基于遠程動態重構的通用靶場測控系統設計

(空間物理重點試驗室，北京 100076)

0 引言

飛行器測控系統是由外測、遙測、遙控、計算中心等分系統組成的復雜系統，包括靶場測控系統和航區測控系統[1]。現代靶場測控系統的部署方案是將供配電計算機、電源、手動配電控制臺、諸元裝訂計算機、檢測站多種變頻設備等多個分立設備置于發射場坪附近的前端測試間，將測控計算機、數據處理機、存儲器測控設備、檢測站多種基帶設備等多個分立設備置于后端遠控測試間，前后端設備通過交換機和光纖實現局域網互連，后端存儲器測控設備與飛行器存儲器間通過電光轉換連接，測試人員均在后端操作。這種方案集成度不高，設備臃腫，操作人員多，且通用性不強。

隨著鋰離子電池在航天系統中的大量應用，電源已不再是靶場測試的必需設備；而隨著自動測試總線技術的不斷發展，利用PXI、PXI Express等總線及其內嵌控制器，將各功能模塊集成為一體化設備，可代替傳統的分立設備，由后端單個設備統一調控，減少設備，解放人力。

在設備集成化的前提下，通過可重構技術改變硬件邏輯結構，可在相同硬件上實現不同功能，進一步節約硬件資源。

1 可重構技術簡介

可重構技術一般包括靜態可重構技術和動態可重構技術。靜態可重構是指在FPGA開始運行之前為其配置不同的數據文件，實現邏輯功能的改變。

動態可重構技術是在FPGA運行過程中，為其配置不同的數據文件，改變FPGA的邏輯功能。遠程動態重構是通過以太網對需要重構的FPGA系統進行局部邏輯功能的更新，是近年來由Xilinx公司提出的基于互聯網的可重構邏輯(IRL)系統升級方法[2]。圖1是一個典型的IRL系統。

圖1 典型的IRL升級系統組成

近年來，隨著FPGA可重構技術的發展，以FPGA為核心的可重構儀器大量涌現，比如NI公司的FlexRIO、Teradyne公司的Ai-710等，但這些可重構儀器均不具備遠程動態重構功能，無法在某些特殊的場合實現儀器邏輯功能升級。

靶場某些環境下人力不易到達或存在危險，采用遠程動態重構技術可以方便地遠程快速改變設備的局部邏輯功能，既可迅速實現靶場不同飛行器的通用化測試，又可迅速實現同一飛行器不同功能的測試，方便設備的遠程升級維護，大大降低成本。

2 通用靶場測控方案

2.1 總體方案

利用PXI總線將供配電計算機、諸元裝訂計算機、存儲器測控臺、手動配電控制臺、檢測站基帶設備和變頻設備等設備集于一體，組成一個測控組合，置于發射場坪附近的前端測試間，連接飛行器完成有線測試和無線遙測遙控測試。后端遠控測試間僅布置主控計算機和數據處理計算機，由主控計算機通過局域網實現對前端設備的控制和狀態檢測，由數據處理計算機完成遙測數據的處理和分析，前后端通過交換機組成局域網。靶場測控系統總體方案如圖2所示。

圖2 靶場測控系統總體方案

2.2 測控組合設計方案

測控組合由RS422通訊模塊、1553B通訊模塊、LVDS通訊模塊、繼電器模塊、電源模塊、基帶處理模塊和上、下變頻模塊等構成，各模塊均為3U標準PXI板卡。RS422通訊模塊可實現供配電控制、諸元裝訂、狀態監測和有線PCM接收；LVDS傳輸模塊可完成存儲器控制和存儲器數據的高速下載；1553B通訊模塊可實現對器上設備的控制和監視；繼電器模塊直接受面板硬開關控制，在電源模塊的配合下提供帶電觸點，完成器上手動配電，基帶處理模塊和上、下變頻模塊實現無線遙測、遙控的一體化測試，嵌入式控制器實現各模塊的調控、數據存儲和處理。測控組合組成如圖3所示。

圖3 測控組合組成

結合實際情況，為實現不同的串口通訊形式和無線測控體制，RS422通訊模塊與基帶處理模塊的設計采用了遠程動態重構技術。其余模塊均易于實現通用性設計，在此不做贅述。

3 可重構模塊設計

3.1 可重構模塊硬件組成

圖4與圖5分別給出了RS422通訊模塊和基帶處理模塊的硬件原理框圖。兩個模塊包含相同的FPGA、以太網接口電路、DDR2 SDRAM緩存電路、Flash存儲電路、電源轉換電路以及PXI接口電路。

