一種星載遙測采集電路優化設計

紀丙華，王茂森，沈 奇，張錦濤，戴 琳

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引言

隨著航天事業的發展，衛星在國土勘察、路況規劃、氣象監測、農產品估值、防災減災、廣播通信等領域發揮著越來越重要的作用[1-2]。

衛星發射入軌后，受空間帶電粒子輻照環境等因素的影響，各分系統的工作狀態隨時可能發生改變[3]。由于其工作環境的特殊性以及入軌后的不可維修性，使得衛星的在軌健康狀態監測和自主任務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星自主健康監測系統不能第一時間獲取衛星在軌運行的狀態信息，及時感知衛星健康狀態，那么一旦發生問題，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健康監測的重要組成部分，在母線電壓采集、供電電流監測、各分系統模塊開關機狀態和熱控溫度采集等方面發揮重要作用，可為星務平臺提供多方位的健康狀態監測，為實現衛星自主健康管理和地面感知提供重要參數。

本文針對傳統衛星平臺配套使用的遙測采集模塊數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遙測采集電路，旨在為星務平臺更好地實現任務規劃提供操作依據。

1 電路設計

1.1 傳統遙測采集電路設計

通常使用的遙測采集模塊電路如圖1 所示。在實際應用中，遙測采集模塊在收到平臺發出的固有頻率的遙測采集指令后即開始采集各分系統工作電壓、電流、溫度和開關狀態等遙測狀態信息，同時生成遙測數據包。由于板載FPGA 緩存資源有限，遙測采集模塊每周期產生的大量遙測數據只能以固定的數據包格式在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據回傳給星務平臺。

圖1 傳統遙測采集模塊電路設計架構Fig. 1 Circuit design architecture of a traditional telemetry acquisition module

由于FPGA 資源的局限性，每次回傳的數據來源總是從SRAM 中讀取的上一次指令啟動緩存的健康狀態數據包，所以回傳的遙測數據比實時工作狀態至少慢1 個星務周期，即完成1 次遙測群采和數據回傳至少需要2 個星務控制周期。這使得遙測信息總是滯后于實際工作狀態，難以適應衛星平臺高實時的健康狀態監測要求。

1.2 新型遙測采集電路設計

為提升遙測采集模塊工作的實時性，本文對傳統遙測采集電路的信息流進行優化，設計了一種支持實時狀態量采集、即采即發的新型遙測采集模塊，其電路設計架構如圖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遙測數據進行FPGA 片外緩存，僅片內資源即可滿足要求，因此簡化了電路設計，降低了宇航產品的研制成本，同時提高了數據傳輸效率。

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

2 軟件設計

為了實現遙測采集模塊對每路輸入狀態量的即采即發，對FPGA 控制邏輯進行優化，主要包括模擬通道選通的控制時序邏輯設計和對外輸出的控制邏輯設計：要求FPGA 控制邏輯能在回傳衛星平臺當前采集端口遙測參數的同時，完成下一路模擬量采集端口的模擬量到數字量轉換工作。即，當前通道的遙測數據傳輸完成時，下一路數據已經準備就緒、可以接續傳輸，進而實現多路模擬量參數從采集到發送的無縫銜接。

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，FPGA 將該變量譯碼成模擬門的選通地址，實現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”是輸出通道計數器；“tx_data”是數字量參數輸出寄存器；遙測群采指令對應的遙測參數數據包幀長為184 Byte，根據要求順次輸出遙測變量。為便于衛星平臺快速提取數據塊，開展遙測數據的解包工作，每幀遙測采集模塊的遙測數據幀頭和幀尾均填充固定的數據格式，幀頭包括遙測包引導頭“16'h39D7”、遙測包計數和數據包長度等信息，幀尾固定填充“aabbccddee”。對于外部輸入的模擬量參數，每當上一路遙測參數發送完畢后，發送地址寄存器“rd_ram_add”即加1，并將當前采到的遙測參數賦值給輸出參數寄存器“tx_data”，以實現當前遙測數據的對外發送。

3 仿真與實測驗證

為了驗證新型遙測采集模塊設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，結合實際應用設計工程測試輸入激勵，遙測群采指令設計為“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，FPGA 控制輸出的遙測數據回傳情況如圖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據包的包頭引導碼“16'h39D7”、遙測包計數和數據包長“16'h00A2”等參數準確；遙測包計數順次遞增，模擬門地址選通依次執行，符合預期要求；每路遙測端口采集完即發送，幾乎無時延，并且遙測幀格式滿足解包要求，數據輸出邏輯準確可靠。

圖3 新型遙測采集電路指令接收和遙測回傳仿真數據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據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計方案的可行性，進行實測驗證，實測數據如圖5 所示。可以看到，新型遙測采集模塊的遙測幀序列格式與設計一致，遙測包計數穩定遞增。

圖5 新型遙測采集模塊實測數據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據解析結果。

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，當地面測試設備向遙測采集模塊發送遙測群采指令時，隨即收到遙測采集模塊返回的184 Byte 遙測數據包。說明被測的新型遙測采集模塊能及時響應測試平臺的遙測群采指令，返回數據包格式正確，且功能可靠。

4 結束語

本文設計的新型遙測采集電路采用實時采集、實時發送的設計方案，能夠確保在1 個星務遙測群采周期內完成所有模擬量的采集組包和發送工作，解決了傳統遙測采集電路存在的回傳遙測參數延時問題，實現了模擬量的實時采集、實時發送，提高了遙測采集參數傳輸的實時性，解除了對存儲器件SRAM 的依賴，可降低產品研制成本，為星務平臺提供高實時、高可靠的遙測參數。