一种模块化可配置采编器的设计与实现

王洪凯，李 宝，葛 立，高 枫，李北国

一种模块化可配置采编器的设计与实现

王洪凯，李 宝，葛 立，高 枫，李北国

（北京航天长征飞行器研究所 北京 100076）

针对飞行器被测信号种类和数量不断增多带来的遥测系统采编器多样化、定制化的问题，设计并实现一种模块化可配置采编器。采用模块化设计理念，对采编器进行硬件和软件模块化设计，实现采编器各类需求间组合和裁剪的能力；通过可配置协议设计和可配置物理设计，实现采编器适配相应遥测系统需求的能力。经过大量试验验证，采编器良好适配各类遥测系统需求，缩短设计周期，降低设计成本，具有较高的可靠性和工程应用价值。

遥测；采编器；模块化；可配置

引 言

采编器作为飞行器遥测系统的核心组成部分，承担着飞行试验过程中各项指标参数的采集、编码、组帧工作。随着飞行器性能的不断提升，系统复杂度的提高，工程师对其可靠性、安全性等关注增强，被测信号种类和数量不断增多，遥测系统采编器的研制难度和复杂度随之不断提高[1]。这就导致了采编器的研制需求更加多样化、定制化，不仅耗费大量设计时间，而且项目研制周期也随之增加。因此，笔者在对多个遥测系统研制需求分析的基础上，引入模块化、可配置设计理念，采用软硬件协同设计的方法，设计实现了一种模块化可配置采编器，通过模块的简单组合和配置，即可满足多个遥测系统需求，缩短了设计周期，降低了设计成本。

1 采编器简介

飞行器遥测系统采编器功能一般如图1所示，主要实现飞行器飞行过程中各类模拟信号、数字信号和其他信号的采集接收，并将接收数据按照协议格式编制成帧，然后通过特定的数字接口发送给存储装置或发射装置。

因各类飞行器设计指标不同，遥测系统需求多样，采编器的模拟量采集路数、数字量接收路数和格式、编制帧格式等均存在区别，这就导致采编器设计多样化，研制定制化，耗费大量设计时间，增加了研制成本。本设计中，对采编器不同点进行了统筹分析，引入模块化设计理念，对采编器功能进行了分解和重组，解决了不同采编器研制需求差异化带来的多样化、定制化问题；引入可配置设计思路，设计采编器通用帧结构和实现方式，解决了对特定遥测系统的适配性问题。

图1 采编器功能

2 模块化设计

基于采编器采集模拟信号、数字信号等信号的种类和数量，采集、编帧、发送功能，采编器上电后工作流程等的分析，为实现采编器的模块化研制，本设计中对采编器进行了硬件模块化设计和软件模块化设计。

2.1 硬件模块化设计

根据硬件功能划分，在硬件模块化设计过程中，设计了抽屉式框架结构和功能相互独立的基础模块，包括板间传输模块、电源模块、主控模块；并研制了扩展性强的接口模块，如模拟量采集模块和数字量接口模块等。模块间相互独立，并通过特定接口相连。采编器研制时，根据设计需求，在基础模块基础上，通过组合不同的接口模块，即可满足采编器设计需求中的硬件需求。

2.1.1 抽屉式框架结构

抽屉式框架结构为构成采编器的结构部件，其包含抽屉结构和框架结构两部分。其中，抽屉结构为各个模块的外部结构，用于各个模块电路板的安装。框架结构为采编器的外部结构，根据模块使用需求，分为4~7个模块四种，可分别安装4~7个采用抽屉结构的模块。

2.1.2 板间传输模块

板间传输模块用于实现模块间信号传输的功能，采用48芯插座作为各个模块间通信的物理介质。48路信号按照需求，分为供电信号、采样时钟、采样控制信号、扩展通信信号等部分。

