基于FPGA的通用開放式星載陀螺模擬器設(shè)計(jì)

毛　晴，梁　軍，劉　贊，周　軍

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)　電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱　150080；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海　200240）

基于FPGA的通用開放式星載陀螺模擬器設(shè)計(jì)

毛晴1，梁軍1，劉贊2，周軍2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱150080；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240）

陀螺是小衛(wèi)星平臺(tái)上姿軌控制分系統(tǒng)中的重要敏感元件，而陀螺模擬器是小衛(wèi)星姿軌控制分系統(tǒng)地面測(cè)試過(guò)程模擬陀螺儀的數(shù)據(jù)流向和時(shí)序關(guān)系的必要設(shè)備；針對(duì)通用化的小衛(wèi)星陀螺模擬器的設(shè)計(jì)需求，開發(fā)了一種基于FPGA和CAN總線接口的陀螺模擬器，采用了FPGA作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了支持多類常用星載陀螺數(shù)據(jù)通信協(xié)議的實(shí)時(shí)接口，并配置了具備電平隔離功能的CAN、RS-485等總線接口電路，實(shí)際配置一種工作狀態(tài)的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，所設(shè)計(jì)的陀螺模擬器具有較高的可靠性和良好的通用性。

小衛(wèi)星；陀螺；模擬器；FPGA；CAN總線

0　引言

由于傳統(tǒng)衛(wèi)星研制與發(fā)射過(guò)程中的高成本和高風(fēng)險(xiǎn)，隨著集成化技術(shù)和一體化技術(shù)的發(fā)展，在降低衛(wèi)星成本和風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，人們也希望能夠縮短研制周期，小衛(wèi)星技術(shù)便成為了一個(gè)熱門領(lǐng)域。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星體積小，質(zhì)量輕，研制周期短，組網(wǎng)機(jī)動(dòng)靈活，廣泛應(yīng)用于通信，軍事等領(lǐng)域［。

小衛(wèi)星由衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷組成，有效載荷是執(zhí)行衛(wèi)星任務(wù)的設(shè)備，衛(wèi)星平臺(tái)是小衛(wèi)星的核心部分，包括星載計(jì)算機(jī)，電源，測(cè)控和姿軌控制系統(tǒng)等［3］，其中，姿軌控制系統(tǒng)是保持衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定，保證天線指向目標(biāo)地點(diǎn)的重要分系統(tǒng)［4］，陀螺則是該分系統(tǒng)中感知衛(wèi)星姿態(tài)的主要組成設(shè)備之一?？梢詾檩d體提供準(zhǔn)確的方位、水平、角速度、角位移等位置信息，協(xié)助控制系統(tǒng)完成對(duì)載體的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡控制。

星載陀螺可以概括為兩大類，一類是動(dòng)態(tài)范圍小但是精度高的平臺(tái)陀螺，另一類是動(dòng)態(tài)范圍大但是精度相對(duì)較低的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺，例如基于Sagnac效應(yīng)的激光陀螺和光纖陀螺［5］。

由于衛(wèi)星在發(fā)射之后難以控制與調(diào)整，因此，在地面上對(duì)其進(jìn)行全面的測(cè)試是很重要的［6］，在小衛(wèi)星研制過(guò)程中，不可能等待所有模塊就位后再進(jìn)行測(cè)試，尤其陀螺儀又是一種較難搭建測(cè)試平臺(tái)的儀器，因此在小衛(wèi)星研制初期，需要使用陀螺模擬器參與半實(shí)物仿真，節(jié)約研制時(shí)間和開發(fā)成本［7］。

目前，美國(guó)與英國(guó)在衛(wèi)星信號(hào)模擬方面的研究起步較早，已有比較完整的模擬軟件和工業(yè)成品。相比之下，我國(guó)這方面研究起步較晚，國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品研發(fā)還比較薄弱。目前國(guó)內(nèi)只有北京航空航天大學(xué)、和航天某研究所在從事衛(wèi)星信號(hào)模擬器方面的研究，并且基本都處于初級(jí)階段［3］。