選用Xilinx的Virtex-5 FXT系列FPGA XC5VFX30T作為控制器，它包含PowerPC440處理器，以及TEMAC(Tri-mode Ethernet Media Access Controller)、MPMC(Multi-Port Memory Controller)、EMC(External Memory Controller)以及ICAP(Internal Configuration Access Port)控制器等多種IP核，便于實現動態重構。

選用Marvell的PHY芯片88E1111，與TEMAC IP核相結合，實現以太網傳輸；選用Micron的512MB DDR2 SDRAM作為配置文件的緩存和軟件的運存；選用Micron的128Mbits NOR Flash JS28F128J3F75A存儲相關配置文件。

RS422通訊模塊利用FPGA控制4路RS422收發，選用TI的DS26C31和DS26C32分別作為RS422串口收發器，串行數據的輸入輸出采用光耦隔離。

基帶處理模塊利用FPGA實現編碼調制與解調解碼等，利用A/D、D/A及其相關通道實現基帶信號的收發，ADC選用ADI的AD9268，DAC選用TI的DAC5675；選用ADI的AD9516作為DCM(Digital Clock Manager)，可通過內部VCO產生高質量、低抖動的時鐘信號，供DAC、ADC使用；ADC前端通道完成濾波和阻抗匹配，DAC后端通道實現信號放大和阻抗匹配。

圖4 RS422通訊模塊硬件原理框圖

圖5 基帶處理模塊硬件原理框圖

3.2 SOPC配置的實現

在FPGA上構建SOPC(System on a Programmable Chip)，并將其劃分為靜態區和重構區，在靜態區實現以太網傳輸、配置文件存儲、動態重構和PXI接口等通用功能，而僅在重構區內進行部分邏輯重構，以減小重構單元數目，縮短重構時間。這里采用基于BPI Flash的配置模式實現SOPC的配置[3]。

遠程動態重構方案如圖6所示。在FPGA靜態區內，PowerPC440處理器通過PLB(Processor Local Bus)總線訪問各外設控制IP核，實現對各外設的控制。其中，TEMAC IP核完成以太網接口電路的控制，可獨立配置接收與發送FIFO，開啟接收與發送硬件校驗，這里通過GMII接口與PHY芯片連接；MPMC IP核完成DDR2 SDRAM的控制，這里為MPMC配置PPC440MC和NPI兩個端口，分別作為與PowerPC440和DDR2的接口，并將MPMC配置為FIXED仲裁模式以減少資源消耗。另外，ICAP IP核用于完成重構區域的配置，PCI IP核完成PCI接口DMA讀寫邏輯，EMC IP核用于控制NOR Flash。軟件程序運行于PowerPC440內，實現對各接口的調度控制。

圖6 遠程動態重構方案框圖

SOPC的配置流程如下。第一步，在Xilinx XPS中創建硬件工程，為PowerPC處理器添加外設IP核(包括自定義的黑盒)并劃定地址，添加外部端口約束，生成比特流文件system.bit和塊存儲器映射文件system.bmm。第二步，將硬件工程導入Xilinx SDK中，導入system.bit和system.bmm，同時將引導程序bootloader.elf設置為初始配置文件，完成配置并生成融合的比特流文件download.bit。第三步，在SDK中創建C工程，導入文件系統生成包BSP，定義庫文件，編寫驅動程序，生成鏈接腳本文件linker script，生成軟件可執行文件appname.elf并轉化為SREC文件。第四步，利用Xilinx impact工具生成BPI Flash兼容的配置文件download.mcs，并燒寫入Flash的起始地址。第五步，將SREC文件燒寫入Flash的特定偏移地址中，此偏移地址與bootloader中的偏移地址保持一致[4]。

片上系統啟動的過程中，只能使用FPGA片內RAM空間作為運行空間；但PowerPC440軟件程序移植了文件系統，FPGA提供的RAM空間不夠其使用。而引導程序容量較小，上電后可加載到片內RAM中直接運行。在引導程序中設定相對應的地址偏移量，這樣就可以根據設定的偏移量直接從Flash中的特定偏移地址中讀取軟件的配置文件，使軟件運行于片外Flash[5]。

