通用型數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ㄔO(shè)計(jì)

甄國涌，褚建平，劉東海（.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原03005；.太原市華納方盛科技有限公司，太原03005）

通用型數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ㄔO(shè)計(jì)

甄國涌1*，褚建平1，劉東海2
（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.太原市華納方盛科技有限公司，太原030051）

針對測試系統(tǒng)等效器數(shù)據(jù)傳輸接口種類繁多，傳輸頻率及傳輸幀格式有所差異等問題，研制了一種通用型數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳āotlink接口，RS422接口、RS485接口、CAN接口、LVDS+光纖傳輸接口等使用頻率相對較高的接口集成到一張接口卡上。上位機(jī)軟件可以通過PXI接口配置數(shù)據(jù)傳輸接口、傳輸頻率、傳輸幀格式等參數(shù)。該設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的等效器轉(zhuǎn)變成等效接口卡形式，相對較大的提升了等效器的通用性。通過大量試驗(yàn)證明，該接口卡在不同配置方案下等效的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行有效的傳輸。

等效器，傳輸接口，傳輸頻率，幀格式

隨著我國航天科技的迅速發(fā)展，對航天器系統(tǒng)測試的要求更加的嚴(yán)格，測試系統(tǒng)需要等效航天器上行和下行的各種指令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，從而驗(yàn)證航天器運(yùn)行的正確性和穩(wěn)定性［1-2］。等效器是測試系統(tǒng)中的一部分，可以等效采編控制器、中心程序控制器等不同地面設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)［3］。

早期的測試系統(tǒng)等效器接口種類繁多，數(shù)據(jù)傳輸頻率及傳輸幀格式有所差異，針對這些問題，研制了一種通用型數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳āＴ摻涌诳ㄔ?個(gè)方面做到等效，分別是等效數(shù)據(jù)傳輸接口，等效數(shù)據(jù)傳輸頻率，等效數(shù)據(jù)傳輸幀格式。在傳輸接口方面，我們將使用頻率相對較高的Hotlink接口、RS422接口、RS485接口、CAN接口及LVDS+光纖傳輸接口集成到一起。在傳輸頻率及傳輸幀格式方面，我們采用上位機(jī)與FPGA通信的方式，通過上位機(jī)可以配置不同的傳輸方案。將傳統(tǒng)的等效器轉(zhuǎn)變成等效接口卡形式，相對較大地提升了等效器的通用性。

1　總體方案設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中包括測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ê痛鎯ζ骶C合測控臺兩部分。

圖1　測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)上電后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ㄌ幱诘却邮罩噶顮顟B(tài)，需要先打開系統(tǒng)軟件進(jìn)行配置，配置的參數(shù)包括數(shù)據(jù)的傳輸接口、傳輸頻率、傳輸幀格式，配置好參數(shù)后，配置參數(shù)按照規(guī)定好的協(xié)議進(jìn)行打包及下載。數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ń邮盏脚渲眯畔⒑?，將配置信息分解，提取出有效的配置參?shù)，發(fā)送符合配置參數(shù)的數(shù)據(jù)，達(dá)到完全等效的目的。

測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ú捎肍PGA作為主控芯片產(chǎn)生等效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸接口包括Hotlink接口、RS422接口、RS485接口、LVDS+光纖傳輸接口及CAN接口［4］，可以根據(jù)等效設(shè)備的不同選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸接口。接口卡采用PXI接口與上位機(jī)進(jìn)行指令下發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)FPGA接收到存儲器綜合測控臺發(fā)來的指令信息后，自動(dòng)進(jìn)行識別指令信息并做出相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)向存儲器綜合測控臺發(fā)送狀態(tài)信息，測控臺通過狀態(tài)信息識別接口卡當(dāng)前所處的狀態(tài)［5］。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ǖ挠布娐分饕?部分：6路數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)及1路總線接口設(shè)計(jì)。下面將詳細(xì)介紹幾種接口設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)。

2.1PXI接口及熱插拔電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ǖ腜XI接口采用PCI9054芯片進(jìn)行PXI總線和本地總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，工作模式選擇C模式。該接口卡還引入了熱插拔技術(shù)。熱插拔技術(shù)可以提供有計(jì)劃地訪問熱插拔設(shè)備，允許在不停機(jī)或很少操作人員參與的情況下，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)和系統(tǒng)重新配置［6-7］。

2.2Hotlink接口設(shè)計(jì)

