大于32）針（封裝自選，要求導線盡量粗，以便于和各種傳感器接線），信號如表1所示，電路板上對每一種接口都需有標記;
SMA座：模擬信號的另一輸入端，信號與傳感器接口插座的1口相連，地與傳感器接口插座的2口相連;
隔離電阻：50 Ω電阻或排阻;
JTAG插座：DIP（2.54），10針;
電源插座：防插反SIP，4針;
USB插座：Mini USB插座;
網口插座：RJ45插座;
1PPS插座：SIP（2.54），2針;
串口插座：SIP（2.54），3針;
跳線及LED燈：4個撥碼開關（封裝盡量小）、4個LED燈（0805）;
電阻、電容等盡量選擇0805封裝，面積受限時可用0603封裝。其中，可更換模塊接口包括了四種類型的接口，32針具體分配如表1所示。
表1 針接口分配表
圖2 高級信號接口模塊（ASIM）的硬件組成框圖
（2） 芯片選型
芯片選型應該與高級信號接口模塊的設計要求相一致，使得所選擇的器件在滿足接口模塊功能需求的同時，應具有盡量低的體積、重量、功耗等指標：
FPGA芯片：選用工業級的Cyclone 4 EP4CE55芯片，采用F484封裝;
EPC芯片：選擇EPCS16芯片，EPCS16屬于Altera的串行配置器件系列，是可編程邏輯工業領域中最低成本的配置器件。其具有包括在系統可編程（ISP）、FLAH存儲器訪問接口、節省單板空間的小外形集成電路（SOIC）封裝等高級特征，使得串行配置器件成為CycloneⅡ和Cyclone FPGA系列產品在大容量及價格敏感的應用環境下的完美補充;
SDRAM：選用MT48LC2M32B2TG?7芯片;
FLASH：選用AM29LV128MH123R芯片;
晶振：選用40 MHz晶振，穩定度不低于10 ppm;
A/D轉換器：采用AD9236芯片;
放大器：AD8132，通過電阻比例實現信號幅度調理;
232?TTL：選用MAX3232芯片;
422?TLL：MAX3091;
USB芯片：選用Cypress公司的CY7C68013A芯片[6];
網絡芯片：選用LAN91C111芯片;
電源轉換組合：將28 V轉換為FPGA的管腳電壓V1、核電壓V2、鎖相電壓V3;
傳感器：四種不同接口的傳感器：有，數字I/O，利用FPGA模擬出該信號;I2C，光照傳感器TSL2561;UART，無盲區超聲波測距模塊傳感器SDM?UART?300;模擬，壓力傳感器MD?PS002。
2.2 ?軟件設計
ASIM軟件功能模塊組成如圖3（a）所示，包括ORU接口模塊、SoPC模塊、上位機接口模塊、USB接口模塊、網絡接口模塊以及上位機軟件。ORU接口模塊通過相應接口采集ORU（1～5個）的數據并緩存、編目、組幀，然后由SoPC通過Avalon總線讀取數據幀并轉換為USB及網絡協議，通過USB接口模塊和網絡接口模塊上傳至上位機;上位機軟件一方面接收USB接口和網口數據，完成數據解幀、區分和顯示;另一方面通過UART口向ASIM發送控制和探尋指令，上位機接口模塊通過UART口接收指令并緩存，由SoPC通過Avalon總線讀取、執行并通過上位機接口模塊向PC機回復，以完成ASIM傳感器接口的選取、ASIM工作狀態的檢測、傳感器屬性數據以及虛擬傳感器數據的注入。各個接口功能的實現需要進行反復的調試才能最終滿足設計要求（如圖3（b）所示）。
圖3 高級信號接口模塊（ASIM）軟件功能及調試示意圖
（1） 上位機軟件。上位機軟件須用VC編寫，運行在Windows環境下，包括狀態控制和數據處理兩個部分。狀態控制部分通過UART口與ASIM進行交互，主要功能包括：
① 選定ASIM接口，從模擬、UART（232）、UART（422）、I2C、數字I/O中選擇1～5種;
② 監測ASIM工作狀態，包括各路是否打開、各路是否接收到傳感器數據;
③ 寫入傳感器屬性數據，將器件數據表單寫入FLASH;
④ 注入虛擬的傳感器數據，在沒有傳感器的條件下模擬傳感器數據，以驗證ASIM的功能;
⑤ 數據處理部分負責USB或網口數據的接收、解幀、區分和顯示;
