基于網絡輸出的遙測信息采集編碼器設計

鄧 輝，溫 瑞

(中國人民解放軍92853部隊，遼寧 興城 125109)

0 引言

近年來，隨著無線通信技術的快速發展，航空遙測系統網絡化傳輸趨勢愈發明顯[1]。為實現多飛行目標和地面接收站之間建立高碼率、網絡化遙測傳輸鏈路，國內相關單位進行了多種嘗試，基于COFDM調制方式的NETNode無線網格網IP電臺傳輸方案就是其中一種[2]。該方案由無線IP電臺搭建地面與飛行目標、飛行目標與飛行目標之間的無線數據鏈路通道，將一臺IP電臺作為一個目標節點，多個目標節點組合成一個自組織、自愈合的無線網。靈活的網狀結構使節點之間在同一頻率上以UDP組播方式進行點對點、點對多點交換數據，也可以通過節點中繼增加傳輸距離[3]。由于網內IP電臺間以無線IP通信方式交換數據，同節點內IP電臺與機載遙測信息采集編碼設備也通過TCP/IP有線通信方式交換數據包。因此需要專門設計基于網絡數據包輸出的遙測信息采集編碼設備，以滿足無線IP電臺網絡化傳輸需求[4]。該設備是在傳統PCM遙測采集編碼記錄設備基礎上進行優化設計完成的，不但能夠使編碼信息形成復合PCM數據流進行本地存儲，而且能夠組成IP網絡數據包并通過RJ45網絡接口發送至IP電臺進行無線網絡化傳輸。

1 硬件設計

1.1 系統基本架構設計

基于網絡輸出的遙測信息采集編碼器主要由硬件系統和嵌入軟件組成[5]。設備繼承了國內機載遙測系統信息采集編碼器的部分設計成果，其中平顯視頻采集板、ARINC-429總線采集板、RS422總線采集板以及母板和電源板繼續使用了原型成果，只是在主控板基礎上增加IRIG-B AC時碼接收模塊和以太網輸出模塊，并對設備整體架構進行了重新布板規劃[6]。設備布板主要包括平顯視頻采集板、ARINC-429總線采集板、RS422總線采集板、模擬量采集板(集成模擬量采集模塊和熱電偶采集模塊)、頻率量和離散量采集板、主控板(集成主控模塊、PCM編碼模塊、數據存儲模塊、以太網模塊以及IRIG-B AC時碼模塊等)、母板及電源板等板卡。設備機箱插板規劃示意如圖1所示。機箱采用后出線方式，所有操作、采集、輸出接口都設計在右側面板上，機箱正視圖如圖2，對外接口如表1所示。

圖1 設備機箱插板規劃

圖2 機箱正視圖

表1 機箱對外接口

序號標號對外功能接口1X1視頻信號采集接口2X2電源輸入接口3X3RS422、ARIN429、時碼、離散量等信號采集接口4X4模擬量、頻率量信號采集接口5X5數據下載輸出接口6X6PCM、100 M以太網輸出接口7X7熱電偶信號采集接口

1.2 主控板設計

設備主控板主要包括主控模塊、PCM編碼模塊、數據存儲模塊、數據下載模塊、IRIG-B AC時碼接收模塊、以太網輸出模塊等功能模塊。以太網接口數據輸出按照主控板PCM流的一個子幀為單位進行打包發送，其中一包數據為一般采集參數，另一包為視頻數據。主控板設計原理如圖3所示。