2.1.3 电源模块

电源模块功能如图2所示，通过DC/DC（Direct Current/Direct Current）实现了飞行器系统28V供电到设备内部5V供电的转换，并实现了设备与外系统供电的隔离。同时，为适应飞行器上严苛的电磁环境，该模块中采用了多重滤波的设计。通过EMI（Electro Magnetic Interference）滤波、整流二极管和瞬态抑制二极管实现对输入电压的滤波，降低包含于输入电压中的高脉冲电压对其它元器件造成的损害。同时，电源模块中设计共模滤波器和差模滤波器，保证5V供电电压的品质。

图2 电源模块功能

2.1.4 主控模块

主控模块为采编器工作过程中的核心模块，具有控制和接收模拟量采集模块的模拟量数据，接收数字量接口模块数据，接收飞行器起飞信号，对接收数据编制成帧，以及通过LVDS（Low Voltage Differential Signaling）接口和隔离422接口输出编帧后数据的功能，其功能如图3所示。整个主控模块的采集控制、编帧、接口输出功能通过主控模块的FPGA（Field Programmable Gate Array）实现。同时，主控模块内置EEPROM（Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory），用于存储采编器的相关配置信息。

图3 主控模块功能

2.1.5 模拟量采集模块

模拟量采集模块功能如图4所示，内置接收运放、电压基准、AD（Analog Digital）转换等功能，可直接对模拟量进行采集，并以串行方式实现对当前采集数据的输出。主控模块通过板间传输模块的SPI（Serial Peripheral Interface）接口进行单路模拟量的选择。因飞行器需采集参数较多，故单个模块设计为64路采样。采编器可通过增加模拟量采集模块的形式，实现最多192路模拟量的采样。

图4 模拟量采集模块功能

2.1.6 数字量接口模块

数字量接口模块用于实现飞行器飞行状态中有关数字量信号的采集，其功能如图5所示。该模块采用FPGA作为主控单元，并设计6个隔离422接口电路，能够实现最多6路数字量数据的隔离接收。接收后的数据可通过模块中FPGA进行预编帧，并通过板间传输模块的SPI接口发送到主控模块，以进行进一步的同步填充。同时，根据遥测所需采集数字量需求，该模块可支持多个同时使用。

图5 数字量接口模块功能

2.2 软件模块化设计

根据采编器软件功能划分，结合采编器硬件模块电路，本设计中基于主控模块的FPGA，进行了相应的软件模块化设计，分别设计了顶层控制模块、时钟产生模块、复位信号产生模块、配置模块、起飞信号模块、数据接收模块、采集编帧模块和数据发送模块。模块之间功能和接口独立，结合飞行器遥测系统需求，对相应模块进行组合和调整，即可设计实现满足需求的采编器。图6为基于软件模块化设计后，适用某款飞行器遥测需求的采编器软件结构。

3 可配置设计

模块化设计为采编器通用性和可移植性奠定了基础。为应对特定飞行试验需求，实现采编器上电后自主识别工作模式，按照飞行试验需求开展采集、编帧和数据输出工作，本设计进一步开展了可配置设计，具体包括可配置协议设计和可配置物理设计。

图6 采编器软件结构

3.1 可配置协议设计

可配置协议设计基于以往采编器设计经验，统筹分析各类飞行试验测量需求的指标，设计了适用于通用化采编器的可配置协议表，如图7所示。

区域功能 第一部分采编帧结构的通道信息 第二部分采编帧结构的配置信息 第三部分采编器的接口信息

可配置协议表为固定长度的数据表，包含了采编器采集、编帧、发送的各类需求，可根据飞行试验不同测量需求对协议表内容进行调整和配置。根据包含信息，可配置协议表划分为三个部分：第一部分为采编帧结构的通道信息，按照编帧顺序，依次列出各个采集通道的相关信息，包括数据挑路类型、数据类型、模拟通道选择等。第二部分为采编帧结构的配置信息，包括采编帧结构的长度、采样率、同步字等信息。第三部分为采编器的接口信息，包括采编器与外部接口交互式时所需的相关信息，包括接口使能、波特率、数据帧长度、同步字等。表中各类信息按照约定格式进行排列，以便于软件中的配置模块依次识别相应信息。