⑥ 所有指令均為一次握手，即上位機將指令發送至ASIM，ASIM需回復一次，上位機進行檢查，如果某一幀傳輸出錯，則自動重新傳輸。指令格式參考表2所示。
表2 幀指令格式參考表
（2） SoPC模塊。SoPC模塊為整個ASIM的核心模塊，由Nios Ⅱ搭建，須運行在μC/OS?Ⅱ操作系統上，對整個ASIM起主控的作用，包括傳感器數據的調度以及協議轉換、USB和網絡數據處理、傳感器即插即用、上位機指令執行和狀態查詢。軟件任務劃分參考圖4。可劃分為四個任務：USB數據處理任務、網絡數據處理任務、ORU數據處理任務和上位機指令處理任務。ORU數據處理任務由傳感器中斷Sensor_ISR或串口中斷UART_ISR啟動，完成傳感器數據的采集、緩存。USB數據處理任務可由ORU數據處理任務啟動，完成數據的USB傳輸;也可在ASIM的USB接口插入PC機時（即USB設備枚舉時）由軟件中斷啟動，完成傳感器的即插即用（PC機讀取ASIM上的非易失性存儲器，獲取傳感器的種類、ID號、廠家等屬性）。網絡數據處理任務可由ORU數據處理任務啟動，完成數據的網絡傳輸;也可在ASIM的網接口插入PC機時由軟件中斷啟動，完成ORU的即插即用（PC機讀取ASIM上的非易失性存儲器，獲取ORU的種類、ID號、廠家等屬性）。上位機指令處理任務由串口中斷UART_ISR啟動，進行上位機指令的解析、執行和回復，實現ORU端接口類型與速率的選擇、ASIM工作狀態的查詢、ORU屬性數據的注入。
圖4 SoPC軟件任務劃分參考圖
（3） USB接口模塊。SoPC模塊的Avalon總線與外部CY7C68013A芯片之間的邏輯匹配模塊，由硬件描述語言實現。
（4） 網絡接口模塊。SoPC模塊的Avalon總線與外部LAN91C111芯片之間的邏輯匹配模塊，由硬件描述語言實現。
（5） ORU接口模塊。集成UART（速率自適應）、I2C、數字I/O以及A/D采樣子模塊，在上位機的控制下，接口種類、數據率可選。采集的數據存入FIFO，再經FIFO接口模塊轉換為Avalon總線協議由SoPC模塊讀取。如圖5所示。
圖5 ORU接口模塊功能框圖
3 ?結 ?語
本文主要面向在軌模塊更換任務，為了完成電信接口向統一的即插即用串行總線的轉變，而對實現高級信號接口模塊（ASIM）進行了軟硬件設計研究。在分析了ASIM的基本設計原理以及技術指標的基礎上，得到了ASIM的硬件結構模型以及軟件結構模型。研究內容為實現模塊接口統一，即插即用以及在軌模塊更換奠定了基礎。
參考文獻
[1] 陳小前，袁建平，姚雯，等.航天器在軌服務技術[M].北京：中國宇航出版社，2009.
[2] 林來興.小衛星技術發展和應用前景：兼談衛星設計思想演變[J].航天器工程，2006，15（3）：14?18.
[3] 趙亞雄，李新洪，郝大功.基于XML的衛星即插即用接口模塊設計[J].裝備學院學報，2012，23（2）：68?71.
[4] CANNON Scott. Responsive space plug & play with the satellite data model [C]// 7th International Energy Conversion Engineering Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 1?6.
[5] LANZA Denise， VICK Robert， LYKE J C. The space plug?and?play avionics common data dictionary： constructing the language of SPA [C]// Aerospace of AIAA Infotech 2010 Conference. Atlanta， Georgia： AIAA， 2010： 20?30.
[6] PREDKO Myke. PC接口技術內幕[M].北京：中國電力出版社，2002.