圖3 主控板設計原理

各模塊主要功能：

① 主控模塊負責對整個設備進行管理調度，通過LVDS總線和Local BUS總線管理各功能板卡，并為各采集功能板提供參考時鐘和全局同步脈沖信號；

② PCM編碼模塊實現將采集數據按照PCM編碼格式編排及發送；

③ 數據存儲模塊實現將所有采集數據按照一定的格式進行存儲，存儲容量可達4 G；

④ 數據下載模塊實現將存儲的數據通過專用通信接口下傳；

⑤ AC時碼接收模塊實現將AC時碼信號調理后進行解調，輸出秒脈沖信號和時碼參數；

⑥ 以太網輸出模塊使用FPGA內部的高速通信收發器配合外部物理層電路實現10/100 Mbps的以太網IP數據通信。

1.3 模擬量采集板設計

模擬量采集板采用模塊化設計，主要包括電壓跟隨器、濾波電路、增益調節電路、通道選擇電路及模擬數字轉換電路等功能電路[7]，設計原理如圖4所示。

板卡前端為調理電路、后端為配置電路，主要實現對9路模擬量輸入信號進行濾波、幅值調節，使其滿足AD轉換芯片對輸入信號的要求，并通過FPGA完成各通道采樣率配置后，根據總線上的時序控制信號控制AD轉換芯片進行AD轉換，再將每次轉換后的數據通過總線傳送給主控板。

圖4 模擬量采集板設計原理

1.4 離散量和頻率量采集板

離散量和頻率量采集板由離散量采集模塊、SPI總線模塊(熱電偶信號采集)和頻率量采集模塊3部分組成。設計原理如圖5所示。

圖5 離散量和頻率量采集板設計原理

離散量采集模塊可對12路離散量信號實時采集，并將離散量數據以規定的格式配置后通過總線傳送給主控板。SPI總線模塊采用ALTERA公司成熟的IP核設計SPI總線接口。

頻率量采集模塊由信號調理、信號濾波、信號放大及施密特觸發器等部分組成，可實現對4個通道頻率量信號的采集。

2 軟件設計

2.1 軟件組成及功能

設備軟件主要包括配置信息模塊、數據采集模塊、以太網組包模塊及發送模塊、視頻板授時模塊、數據存儲模塊和數據下載模塊等功能模塊[8]。主要實現設備對外部信號進行數據采集、數據處理、按照以太網數據包組包發送，并能及時對數據進行存儲記錄等功能。軟件同時還具有與數據下載裝置進行數據交互功能，能夠完成對記錄數據的下載、擦除等工作。

2.2 軟件工作流程

按照設備軟件工作內容以及框架設計要求，主要分為系統初始化、工作模式選擇、數據采集模式及數據下載模式4步工作流程，如圖6所示。

圖6 軟件工作流程

軟件時序步驟如下：

① 系統上電；

② 配置信息模塊工作時，完成系統初始化(包括以太網數據格式讀取、設置、數據采集參數配置以及記錄數據存儲與管理更新等)；

③ 工作模式選擇時，完成系統工作模式選擇；

④ 數據采集模式工作時，完成數據采集、以太網數據發送和數據記錄等；

⑤ 數據下載模式工作時，完成與外部數據下載裝置的數據交互，實現記錄數據下載和數據擦除等工作；

⑥ 數據采集工作模式選定并開始工作時，采集系統按照配置好的工作模式開始工作，工作過程中模式不可變。

2.3 數據包輸出及存儲格式

設備輸出的IP網絡數據包以PCM流的一個子幀為單位進行組包，其中一包數據為一般采集參數，另一包為視頻數據，通過數據端口和視頻端口分別輸出。數據包格式定義如圖7所示。

圖7 數據包格式定義圖

源端，目端：各占2 Byte，高字節表示類別編碼，低字節表示編碼。編號從1開始，依次編排。如2號機遙測采集編碼設備編碼高字節為001(0X65)，低字節為2(0X02)，其系統編碼為0X6502；