3.2 可配置物理设计

可配置物理设计作为可配置设计的物理实现形式，包括硬件设计和软件设计两个部分。

硬件设计主要在采编器主控模块进行实现，利用EEPROM的数据掉电不丢失特性，通过在主控模块设置EEPROM，实现了可配置协议表在采编器上的存储；通过主控模块FPGA，经由I2C（Inter-Integrated Circuit）接口对EEPROM进行控制，实现了可配置协议表的写入和读取。

软件设计主要实现基于FPGA的可配置协议表的写入与读出功能，包括协议表写入软件和协议表读取软件。协议表写入软件用于在采编器使用前，将包含飞行试验测量需求信息的协议表写入EEPROM，使得采编器工作所需的各类信息始终存储于设备内部。协议表读取软件具体实现形式为图6中所示配置模块，作为采编控制FPGA软件的组成部分，实现采编器上电后，读取EEPROM上可配置协议表，并存储于FPGA内部RAM（Random Access Memory）的过程。采编控制软件通过不断查询RAM中可配置协议表内容，进一步识别试验需求，实时进行数据采集、编帧和发送。

4 应用实例

针对某新型飞行器遥测系统100路模拟量、5路隔离数字量采集并混合编帧的需求，系统设计人员选用文中所述模块化可配置采编器，仅进行了硬件模块组合、软件模块选择整合、帧结构到可配置协议表转换及写入三个步骤，就满足了系统需求。其中，硬件模块选择6模块抽屉结构，并配备板间传输模块、电源模块、主控模块、数字量接口模块和2个模拟量采集模块。

相比传统采编器研制依次经历硬件设计、软件设计、软硬件调试等耗时近3人月的过程，文中所述采编器的设计选用时间不足0.5人月，大大节省了设计时间。同时，本采编器因各个模块多次应用验证，其可靠性和环境适应性具有很大优势，生产试验环节的时间和成本也相应减少。

5 结束语

本文针对飞行器遥测系统采编器多样化、定制化的现状，通过对多类遥测系统研制需求进行分析，引入模块化、可配置设计理念，设计实现了一种模块化可配置采编器。目前，该型采编器通过模块化选型和软件配置，已经适配多个遥测系统需求，研制生产周期得到缩短，设计成本不断降低。产品现已通过温度循环试验、高温老炼试验、振动试验、电磁兼容试验等环境试验考核，并经历了多类飞行器十余次飞行试验考核，产品工作正常，具有较高的可靠性和工程应用价值。

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Design and implementation of a configurable sample-encoder based on modularity method

WANG Hongkai, LI Bao, GE Li, GAO Feng, LI Beiguo

（Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China）

With the development of space vehicle, the demands of telemetric signal have increased in variety and quantity. The sample-encoder, the key device in telemetry system, becomes application specific and implementation complex. In order to solve this problem, a configurable sample-encoder based on modularity method is designed and implemented. Firmware and hardware have been redesigned using modularity method to make it composable and decomposable. A configurable protocol and a practical plan are made to adapt for every particular telemetry system. As a consequence, numerous tests show that this sample-encoder is well applied to several telemetry systems reliably and its design cycle and costs have been reduced considerably, the application prospect of this device can be attractive.

Telemetry; Sample-encoder; Modularization; Configurable

TP23

A

CN11-1780(2019)05-0068-05

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-05-14

2019-09-11

王洪凯 1990年生，硕士，工程师，主要研究方向为遥测系统设计。

李 宝 1983年生，硕士，高级工程师，研究室副主任，研究方向为遥测系统设计。

葛 立 1985年生，硕士，工程师，研究方向为遥测产品设计。

高 枫 1972年生，硕士，高级工程师，研究方向为遥测产品设计。

李北国 1986年生，硕士，高级工程师，研究方向为遥测系统设计。