1　陀螺模擬器需求分析

陀螺模擬器的主要任務(wù)是模擬星載陀螺的接口工作時(shí)序和數(shù)據(jù)流向關(guān)系。由于陀螺是一種可以支持多種接口的設(shè)備，所以本任務(wù)具體來(lái)說(shuō)就是設(shè)計(jì)一個(gè)可以支持目前國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星上使用的總線接口的陀螺模擬器。小衛(wèi)星上可以使用的數(shù)據(jù)總線種類繁多，如MIL-STD-1553B總線、spacewire總線、Ethernet總線、CAN總線、RS-485總線和光纖總線等，其中大部分，例如美國(guó)軍方制定的MIL-STD-1553B總線，控制方式、傳輸速度和靈活性都非常高，但是由于功耗大，要求高，在小衛(wèi)星領(lǐng)域的發(fā)展有限［8］，目前國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星上使用的總線主要是傳統(tǒng)的RS-422總線和RS-485總線以及可靠性較高的CAN總線，Ethernet總線也曾在我國(guó)小衛(wèi)星上有過(guò)使用，但是并不是用于傳輸陀螺信號(hào)。

從通用性、可擴(kuò)展性、可靠性、實(shí)時(shí)性等設(shè)計(jì)原則考慮模擬器的需求。為了保證模擬器的通用性，模擬器需要能夠支持比較經(jīng)典的傳統(tǒng)總線和目前我國(guó)小衛(wèi)星上應(yīng)用廣泛的CAN總線；由于星上中心計(jì)算機(jī)有可能對(duì)陀螺數(shù)據(jù)有刷新率的要求，硬件有可能采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，因此傳輸速率較慢的傳統(tǒng)總線需要多路來(lái)模擬不同方向的陀螺輸出，CAN總線由于其數(shù)據(jù)傳輸速度較高，采用廣播式就可以滿足數(shù)據(jù)刷新率的要求，因此只需要使用兩路進(jìn)行相互備份來(lái)提高模擬器的可靠性；為了保證所設(shè)計(jì)陀螺模擬器的集成度和穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，需要使用主控芯片對(duì)各個(gè)接口的數(shù)據(jù)收發(fā)及時(shí)序進(jìn)行統(tǒng)一的管理，并且由于使用多路數(shù)據(jù)總線，對(duì)主控芯片的并行性要求也比較高，根據(jù)需求選擇FPGA作為主控芯片，并且通過(guò)模塊化的方式編寫邏輯，能夠獲得較好的通用性。

本模擬器與動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)和星載中心計(jì)算機(jī)的通訊原理可以概括如下，動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485總線將陀螺數(shù)據(jù)組幀發(fā)送到模擬器，模擬器接收數(shù)據(jù)幀之后將數(shù)據(jù)幀拆解，將要接收的陀螺數(shù)據(jù)存入指定寄存器。模擬器與星載中心計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-422總線和CAN總線實(shí)現(xiàn)通訊，在某一路總線收到指定的命令幀之后，在時(shí)序要求的范圍內(nèi)返回陀螺位置信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)陀螺的接口數(shù)據(jù)流向和時(shí)序關(guān)系的模擬。

通過(guò)綜合分析陀螺模擬器的需求，得到技術(shù)要求如下：

1）一個(gè)RS-485接口：2線雙絞屏蔽差分線和地線；通信波特率為11 5200 bps，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，1位停止位；

2）兩個(gè)CAN接口：CAN 2.0B規(guī)范；通信波特率為800 kbps；

3）4個(gè)RS-422接口：異步串行接口，每個(gè)接口為4線雙絞屏蔽差分線和地線，波特率為19 200 bps，1起始位，8數(shù)據(jù)位，1奇校驗(yàn)位，1停止位。

2　陀螺模擬器方案設(shè)計(jì)

通過(guò)前面的分析，設(shè)計(jì)出硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　陀螺模擬器硬件結(jié)構(gòu)框圖