接口卡的Hotlink接口電路原理圖設(shè)計(jì)如圖2所示。采用Hotlink接口芯片CY7B923-JI作為發(fā)送端，SC/D和MODE管腳置低，設(shè)置芯片使用8B/ 10B編碼方式。配置ENN管腳為高電平，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸使能管腳ENA為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸入被忽視，發(fā)送端發(fā)送無效字符串（K28.5）。當(dāng)管腳ENA為低電平時(shí)，在CKW的上升沿將數(shù)據(jù)接收、編碼，并通過OUTA輸出差分?jǐn)?shù)據(jù)。沒有使用的OUTB和OUTC端口被連接VCC，以減少功耗。

圖2　Hotlink接口電路原理圖設(shè)計(jì)

由于Hotlink接口數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，一般在幾十到幾百比特每秒，所以在Hotlink差分輸出接口后，連接可應(yīng)用于射頻條件下的變壓器T1-1T作為隔離，隔離后輸出最終采編數(shù)據(jù)。

2.3RS422接口設(shè)計(jì)

在滿足系統(tǒng)需求的前提下，為確保數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，從芯片的選擇、接地、阻抗匹配、電氣保護(hù)等方面進(jìn)行綜合考慮，選擇成熟穩(wěn)定可靠且易于實(shí)現(xiàn)的接口方案設(shè)計(jì)。RS422接口電路原理圖如圖3所示。

該接口電路選用 Maxim Integrated公司的MAX1490A芯片，該芯片將高頻變壓器、光耦、MAX490等元件集成到一個(gè)IC中，區(qū)別于傳統(tǒng)隔離方式，做到了電信號和普通信號的同時(shí)隔離。此原理圖參考了MAX1490A的數(shù)據(jù)手冊的典型應(yīng)用電路圖，C1和C2為退耦電容，分別為22μF和0.1μF，R1、R2、R3、R4分別取值200Ω、1 000Ω、330Ω、1 000Ω，R6和R7是為匹配電阻，取120Ω，可以降低信號反射。穩(wěn)壓管D1～D8的作用是把數(shù)據(jù)傳輸線的電壓牢牢限制在-7 V至+12 V之間，以有效保護(hù)RS422接口。增加D9和D10的目的主要是為了防止浪涌電壓損壞接口。另外為防止爬電，保證MAX1490A的隔離效果，在設(shè)計(jì)PCB布線和覆銅的時(shí)候需要保持信號地和隔離地之間的距離，并且在芯片下面的PCB導(dǎo)一個(gè)長方形的槽［8］。

圖3　RS422接口電路原理圖設(shè)計(jì)

2.4LVDS+光纖傳輸長線接口設(shè)計(jì)

為適應(yīng)長線電路的傳輸，LVDS接口選擇SN65LV1023ADBR芯片配合CLC006電纜驅(qū)動(dòng)芯片，光纖傳輸模塊采用光收發(fā)一體模塊OCM3723。由于串/并轉(zhuǎn)換器是LVDS信號，電纜驅(qū)動(dòng)/均衡器是PECL電平，設(shè)計(jì)必須經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)將轉(zhuǎn)換后的上級輸出電平落入下級輸入電平的有效范圍內(nèi)。如圖4所示，LVDS和PECL之間的AC耦合有兩種常用的方式，電阻R1～R4阻值設(shè)計(jì)遵循兩個(gè)條件，其一是匹配電阻50Ω，選擇適合的阻值能實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的匹配特性，減少了高速差分信號在傳輸線的反射，在這里等效阻抗為50Ω是從高速傳輸線阻抗匹配的概念出發(fā)而安排，即滿足公式其二是為后級PECL電路CLC006提供合適的偏置電壓約0.8 V～2.5 V之間，典型值為1.2 V，即滿足公式，R1=R2=64.9，R3=R4=205。

圖4　AC耦合方式

由于電阻阻值小，實(shí)際應(yīng)用中這樣設(shè)計(jì)的弊端功耗比較大，相對與圖4（a）的設(shè)計(jì)，圖4（b）的設(shè)計(jì)在滿足上述兩種條件的前提下又可以減少功率損耗，電阻阻值滿足，當(dāng)VCC為5 V時(shí)，R1=R2=2.7 kΩ，R3=R4=8.25 kΩ；當(dāng)VCC為3.3 V時(shí)，R1=R2=2.7 kΩ，R3=R4=4.7 kΩ，故硬件設(shè)計(jì)選擇圖4（b）的方式進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)及說明

如圖5所示是上位機(jī)軟件的界面截圖。上位機(jī)包括傳輸方案生成、傳輸方案下載、開始傳輸和停止傳輸4個(gè)按鈕。在傳輸方案配置界面配置數(shù)據(jù)傳輸方案，幀格式設(shè)計(jì)欄可以設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)幀格式的行數(shù)、列數(shù)以及固定字符，傳輸頻率設(shè)置欄可以將數(shù)據(jù)傳輸頻率設(shè)置在0MHz～40MHz之間，輸出接口選擇欄可以選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸接口。右側(cè)的傳輸數(shù)據(jù)量的進(jìn)度條可以直觀的看到發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

