基于以太網(wǎng)通信的脈沖變換器測試系統(tǒng)設計*

李建軍，沈三民，龍光捷，趙俊江

（1.四川航天燎原科技有限公司，成都 610000；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051）

0 引言

近年來，隨著航天飛行器任務增多，遙測設備可靠和穩(wěn)定運行顯得越來越重要。脈沖變換器作為航天飛行器性能評定及故障分析的重要設備，其可靠性關系到飛行器研發(fā)設計的改進。為了提高遙測設備的檢測性能，特研發(fā)了針對變換器性能測試的產(chǎn)品。測試臺作為遙測設備變換器的配套專用設備，模擬飛行器上的一些重要參數(shù)，配合地面遙測系統(tǒng)的測試，應具有抗干擾能力強、運行穩(wěn)定度高的特點[1]。

本測試系統(tǒng)不僅為變換器提供各路信號源，還接收變換器回傳的工況信息，簡單可靠地實現(xiàn)對變換器的檢測和數(shù)據(jù)采集功能。W5300作為測試系統(tǒng)同上位機通信的核心器件，完成嵌入式計算機指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的上傳，不僅提高了通信的傳輸速率，還避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性。信號源編碼的靈活性和以太網(wǎng)高速長距離通信優(yōu)勢，使整個測試系統(tǒng)能穩(wěn)定而高效運行。

1 總體設計

1.1 功能指標

脈沖變換器測試系統(tǒng)需要滿足以下測試指標要求：1）測試系統(tǒng)具有自檢功能；2）為脈沖變換器提供25 V～31 V的直流電源，配合電壓拉偏試驗；3）模擬控制系統(tǒng)為變換器X1提供6路脈沖寬度為1 us～5 us，幅度為8 V～12 V，頻率范圍1 kHz～4 kHz可調(diào)的平臺加表脈沖信號，同時為變換器X2提供12路脈寬3 us，幅度均為5 V，頻率范圍1 kHz～128 kHz可選的加速度表脈沖和陀螺脈沖信號；4）為脈沖變換器提供起飛清零信號、幀同步信號、移位脈沖信號，電平均為5 V，并接受脈沖變換器返回的脈沖數(shù)實測值；5）上位機具備對數(shù)據(jù)實時顯示和存儲功能。

1.2 方案設計

根據(jù)功能指標，測試系統(tǒng)選用嵌入式計算機，將通信模塊、控制功能模塊，供電模塊以及計算機存儲顯示設備集成于一個裝置，實現(xiàn)了一體化，便于功能調(diào)試和產(chǎn)品運輸。背板通信模塊采用具有網(wǎng)絡通信協(xié)議的W5300芯片，外圍電路配置簡單，易于實現(xiàn)同F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)通信。為了提升測試系統(tǒng)的通用性，基于軟件化的思想，上位機完成各路信號源編碼。根據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)通信協(xié)議，對W5300寄存器進行讀寫和功能配置[2]。當W5300處于接收模式時，F(xiàn)PGA對上位機指令進行解析，產(chǎn)生頻率和寬度可調(diào)的脈沖信號，通過硬件電路實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，得到符合設計指標的多路信號源，完成對變換器的功能檢測。測試系統(tǒng)不僅為變換器提供模擬信號源，同時接收變換器回傳的群信號。群信號采用PCM格式，為了保證串行通信數(shù)據(jù)的同步，F(xiàn)PGA將幀同步和移位脈沖信號發(fā)送至變換器，通過同步信號來準確接收變換器返回的實測數(shù)據(jù)。W5300處于發(fā)送模式時，將數(shù)據(jù)上傳到上位機，實時顯示變換器返回的工作狀況數(shù)據(jù)。嵌入式計算機作為整個系統(tǒng)控制中心，通過以太網(wǎng)傳輸指令，控制功能板與脈沖變換器的數(shù)據(jù)交互。W5300和功能板FPGA數(shù)據(jù)傳輸采用RS422總線，以太網(wǎng)傳輸速率為11 MB/s，RS422總線速率為100 kb/s。為了保證異步數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，W5300和FPGA中間通過兩個FIFO來緩存數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO1緩存下傳的中轉(zhuǎn)命令，F(xiàn)IFO2緩存上傳的回讀數(shù)據(jù)[3]。圖1為脈沖變換器測試系統(tǒng)的總體結構框圖。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 W5300硬件電路設計