③ 寫入傳感器屬性數據，將器件數據表單寫入FLASH;
④ 注入虛擬的傳感器數據，在沒有傳感器的條件下模擬傳感器數據，以驗證ASIM的功能;
⑤ 數據處理部分負責USB或網口數據的接收、解幀、區分和顯示;
⑥ 所有指令均為一次握手，即上位機將指令發送至ASIM，ASIM需回復一次，上位機進行檢查，如果某一幀傳輸出錯，則自動重新傳輸。指令格式參考表2所示。
表2 幀指令格式參考表
（2） SoPC模塊。SoPC模塊為整個ASIM的核心模塊，由Nios Ⅱ搭建，須運行在μC/OS?Ⅱ操作系統上，對整個ASIM起主控的作用，包括傳感器數據的調度以及協議轉換、USB和網絡數據處理、傳感器即插即用、上位機指令執行和狀態查詢。軟件任務劃分參考圖4。可劃分為四個任務：USB數據處理任務、網絡數據處理任務、ORU數據處理任務和上位機指令處理任務。ORU數據處理任務由傳感器中斷Sensor_ISR或串口中斷UART_ISR啟動，完成傳感器數據的采集、緩存。USB數據處理任務可由ORU數據處理任務啟動，完成數據的USB傳輸;也可在ASIM的USB接口插入PC機時（即USB設備枚舉時）由軟件中斷啟動，完成傳感器的即插即用（PC機讀取ASIM上的非易失性存儲器，獲取傳感器的種類、ID號、廠家等屬性）。網絡數據處理任務可由ORU數據處理任務啟動，完成數據的網絡傳輸;也可在ASIM的網接口插入PC機時由軟件中斷啟動，完成ORU的即插即用（PC機讀取ASIM上的非易失性存儲器，獲取ORU的種類、ID號、廠家等屬性）。上位機指令處理任務由串口中斷UART_ISR啟動，進行上位機指令的解析、執行和回復，實現ORU端接口類型與速率的選擇、ASIM工作狀態的查詢、ORU屬性數據的注入。
圖4 SoPC軟件任務劃分參考圖
（3） USB接口模塊。SoPC模塊的Avalon總線與外部CY7C68013A芯片之間的邏輯匹配模塊，由硬件描述語言實現。
（4） 網絡接口模塊。SoPC模塊的Avalon總線與外部LAN91C111芯片之間的邏輯匹配模塊，由硬件描述語言實現。
（5） ORU接口模塊。集成UART（速率自適應）、I2C、數字I/O以及A/D采樣子模塊，在上位機的控制下，接口種類、數據率可選。采集的數據存入FIFO，再經FIFO接口模塊轉換為Avalon總線協議由SoPC模塊讀取。如圖5所示。
圖5 ORU接口模塊功能框圖
3 ?結 ?語
本文主要面向在軌模塊更換任務，為了完成電信接口向統一的即插即用串行總線的轉變，而對實現高級信號接口模塊（ASIM）進行了軟硬件設計研究。在分析了ASIM的基本設計原理以及技術指標的基礎上，得到了ASIM的硬件結構模型以及軟件結構模型。研究內容為實現模塊接口統一，即插即用以及在軌模塊更換奠定了基礎。
參考文獻
[1] 陳小前，袁建平，姚雯，等.航天器在軌服務技術[M].北京：中國宇航出版社，2009.
[2] 林來興.小衛星技術發展和應用前景：兼談衛星設計思想演變[J].航天器工程，2006，15（3）：14?18.
[3] 趙亞雄，李新洪，郝大功.基于XML的衛星即插即用接口模塊設計[J].裝備學院學報，2012，23（2）：68?71.
[4] CANNON Scott. Responsive space plug & play with the satellite data model [C]// 7th International Energy Conversion Engineering Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 1?6.
[5] LANZA Denise， VICK Robert， LYKE J C. The space plug?and?play avionics common data dictionary： constructing the language of SPA [C]// Aerospace of AIAA Infotech 2010 Conference. Atlanta， Georgia： AIAA， 2010： 20?30.
[6] PREDKO Myke. PC接口技術內幕[M].北京：中國電力出版社，2002.