由于任務(wù)需要模擬多路陀螺，尤其是RS-422由于中心計(jì)算機(jī)對(duì)陀螺數(shù)據(jù)刷新率的要求，有可能使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式，因此對(duì)接口的數(shù)量要求較多，如果直接使用專用的協(xié)議控制器會(huì)導(dǎo)致電板上芯片過(guò)多，成本較高，而且也無(wú)法將所有接口的信息依照統(tǒng)一的時(shí)序進(jìn)行處理，編程較為復(fù)雜。因此，采用了可編程邏輯器件FPGA作為主控制器，各路通信總線接口接入FPGA，取代了種類繁多并且數(shù)量較大的專用協(xié)議控制芯片，使得整個(gè)系統(tǒng)可以工作在統(tǒng)一的時(shí)序中［11］，編程相對(duì)容易，F(xiàn)PGA是一種并行處理芯片，也同時(shí)獲得了很好的并行性，保證了模擬器能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。并且由于FPGA可以方便的修改內(nèi)部的邏輯，可以方便的改變邏輯中的一些參數(shù)，模擬不同的陀螺通信協(xié)議，來(lái)獲得良好的通用性。

FPGA內(nèi)部邏輯模塊組成如圖2所示，邏輯進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)能夠比較靈活的配置通信協(xié)議模塊，適應(yīng)不同的接口模擬任務(wù)。可以方便的增加或者減少模塊，提高了程序的靈活性和模擬器的擴(kuò)展性。

3　硬件設(shè)計(jì)

圖2　陀螺模擬器內(nèi)部邏輯模塊組成

在本模擬器的設(shè)計(jì)中，為了保護(hù)星上的其他設(shè)備的安全，總線接口電路與主控制器之間需要進(jìn)行電平隔離，防止在地面測(cè)試系統(tǒng)中受到電壓浪涌時(shí)，不會(huì)通過(guò)總線毀壞掛載在總線上的其他設(shè)備。

RS-485總線與RS-422總線的接口電路結(jié)構(gòu)一致，如圖3所示。RS-485總線與RS-422總線的接口電路主要由兩部分組成：主控制器FPGA（EPIC12Q240C8）和支持RS-485總線和RS-422總線的收發(fā)器IL422。通過(guò)對(duì)收發(fā)器IL422芯片使用雙電源供電，連接總線端電壓使用DCR電源隔離芯片進(jìn)行供電隔離，防止大電壓沖擊燒壞總線上的器件?？偩€接口采用4線雙絞屏蔽差分線和地線實(shí)現(xiàn)全雙工收發(fā)。

圖3　RS-485總線接口示意圖

CAN總線接口電路如圖4所示，接口電路主要由主控制器FPGA、CAN控制器SJA1000T、雙通道數(shù)字隔離器（ADUM1201BR）和CAN驅(qū)動(dòng)器SN65HDV1050四部分組成。FPGA供電部分與RS-485和RS-422的接口電路類似，通過(guò)在CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器之間加入雙通道數(shù)字隔離器即磁耦，其與CAN控制器連接端和CAN控制器采用DCR010505DIP進(jìn)行供電，來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。CAN總線接口使用一對(duì)差分雙絞線實(shí)現(xiàn)半雙工收發(fā)。相比于傳統(tǒng)使用光耦來(lái)進(jìn)行隔離，磁耦因?yàn)槠潴w積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、傳輸速率快等原因更適合航天任務(wù)的需求。