系統(tǒng)采用以太網(wǎng)協(xié)議芯片W5300來進行上位機和主控設備FPGA的通信。硬件接口電路如下頁圖2所示。將引腳OP_MODE[2：0]和 TEST_MODE[3∶0]都配置為接地，使W5300工作在內(nèi)部PHY模式和全功能自動握手的運行模式[4]。BIT16EN為數(shù)據(jù)總線選擇端口，F(xiàn)PGA對W5300軟件復位時將其置于高電平，選擇為16位數(shù)據(jù)總線模式。外圍電路中D1、D2、D3、D4為網(wǎng)絡傳輸狀態(tài)指示燈，分別代表接收數(shù)據(jù)指示、連接速度指示、傳輸數(shù)據(jù)指示和網(wǎng)絡連接指示。將模式寄存器MR端口的最低位置0，使W5300配置為直接地址模式，可以獲得更高的數(shù)據(jù)訪問速度。在內(nèi)部PHY模式下，為了數(shù)據(jù)可靠傳輸，差分對信號接收RXIP/RXIN和差分對信號發(fā)送TXOP/TXON上外接兩個50Ω終端電阻和一個0.1 uf的電容。25 MHz的無源晶振經(jīng)過6倍頻建立150 MHz的時鐘信號，用于TCP/IP內(nèi)核、主機接口管理和寄存器管理的運行[5]。W5300和RJ45網(wǎng)口中間增添了網(wǎng)絡隔離變壓器，除了滿足差分信號的傳輸，還可以用于信號電平的耦合，減少數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象發(fā)生，從硬件上保證通信的可靠穩(wěn)定性。

2.2 平臺加表脈沖信號源設計

圖2 W5300硬件電路圖

根據(jù)功能指標要求，測試臺為脈沖變換器提供6路平臺加表脈沖信號。由于FPGA輸出電平最高為3.3 V，需要外接電壓放大電路。選用了68 MHz的晶振，通過FPGA對上位機的指令解析，產(chǎn)生高精度頻率可調(diào)脈沖信號。為了適配脈沖變換器信號源接口，采用變壓器和三極管進行電壓放大，電路如圖3所示。變壓器PT111109線圈匝數(shù)比為1∶1，R5為限流電阻，使三極管的功耗降低，還能在無正向偏置電壓時，保證三極管基極的電壓為零，避免受外部干擾而導通。二極管D1起到續(xù)流作用，將變壓器上的反向電勢釋放，保護三極管的集電極。3.3 V方波從FPGA輸出到端口B1，高低電平使三極管3DK104的導通或截止。平臺加表脈沖信號由變壓器BO1端輸出。

圖3 平臺加表脈沖信號源設計

2.3 加速度表脈沖和陀螺脈沖信號源設計

6路加速度表脈沖和6路速率陀螺脈沖信號指標參數(shù)都一樣，所以采用相同的接口電路。FPGA接收到上位機發(fā)送的幀數(shù)據(jù)包，對其進行解析，產(chǎn)生頻率和脈寬可調(diào)的信號。信號輸出端選用TI公司芯片SN54LS06，實現(xiàn)3.3V的電平轉(zhuǎn)換為5V電平[6]。芯片輸出端為OC門，需接上拉電阻。6路信號經(jīng)22 Ω的排阻連接到SN54LS06的輸入端，根據(jù)測試要求在輸出端串接了82Ω的保護電阻，電路如下頁圖4所示。

3 系統(tǒng)邏輯設計

3.1 勤務信號時序設計

圖4 加速度和陀螺脈沖信號源設計

勤務信號包括幀同步信號和移位脈沖信號。FPGA在系統(tǒng)上電復位穩(wěn)定后，開始自動循環(huán)發(fā)送脈寬25 us、周期為25 ms幀同步信號。變換器接收到幀同步信號后，在同步信號上升沿時刻，發(fā)送請求脈沖給測試系統(tǒng)[7]。測試系統(tǒng)在同步脈沖下降沿，延時200 us，產(chǎn)生速率為25.6 kHz的移位脈沖信號作用于變換器。上位機指令經(jīng)通信模塊傳遞到FPGA內(nèi)部寄存器，主控單元FPGA以串行通信方式讀取寄存器的指令，解析后產(chǎn)生同步信號。同步信號作為脈沖變換器返回實測數(shù)據(jù)的時序基準信號，每個移位脈沖的上升沿接收一位實測數(shù)據(jù)。一個幀同步信號周期，對應18個波道的移位脈沖信號。所以在一個幀同步周期內(nèi)，測試系統(tǒng)接收到18個字節(jié)的實測數(shù)據(jù)。勤務信號的時序如圖5所示。

圖5 勤務信號時序設計圖

3.2 W5300軟件設計

通信模塊軟件設計包括W5300初始化、端口初始化、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)過程。W5300初始化完成后，采用UDP數(shù)據(jù)報文協(xié)議打開端口socket1，開始數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)接收過程采取查詢的方式，F(xiàn)PGA作為W5300的控制端，按一定的時間讀取socket1接收數(shù)據(jù)字節(jié)長度寄存器S1_RX_RSR的值，大于0則表明W5300的RX接收存儲器里有一個或多個上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)的接收必須按數(shù)據(jù)包里的字節(jié)單元進行處理，F(xiàn)PGA不能直接訪問內(nèi)部RX存儲器，只能通過接收緩存寄存器S1_RX_FIFOR來讀取內(nèi)部RX存儲器的數(shù)據(jù)。當讀取有效數(shù)據(jù)長度等于包信息中數(shù)據(jù)包長度值時，表示接收完成，即向命令寄存器S1_CMR寫入接收命令：0X0040，告知W5300關閉接收端口。