③ 寫入傳感器屬性數據，將器件數據表單寫入FLASH;
④ 注入虛擬的傳感器數據，在沒有傳感器的條件下模擬傳感器數據，以驗證ASIM的功能;
⑤ 數據處理部分負責USB或網口數據的接收、解幀、區分和顯示;
⑥ 所有指令均為一次握手，即上位機將指令發送至ASIM，ASIM需回復一次，上位機進行檢查，如果某一幀傳輸出錯，則自動重新傳輸。指令格式參考表2所示。
表2 幀指令格式參考表
（2） SoPC模塊。SoPC模塊為整個ASIM的核心模塊，由Nios Ⅱ搭建，須運行在μC/OS?Ⅱ操作系統上，對整個ASIM起主控的作用，包括傳感器數據的調度以及協議轉換、USB和網絡數據處理、傳感器即插即用、上位機指令執行和狀態查詢。軟件任務劃分參考圖4。可劃分為四個任務：USB數據處理任務、網絡數據處理任務、ORU數據處理任務和上位機指令處理任務。ORU數據處理任務由傳感器中斷Sensor_ISR或串口中斷UART_ISR啟動，完成傳感器數據的采集、緩存。USB數據處理任務可由ORU數據處理任務啟動，完成數據的USB傳輸;也可在ASIM的USB接口插入PC機時（即USB設備枚舉時）由軟件中斷啟動，完成傳感器的即插即用（PC機讀取ASIM上的非易失性存儲器，獲取傳感器的種類、ID號、廠家等屬性）。網絡數據處理任務可由ORU數據處理任務啟動，完成數據的網絡傳輸;也可在ASIM的網接口插入PC機時由軟件中斷啟動，完成ORU的即插即用（PC機讀取ASIM上的非易失性存儲器，獲取ORU的種類、ID號、廠家等屬性）。上位機指令處理任務由串口中斷UART_ISR啟動，進行上位機指令的解析、執行和回復，實現ORU端接口類型與速率的選擇、ASIM工作狀態的查詢、ORU屬性數據的注入。
圖4 SoPC軟件任務劃分參考圖
（3） USB接口模塊。SoPC模塊的Avalon總線與外部CY7C68013A芯片之間的邏輯匹配模塊，由硬件描述語言實現。
（4） 網絡接口模塊。SoPC模塊的Avalon總線與外部LAN91C111芯片之間的邏輯匹配模塊，由硬件描述語言實現。
（5） ORU接口模塊。集成UART（速率自適應）、I2C、數字I/O以及A/D采樣子模塊，在上位機的控制下，接口種類、數據率可選。采集的數據存入FIFO，再經FIFO接口模塊轉換為Avalon總線協議由SoPC模塊讀取。如圖5所示。
圖5 ORU接口模塊功能框圖
3 ?結 ?語
本文主要面向在軌模塊更換任務，為了完成電信接口向統一的即插即用串行總線的轉變，而對實現高級信號接口模塊（ASIM）進行了軟硬件設計研究。在分析了ASIM的基本設計原理以及技術指標的基礎上，得到了ASIM的硬件結構模型以及軟件結構模型。研究內容為實現模塊接口統一，即插即用以及在軌模塊更換奠定了基礎。
參考文獻
[1] 陳小前，袁建平，姚雯，等.航天器在軌服務技術[M].北京：中國宇航出版社，2009.
[2] 林來興.小衛星技術發展和應用前景：兼談衛星設計思想演變[J].航天器工程，2006，15（3）：14?18.
[3] 趙亞雄，李新洪，郝大功.基于XML的衛星即插即用接口模塊設計[J].裝備學院學報，2012，23（2）：68?71.
[4] CANNON Scott. Responsive space plug & play with the satellite data model [C]// 7th International Energy Conversion Engineering Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 1?6.
[5] LANZA Denise， VICK Robert， LYKE J C. The space plug?and?play avionics common data dictionary： constructing the language of SPA [C]// Aerospace of AIAA Infotech 2010 Conference. Atlanta， Georgia： AIAA， 2010： 20?30.
[6] PREDKO Myke. PC接口技術內幕[M].北京：中國電力出版社，2002.