長度：長度字段指示了數據正文的字節數，為無符號整形，占2 Byte；

保留字：預留2 Byte的保留字，以后擴充；

信息分類：001(0X65)；

LABLE：信息標簽，0X13；

SN：序列號，1～65 535，每發送一個報文序列號加1，到65 535回到1；

RN：機載采集記錄設備編號；

FN：航空器號，4 Byte；

ST：飛行架次，整型數，2 Byte；

偏移量標記：當偏移量標記為1時，下面的PARi部分為視頻數據；

PARi：第i個參數，整型數，4 Byte，共80個參數，內容為-999為無效數據；

T：發送網絡數據的絕對時間：24 Byte，字符類型表示方式為：YYYY-MM-DD hh：mm：dd.ffff。

2.3 參數配置

參數配置文件是采集編碼設備賴以運行的依據，需要用戶在地面通過維護軟件對設備進行配置。配置文件要求設備與IP電臺、地面系統計算機等系統設備在同一IP網段下配置網絡參數，規劃相應的IP地址、組播地址及數據端口和視頻端口號。文件腳本在系統維護軟件“configfile”文件夾下的“tracknet.xml”文件中，通過編輯“net”節點設置完成。設備參數配置完成后，設備軟件會根據存儲的配置文件自動運行。

3 測試及結果分析

3.1 測試方法

信息采集編碼器設備通過采用機內測試(BIT)和內場綜合自動測試設備(IATE)相配合方法完成測試性設計。BIT可對設備機內各板卡進行工作狀態檢測，并通過機箱上的狀態指示燈顯示[9]。由于僅僅依靠BIT無法檢測和隔離接口電路、電纜、導線以及連接器等器件故障，因此又配備了IATE以完成對設備功能、性能測試及故障診斷隔離。

IATE設備采用閉環測試方法完成測試過程，即將事先配置好的模擬信息源輸送給信息采集編碼器的同時，又接收以太網接口輸出的數據包信息，再利用軟件對接收的數據包信息進行分析和檢測，得出信息采集編碼器功能、性能測試結果；也可使用數據下載器下載信息采集編碼器存儲的PCM流數據信息，并通過IATE軟件對存儲數據信息與輸入模擬信息源信息進行比對分析，判斷信息采集編碼器是否有故障[10]。

3.2 測試結果及分析

3.2.1 單向傳輸速率測試

IATE設備分10組連續給信息采集編碼器輸送1 MB模擬信息源數據[11]，再通過IATE軟件檢測信息采集編碼器以太網接口和PCM下載接口的輸出速率和丟包情況，結果如下：

① PCM下載輸出接口碼速率為1 Mbps；

② 以太網輸出接口碼速率為15.35 Mbps；

③ 通過對網絡狀態進行故障診斷與分析發現，實時捕獲的10組數據包中網絡丟包小于0.01%。

3.2.2 功能及性能測試

通過IATE軟件對接收的2種數據包進行導入提取、轉換及解算處理等工作后，分離解析出了完整的以PCM流子幀為單位的編碼信息。模擬的信息量包括：

① 4路ARINC-429信息；② 4路RS422信息；③ 11路模擬量信息；④ 4路頻率量信息；⑤ 12路離散量信息；⑥ 1路平顯視頻信息；⑦ 1路IRIG-B AC時碼信息。

上述分離出的編碼信息檢測結果顯示：輸入的各路模擬信息源得到了正確采集，信息解碼恢復的模擬參數能夠反映飛機系統工作狀態。

4 結束語

信息采集編碼設備是無線電機載遙測系統的關鍵部件之一[12]。為了適應遙測信息網絡化傳輸的需求，在對傳統PCM遙測采集編碼設備進行優化設計的基礎上，采用基于網絡輸出的信息采集編碼方案，實現了以PCM流一個子幀為單位進行組包發送的以太網格式，為遙測信息的高碼率、網絡化傳輸創造了條件[13]。在設備研制過程中發現，由于設備以太網輸出模塊內嵌的高速通信收發器自帶的網絡協議棧(Vxworks Network Stack，VNS)單向網絡傳輸速率只能到達15 Mbps左右，滿足不了高采樣網絡速率的需求[14]。近年出現的網絡底層發包技術跳過了VNS的多層打包和多次數據復制緩存的過程，直接調用網絡芯片底層驅動將網絡數據包發送出去，可以明顯的提高網絡傳輸速率[15]，解決了網絡采集系統的瓶頸問題。