圖5　上位機(jī)軟件界面圖

數(shù)據(jù)傳輸方案配置完之后，需要點(diǎn)擊傳輸方案生成按鈕，生成符合傳輸協(xié)議的傳輸方案數(shù)據(jù)。傳輸方案生成后，點(diǎn)擊傳輸方案下載按鈕，將傳輸方案數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA接收到傳輸方案數(shù)據(jù)后，進(jìn)行協(xié)議的解析和參數(shù)的配置，產(chǎn)生符合傳輸方案的數(shù)據(jù)，此時(shí)，單擊開始傳輸按鈕啟動(dòng)數(shù)據(jù)的發(fā)送，單擊停止傳輸按鈕可以終止數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3.2傳輸方案數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì)

傳輸方案數(shù)據(jù)按照表1協(xié)議進(jìn)行傳輸。

FPGA首先判斷是否接收到“傳輸方案下載”指令，當(dāng)接收到該指令后，F(xiàn)PGA將傳輸方案數(shù)據(jù)接收回來，參數(shù)提取模塊按照表1傳輸方案數(shù)據(jù)協(xié)議將上位機(jī)發(fā)送過來的傳輸方案數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分解和參數(shù)提取。

表1　傳輸方案數(shù)據(jù)協(xié)議

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳ǜ鱾€(gè)端口可以進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸，接口卡功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。如表2所示，將各個(gè)端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)配置成不同幀格式，通過上位機(jī)監(jiān)測接收到的數(shù)據(jù)是否與配置結(jié)構(gòu)一致。

上位機(jī)接收到各接口的數(shù)據(jù)截圖如下。Hotlink接口接到的數(shù)據(jù)如圖6所示，RS422接口接收到的數(shù)據(jù)如圖7所示，RS485接口接收到的數(shù)據(jù)如圖8所示，CAN接口接收到的數(shù)據(jù)如圖9所示，LVDS長線接口接收到的數(shù)據(jù)如圖10所示。通過分析數(shù)據(jù)可知，Hotlink接口接收到1行、15列，固定字符為AA BB的數(shù)據(jù)，其余字符為累加數(shù)，與Hotlink端口配置數(shù)據(jù)格式一致。同理通過分析其他端口接收到的數(shù)據(jù)可知，每個(gè)端口都可以接收到符合配置幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)等效傳輸接口卡可以較好地實(shí)現(xiàn)其功能。

表2　各端口傳輸數(shù)據(jù)格式配置表

圖6　Hotlink接口接收數(shù)據(jù)截圖

圖7　RS422接口接收數(shù)據(jù)截圖

圖8　RS485接口接收數(shù)據(jù)截圖

圖9　CAN接口接收數(shù)據(jù)截圖

圖10　LVDS接口接收數(shù)據(jù)截圖

5　結(jié)束語

通用型數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃Ы涌诳?，在?shù)據(jù)傳輸幀格式、傳輸頻率、以及傳輸接口方面做到了相對的通用，改變了傳統(tǒng)等效器固定不變的模式。通過大量的試驗(yàn)證明，該板塊可以在不同配置方案下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸。在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性等方面可以較好的滿足應(yīng)用需求。

［1］ 張福生，陳莉欣，景旭貞.基于PXI模塊化儀器的載人航天器自動(dòng)測試等效器系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22 （6）：1667-1669.

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甄國涌（1971-），男，山西陽泉人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事測試系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用軟件技術(shù)研究工作，zhen_gy0124@ 163.com。

Design of Universal Equivalent Data Transmission Interface Card

ZHEN Guoyong1*，CHU Jianping1，LIU Donghai2
（1.National Key Laboratory forElectronic Measurement Technology，North Uniυersity of China，Taiyuan 030051，China；2.Taiyuanshi Huana Fangsheng Technology Co.，Ltd.，Taiyuan 030051，China）

As about the tradition alequivalent device has disadvantages of agreatvariety data transmission interfaces，different transmission frequency and transmission frame format，a data transmission equivalent interface card was proposed，which integrated Hotlink interface，RS422 interface，RS485 interface，CAN interface，LVDSwith the light transmission together.The transmission interface，transmission frequency and transmission frame format can be configured through PXIinterface in the PC software.The tradition alequivalent device was translated into equivalent interface card，increasing the versatility of equivalent device relatively.Through a large number of experiments，the equivalentdata transmission interface card can be proved thatcan transmitdata correctly in allconfiguration scheme.

equivalentdevice；transmission interface；transmission frequency；transmission frame format

TP274

A

1005-9490（2016）04-0856-05

2015-04-27修改日期：2015-06-05

EEACC:621010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.021