W5300數(shù)據(jù)發(fā)送過程即是回讀群信號上傳的過程。發(fā)送數(shù)據(jù)時，需先設置發(fā)送端的IP和端口號，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過發(fā)送緩存寄存器S1_TX_FIFOR寫入到內(nèi)部TX發(fā)送存儲器，然后將發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)值寫入到發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)長度寄存器S1_TX_WRSR，命令寄存器 S1_CR＜=0x0020，啟動發(fā)送命令[8]。如果S1_TX_WRSR大于最大分片字節(jié)數(shù)MTU，W5300會自動將數(shù)據(jù)裁剪為MTU單元處理，重新發(fā)送裁分的數(shù)據(jù)。在發(fā)送下一包數(shù)據(jù)前，先確認上一包數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。當中斷寄存器S1_IR（TIMEOUT）等于1時，數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生了ARP超時，發(fā)送失敗；當中斷寄存器S1_IR（SENDOK）為1時，表示發(fā)送執(zhí)行完畢。W5300數(shù)據(jù)發(fā)送過程和接收過程軟件設計流程如圖6所示。

圖6 W5300軟件設計流程

4 系統(tǒng)測試與驗證

4.1 通信模塊測試

為了滿足測試的靈活通用性，上位機根據(jù)功能指標完成各路信號源地址、頻率、幅度以及脈沖個數(shù)的編碼[9]。W5300數(shù)據(jù)通信采用UDP協(xié)議，因此，使用UDP調(diào)試助手測試通信模塊的功能。網(wǎng)絡連接成功后，上位機指令由通信模塊下載到FPGA寄存器中。數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)，第1行數(shù)據(jù)為背板W5300與上位機通信協(xié)議數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測試系統(tǒng)自檢功能。第2行及以后的數(shù)據(jù)為上位機發(fā)送的功能指令。在一行中，列B1、B2的數(shù)據(jù)為軟件編碼協(xié)議，B3～B6數(shù)據(jù)分別代表功能板卡號、信號源地址、頻率和脈沖數(shù)量。指令“25AC00A80711”表示幅值8 V～12 V，頻率3.4 kHz的平臺加表脈沖信號。上位機指令發(fā)送成功后，功能板接收端實測信號波形如圖7所示，實測信號頻率和幅值與設計一致，表明通信功能正常。讀取回傳數(shù)據(jù)時，通過多次測試，從數(shù)據(jù)接收單元中字節(jié)數(shù)和時間量可知，以太網(wǎng)通信速率達到了11 MB/s。通信模塊測試如圖8所示。

圖7 實測信號波形

4.2 測試結果驗證

測試系統(tǒng)通過模擬航天飛行器系統(tǒng)，提供脈沖信號源和時序控制信號，用于調(diào)試和檢驗脈沖信號變換器的性能。測試系統(tǒng)與脈沖變換器通過電纜連接，整個測試系統(tǒng)實物如圖9所示。

圖8 通信模塊測試

圖9 測試系統(tǒng)實物圖

脈沖變換器將接收的飛行器工況數(shù)據(jù)以PCM格式回傳到測試系統(tǒng)，PCM解碼的時序控制信號由測試系統(tǒng)發(fā)出，即幀同步信號和移位脈沖信號[10]。實測數(shù)據(jù)以幀數(shù)據(jù)包回傳到上位機，每幀數(shù)據(jù)由22列×50行個字節(jié)組成。從以太網(wǎng)通信測試可知，一次回傳的數(shù)據(jù)量為110 MB，用時為10 s。根據(jù)通信協(xié)議，接收數(shù)據(jù)包每行為一子幀，行標志碼為EB 90，幀結束碼為14 6F，幀計數(shù)位于同步碼前2個字節(jié)。從勤務信號時序設計可知，一個幀同步周期對應18個字節(jié)的實測數(shù)據(jù)。上位機軟件顯示的部分原始數(shù)據(jù)如圖10所示，每行有18個字節(jié)的工況數(shù)據(jù)，每列的幀計數(shù)連續(xù)不間斷，碼間無串擾，驗證了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，測試系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定進行遙測數(shù)據(jù)的回讀。

圖10 接收回傳的原始數(shù)據(jù)

5 結論

本文從脈沖變換器測試任務需求出發(fā)，設計了基于以太網(wǎng)通信的脈沖信號變換器測試系統(tǒng)。以太網(wǎng)W5300集成網(wǎng)絡協(xié)議，簡化了硬件結構和研發(fā)周期。主控芯片F(xiàn)PGA通過對上位機指令解析，實現(xiàn)多路信號源的輸出和回讀數(shù)據(jù)的采集。測試可知，以太網(wǎng)傳輸速率可達到11 MB/s，回傳數(shù)據(jù)也未出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象，表明該系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定應用于遙測設備測試中。