基于网络输出的遥测信息采集编码器设计

邓 辉，温 瑞

(中国人民解放军92853部队，辽宁 兴城 125109)

0 引言

近年来，随着无线通信技术的快速发展，航空遥测系统网络化传输趋势愈发明显[1]。为实现多飞行目标和地面接收站之间建立高码率、网络化遥测传输链路，国内相关单位进行了多种尝试，基于COFDM调制方式的NETNode无线网格网IP电台传输方案就是其中一种[2]。该方案由无线IP电台搭建地面与飞行目标、飞行目标与飞行目标之间的无线数据链路通道，将一台IP电台作为一个目标节点，多个目标节点组合成一个自组织、自愈合的无线网。灵活的网状结构使节点之间在同一频率上以UDP组播方式进行点对点、点对多点交换数据，也可以通过节点中继增加传输距离[3]。由于网内IP电台间以无线IP通信方式交换数据，同节点内IP电台与机载遥测信息采集编码设备也通过TCP/IP有线通信方式交换数据包。因此需要专门设计基于网络数据包输出的遥测信息采集编码设备，以满足无线IP电台网络化传输需求[4]。该设备是在传统PCM遥测采集编码记录设备基础上进行优化设计完成的，不但能够使编码信息形成复合PCM数据流进行本地存储，而且能够组成IP网络数据包并通过RJ45网络接口发送至IP电台进行无线网络化传输。

1 硬件设计

1.1 系统基本架构设计

基于网络输出的遥测信息采集编码器主要由硬件系统和嵌入软件组成[5]。设备继承了国内机载遥测系统信息采集编码器的部分设计成果，其中平显视频采集板、ARINC-429总线采集板、RS422总线采集板以及母板和电源板继续使用了原型成果，只是在主控板基础上增加IRIG-B AC时码接收模块和以太网输出模块，并对设备整体架构进行了重新布板规划[6]。设备布板主要包括平显视频采集板、ARINC-429总线采集板、RS422总线采集板、模拟量采集板(集成模拟量采集模块和热电偶采集模块)、频率量和离散量采集板、主控板(集成主控模块、PCM编码模块、数据存储模块、以太网模块以及IRIG-B AC时码模块等)、母板及电源板等板卡。设备机箱插板规划示意如图1所示。机箱采用后出线方式，所有操作、采集、输出接口都设计在右侧面板上，机箱正视图如图2，对外接口如表1所示。

图1 设备机箱插板规划

图2 机箱正视图

表1 机箱对外接口

序号标号对外功能接口1X1视频信号采集接口2X2电源输入接口3X3RS422、ARIN429、时码、离散量等信号采集接口4X4模拟量、频率量信号采集接口5X5数据下载输出接口6X6PCM、100 M以太网输出接口7X7热电偶信号采集接口

1.2 主控板设计

设备主控板主要包括主控模块、PCM编码模块、数据存储模块、数据下载模块、IRIG-B AC时码接收模块、以太网输出模块等功能模块。以太网接口数据输出按照主控板PCM流的一个子帧为单位进行打包发送，其中一包数据为一般采集参数，另一包为视频数据。主控板设计原理如图3所示。

图3 主控板设计原理

各模块主要功能：

① 主控模块负责对整个设备进行管理调度，通过LVDS总线和Local BUS总线管理各功能板卡，并为各采集功能板提供参考时钟和全局同步脉冲信号；

② PCM编码模块实现将采集数据按照PCM编码格式编排及发送；

③ 数据存储模块实现将所有采集数据按照一定的格式进行存储，存储容量可达4 G；

④ 数据下载模块实现将存储的数据通过专用通信接口下传；

⑤ AC时码接收模块实现将AC时码信号调理后进行解调，输出秒脉冲信号和时码参数；

⑥ 以太网输出模块使用FPGA内部的高速通信收发器配合外部物理层电路实现10/100 Mbps的以太网IP数据通信。

1.3 模拟量采集板设计

模拟量采集板采用模块化设计，主要包括电压跟随器、滤波电路、增益调节电路、通道选择电路及模拟数字转换电路等功能电路[7]，设计原理如图4所示。

板卡前端为调理电路、后端为配置电路，主要实现对9路模拟量输入信号进行滤波、幅值调节，使其满足AD转换芯片对输入信号的要求，并通过FPGA完成各通道采样率配置后，根据总线上的时序控制信号控制AD转换芯片进行AD转换，再将每次转换后的数据通过总线传送给主控板。

图4 模拟量采集板设计原理

1.4 离散量和频率量采集板

离散量和频率量采集板由离散量采集模块、SPI总线模块(热电偶信号采集)和频率量采集模块3部分组成。设计原理如图5所示。

图5 离散量和频率量采集板设计原理

离散量采集模块可对12路离散量信号实时采集，并将离散量数据以规定的格式配置后通过总线传送给主控板。SPI总线模块采用ALTERA公司成熟的IP核设计SPI总线接口。

频率量采集模块由信号调理、信号滤波、信号放大及施密特触发器等部分组成，可实现对4个通道频率量信号的采集。

2 软件设计

2.1 软件组成及功能

设备软件主要包括配置信息模块、数据采集模块、以太网组包模块及发送模块、视频板授时模块、数据存储模块和数据下载模块等功能模块[8]。主要实现设备对外部信号进行数据采集、数据处理、按照以太网数据包组包发送，并能及时对数据进行存储记录等功能。软件同时还具有与数据下载装置进行数据交互功能，能够完成对记录数据的下载、擦除等工作。