3.3 遠程動態重構的實現

遠程動態重構的工作流程如下：可重構模塊上電后SOPC從Flash中讀取配置文件，完成初始配置，并與遠程計算機完成網絡連接；收到來自遠程計算機的重構使能后，接收遠程動態配置文件和配置區域地址，經DDR2 SDRAM緩存，寫入Flash相應地址；最后通過ICAP IP核完成重構區邏輯的動態重構。

控制流程在SOPC軟件中實現，軟件移植Xilinx公司的XilFATFS文件系統，它提供完整的源程序和良好的接口函數。采用Light Weight IP協議棧，并使用RAW模式的API接口函數完成TCP/IP協議。Xilinx SDK中包含了Light Weight IP的源碼與庫，可直接生成TEMAC IP核驅動。

3.4 RS422通訊模塊重構區功能實現

串口通訊有異步和同步之分。異步串口通訊邏輯較簡單，此處不做贅述。標準同步串口通訊包括位同步、字符同步和幀同步，而在標準同步通訊的基礎上，又衍生出自同步、準同步等多種通訊形式。

圖7是包含CRC校驗的標準同步串行通訊的邏輯實現框圖。定時通訊觸發單元利用時鐘計數器產生周期性的觸發信號，送入發控單元。發控單元一方面產生波特率大小的時鐘供發送單元使用，另一方面根據設定的命令幀長度，在定時觸發單元觸發下，從發送FIFO中取出一幀命令幀數據，由發送單元發送。發送單元完成并行向串行數據的轉化，并在串行數據輸出的過程中添加CRC校驗碼。收控單元根據發送單元給出的狀態指示信號判斷當前的通訊狀態；如為發送狀態，收控單元將發送數據和發送時鐘送入接收單元，實現對發送數據以及數據校驗結果的回收；如為空閑狀態，收控單元將獲取外部接收數據和接收時鐘信號。接收單元完成CRC校驗以及串行向并行數據的轉化，并將處理的數據和校驗結果一并寫入接收FIFO中。

圖7 標準同步串行通訊邏輯圖

對于準同步串行通訊形式，只是在標準同步的基礎上，利用定時觸發單元產生副幀同步、字同步信號等，準同步時序如圖8所示。

圖8 準同步串口通訊時序圖

3.5 基帶處理模塊重構區功能實現

3.5.1 PCM-FM遙測體制實現

PCM-FM遙測體制可實現低仰角條件下的高碼率遙測，具有抗多徑、抗相位隨機閃爍等優勢，應用多符號檢測技術(MSD)和Turbo乘積碼編譯碼技術(TPC)，在誤碼率為1×10-7條件下，可獲得近8dB的信道增益[6]。

圖9 PCM-FM遙測體制邏輯框圖

PCM-FM遙測體制邏輯如圖9所示。在FPGA中產生兩路正交信號對A/D采樣信號進行數字正交下變頻，生成I、Q兩路信號并分別進行匹配濾波，以濾除噪聲和干擾；然后利用非相干基帶MSD算法完成鑒頻，得到PCM碼流；經位同步、TPC譯碼、幀同步等過程完成信號的檢測，獲得遙測數據[7]。另外，利用TPC編碼和數字正交調制提供遙測模擬源，以實現系統自檢。

可利用上位機通過PXI總線設置碼率、編碼類型、幀格式、載波頻率、載波環帶寬、調制度等。

3.5.2 擴頻測控體制實現

擴頻測控體制可實現點頻統一和信道統一，具有抗干擾、保密性強等優勢，且通過不同的擴頻碼可實現多目標測控。這里采用PCM-DSSS-QPSK調制方式，采用非相干擴頻模式(TT&C模式二)實現遙測、遙控和外測一體化測控。

擴頻測控體制邏輯如圖10所示。A/D采樣信號同時送入載波與偽碼捕獲單元和載波與偽碼跟蹤單元，采用匹配濾波與FFT頻率估計的方法進行信號的快速捕獲，捕獲的載波和偽碼送入跟蹤單元；利用Costas環實現載波的跟蹤、解調和解擴，在FLL跟蹤環中，采用歸一化的叉積鑒頻器，在PLL跟蹤環中，采用Costas環反正切鑒相器[8]；利用偽碼跟蹤環實現偽碼的跟蹤，當載波沒有鎖定時，采用非相干功率鑒相算法，當載波鎖定時，采用相干點積鑒相算法；跟蹤單元輸出的信號經位同步信號的積分判決，并進行Viterbi譯碼和幀同步處理，完成遙測數據的接收。遙控指令經卷積編碼、交織、串并轉換、偽碼擴頻、載波調制后，經D/A電路發送。

圖10 擴頻測控體制邏輯框圖

可利用上位機通過PXI總線設置碼率、偽碼類型、偽碼速率、編碼類型、幀格式、載波頻率、載波環帶寬、調制度等。

4 測試與分析

4.1 RS422通訊模塊功能測試

利用MOXA串口卡對RS422通訊模塊進行收發測試，并用示波器監測線路上的收發信號。經測試，各種不同的串行通訊誤碼率低于1×10-7，波特率調整、定時收發、CRC校驗等功能均正常。圖11和圖12所示分別為標準同步通訊和準同步通訊的波形。

圖11 標準同步通訊波形

圖12 準同步通訊波形

4.2 基帶處理模塊功能測試

將基帶處理模塊的DAC發送通道和ADC接收通道連接，可實現基帶的小環比對。經測試，在不同的體制下，基帶接收誤碼率均低于1×10-7，利用上位機調整相關參數，基帶處理模塊均作出正確響應。

圖13和圖14所示分別為PCM-FM遙測體制下調制度為0.7時的調制信號頻譜，以及擴頻測控體制下調制信號的頻譜。

圖13 PCM-FM調制信號頻譜(SPAN=30 MHz)

圖14 擴頻調制信號的頻譜(SPAN=150 MHz)

4.3 可重構模塊重構時間測試

遠程重構的總時間t是從遠程計算機發送配置文件到可重構模塊完成重構這一段時間，由配置文件通過以太網上傳至可重構模塊端口的時間t0、配置文件寫入Flash的時間t1以及配置文件從Flash載入FPGA的時間t2組成，t=t0+t1+t2。利用Wireshark軟件測量出網絡傳輸速率，結合網絡傳輸速率和配置文件的容量得出t0。在軟件代碼中設定時間戳函數，利用返回值差值計算得到t1和t2。

測試中對各可重構模塊的多個重構狀態進行重構時間測試，其測試結果如表1所示。

表1 重構時間測試結果

根據試驗結果，t0由網絡傳輸的速度決定，t1和t2分別由Flash的擦寫速度與讀取速度決定。用配置文件大小除以t0的平均值，得到傳輸速率的平均值為32.937 Mbps；擦寫速率由配置文件大小除以t1的平均值得到，平均擦寫速率為1.023 MB/s；讀取速率則由配置文件大小除以t2得到，平均存儲速率為10.293 MB/s。

4.4 系統聯調

利用兩個不同的等效器模擬不同的飛行器，按圖15連接同一地面系統，通過遠程動態重構方式完成地面系統的功能重構，遠程重構時間小于20 s，性能優異。測控組合通過脫插與等效器連接，完成存儲器數據下載、供配電控制、有線PCM接收等功能的驗證。經聯調，存儲器下載速率達180 Mb/s(傳輸距離為50 m)，有線PCM傳輸速率達10 Mb/s(傳輸距離為50 m)。將測控組合的S波段上、下變頻模塊分別連接發射天線和接收天線，實現無線遙測、外測、遙控等功能的自檢驗證。輸入功率為-110～0 dBm，輸入頻率為RF(2 200～2 400 MHz，帶寬70 MHz)，擴頻體制下偽碼速率為10～12 Mchip/s可調，遙控碼速率為1～10 Kbps可調。PCM-FM遙測體制下遙測數據率達5 Mb/s。滿足現階段靶場測控系統的基本使用需求。

圖15 系統測試示意圖

5 結論

本文介紹的基于遠程動態重構的通用靶場測控系統設計，通過PXI總線將試驗所需的各模塊集成于前端測控組合，由后端主控計算機完成對前端設備的綜合調度，由數據處理計算機完成遙測數據的實時處理，利用SOPC遠程動態重構實現了測控組合中RS422通訊功能和基帶處理功能的重配置。經測試，測控組合具有較高的可靠性，重構時間短。本方法能夠有效降低研發和試驗成本，方便設備的遠程升級維護，提高測試效率，具有廣闊的應用前景。