2.2 软件工作流程

按照设备软件工作内容以及框架设计要求，主要分为系统初始化、工作模式选择、数据采集模式及数据下载模式4步工作流程，如图6所示。

图6 软件工作流程

软件时序步骤如下：

① 系统上电；

② 配置信息模块工作时，完成系统初始化(包括以太网数据格式读取、设置、数据采集参数配置以及记录数据存储与管理更新等)；

③ 工作模式选择时，完成系统工作模式选择；

④ 数据采集模式工作时，完成数据采集、以太网数据发送和数据记录等；

⑤ 数据下载模式工作时，完成与外部数据下载装置的数据交互，实现记录数据下载和数据擦除等工作；

⑥ 数据采集工作模式选定并开始工作时，采集系统按照配置好的工作模式开始工作，工作过程中模式不可变。

2.3 数据包输出及存储格式

设备输出的IP网络数据包以PCM流的一个子帧为单位进行组包，其中一包数据为一般采集参数，另一包为视频数据，通过数据端口和视频端口分别输出。数据包格式定义如图7所示。

图7 数据包格式定义图

源端，目端：各占2 Byte，高字节表示类别编码，低字节表示编码。编号从1开始，依次编排。如2号机遥测采集编码设备编码高字节为001(0X65)，低字节为2(0X02)，其系统编码为0X6502；

长度：长度字段指示了数据正文的字节数，为无符号整形，占2 Byte；

保留字：预留2 Byte的保留字，以后扩充；

信息分类：001(0X65)；

LABLE：信息标签，0X13；

SN：序列号，1～65 535，每发送一个报文序列号加1，到65 535回到1；

RN：机载采集记录设备编号；

FN：航空器号，4 Byte；

ST：飞行架次，整型数，2 Byte；

偏移量标记：当偏移量标记为1时，下面的PARi部分为视频数据；

PARi：第i个参数，整型数，4 Byte，共80个参数，内容为-999为无效数据；

T：发送网络数据的绝对时间：24 Byte，字符类型表示方式为：YYYY-MM-DD hh：mm：dd.ffff。

2.3 参数配置

参数配置文件是采集编码设备赖以运行的依据，需要用户在地面通过维护软件对设备进行配置。配置文件要求设备与IP电台、地面系统计算机等系统设备在同一IP网段下配置网络参数，规划相应的IP地址、组播地址及数据端口和视频端口号。文件脚本在系统维护软件“configfile”文件夹下的“tracknet.xml”文件中，通过编辑“net”节点设置完成。设备参数配置完成后，设备软件会根据存储的配置文件自动运行。

3 测试及结果分析

3.1 测试方法

信息采集编码器设备通过采用机内测试(BIT)和内场综合自动测试设备(IATE)相配合方法完成测试性设计。BIT可对设备机内各板卡进行工作状态检测，并通过机箱上的状态指示灯显示[9]。由于仅仅依靠BIT无法检测和隔离接口电路、电缆、导线以及连接器等器件故障，因此又配备了IATE以完成对设备功能、性能测试及故障诊断隔离。

IATE设备采用闭环测试方法完成测试过程，即将事先配置好的模拟信息源输送给信息采集编码器的同时，又接收以太网接口输出的数据包信息，再利用软件对接收的数据包信息进行分析和检测，得出信息采集编码器功能、性能测试结果；也可使用数据下载器下载信息采集编码器存储的PCM流数据信息，并通过IATE软件对存储数据信息与输入模拟信息源信息进行比对分析，判断信息采集编码器是否有故障[10]。

3.2 测试结果及分析

3.2.1 单向传输速率测试

IATE设备分10组连续给信息采集编码器输送1 MB模拟信息源数据[11]，再通过IATE软件检测信息采集编码器以太网接口和PCM下载接口的输出速率和丢包情况，结果如下：

① PCM下载输出接口码速率为1 Mbps；

② 以太网输出接口码速率为15.35 Mbps；

③ 通过对网络状态进行故障诊断与分析发现，实时捕获的10组数据包中网络丢包小于0.01%。

3.2.2 功能及性能测试

通过IATE软件对接收的2种数据包进行导入提取、转换及解算处理等工作后，分离解析出了完整的以PCM流子帧为单位的编码信息。模拟的信息量包括：

① 4路ARINC-429信息；② 4路RS422信息；③ 11路模拟量信息；④ 4路频率量信息；⑤ 12路离散量信息；⑥ 1路平显视频信息；⑦ 1路IRIG-B AC时码信息。

上述分离出的编码信息检测结果显示：输入的各路模拟信息源得到了正确采集，信息解码恢复的模拟参数能够反映飞机系统工作状态。

4 结束语

信息采集编码设备是无线电机载遥测系统的关键部件之一[12]。为了适应遥测信息网络化传输的需求，在对传统PCM遥测采集编码设备进行优化设计的基础上，采用基于网络输出的信息采集编码方案，实现了以PCM流一个子帧为单位进行组包发送的以太网格式，为遥测信息的高码率、网络化传输创造了条件[13]。在设备研制过程中发现，由于设备以太网输出模块内嵌的高速通信收发器自带的网络协议栈(Vxworks Network Stack，VNS)单向网络传输速率只能到达15 Mbps左右，满足不了高采样网络速率的需求[14]。近年出现的网络底层发包技术跳过了VNS的多层打包和多次数据复制缓存的过程，直接调用网络芯片底层驱动将网络数据包发送出去，可以明显的提高网络传输速率[15]，解决了网络采集系统的瓶颈问题。