圖4　CAN總線接口示意圖

4　固件設(shè)計(jì)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)中FPGA的模塊化設(shè)計(jì)，模塊之間的工作過(guò)程如下：動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485總線向陀螺模擬器發(fā)送飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)廣播幀，由RS-485數(shù)據(jù)接收模塊按字節(jié)接收，并將接收的完整飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)廣播幀暫時(shí)存入RS-485的RXFIFO，然后由RS-485數(shù)據(jù)幀處理模塊對(duì)完整的廣播幀進(jìn)行判斷和拆幀，將判斷為可以接收的數(shù)據(jù)廣播幀中的陀螺信息數(shù)據(jù)存入指定的寄存器由中心模塊繼續(xù)處理。當(dāng)CAN總線或者RS-422總線上有來(lái)自星載中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)幀傳來(lái)時(shí)，由對(duì)應(yīng)的接收模塊進(jìn)行接收，并將接收到的信息存入對(duì)應(yīng)的接收緩沖區(qū)。由中心模塊從接收緩沖區(qū)中讀取并且判斷是否為等待的命令幀，若不是則丟棄，如果是發(fā)送命令，中心模塊從寄存器中取出對(duì)應(yīng)的陀螺位置信息數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖區(qū)。由對(duì)應(yīng)的發(fā)送模塊從發(fā)送緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù)并且組幀發(fā)送。當(dāng)模擬的陀螺通信協(xié)議有所改變時(shí)，可以通過(guò)改變收發(fā)模塊中的字節(jié)長(zhǎng)度參數(shù)和中心模塊中的判斷的命令幀內(nèi)容及待發(fā)送數(shù)據(jù)在寄存器中的位置來(lái)適應(yīng)不同種類的陀螺，以獲得良好的通用性。

4.1動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)—陀螺模擬器的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

由于RS-485和RS-422總線只對(duì)電氣層面的協(xié)議做出了規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有要求，由于本模擬器的RS-485采用的是廣播式全局發(fā)送，結(jié)合較為常見(jiàn)的RS-485總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議MODBUS，采用其字節(jié)傳輸格式，并設(shè)計(jì)了如表1的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

表1　RS-485數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

一個(gè)陀螺位置信息數(shù)據(jù)幀包含4部分：幀頭作為識(shí)別標(biāo)志，作為模擬器檢測(cè)識(shí)別信息幀的依據(jù)；數(shù)據(jù)域包括需要模擬的所有陀螺的位置信息數(shù)據(jù)，其字節(jié)長(zhǎng)度可以根據(jù)需要設(shè)定，只需要更改接收模塊中的接收字節(jié)數(shù)目的參數(shù)就可以適應(yīng)不同的需求；校驗(yàn)域用于對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加和校驗(yàn)，如果計(jì)算的累加和與接收到的校驗(yàn)和不一致，說(shuō)明接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)，放棄本次接收。

在RS-485和RS-422總線上，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位傳輸，結(jié)合技術(shù)要求，參照MODBUS協(xié)議，模擬器采用的傳輸字節(jié)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2　RS-485字節(jié)結(jié)構(gòu)

4.2陀螺模擬器—星載中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

不同種類陀螺的主要區(qū)別在于動(dòng)態(tài)范圍的大小和精度的高低，具體在輸出數(shù)據(jù)層面表現(xiàn)為輸出數(shù)據(jù)的位數(shù)不同。星載陀螺分為兩大類，以靜電陀螺為代表的平臺(tái)陀螺，其動(dòng)態(tài)范圍小，精度高，一般輸出為2個(gè)字節(jié)，和以光纖陀螺為代表的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺，其動(dòng)態(tài)范圍大，精度也比較高，一般輸出為4個(gè)字節(jié)。陀螺輸出可以使用的總線種類非常全面數(shù)據(jù)協(xié)議主要是根據(jù)實(shí)際任務(wù)確定，可以根據(jù)硬件連接方式簡(jiǎn)單分為兩大類：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)收發(fā)和全局廣播式收發(fā)。根據(jù)星載陀螺的數(shù)據(jù)輸出特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了陀螺模擬器與中心計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)幀格式，如圖5、表3和表4所示。

模擬器與中心計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式為擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀，結(jié)構(gòu)為ID號(hào)、控制域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗(yàn)域［14］。通過(guò)將數(shù)據(jù)域中使用不到的字節(jié)設(shè)為缺省態(tài)AA，可以模擬不同輸出精度的陀螺。在收到一次發(fā)送命令之后，依次發(fā)

圖5　CAN總線擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀格式

送4路陀螺位置信息數(shù)據(jù)幀，是一種全局廣播式的收發(fā)方式。

表3　RS-422總線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表4　RS-422總線點(diǎn)對(duì)多通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

RS-422總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷脚cRS-485類似，可以根據(jù)硬件連接方式使用兩種收發(fā)方式來(lái)模擬陀螺的兩種輸出模式?？梢允褂?路RS-422進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，這種模式可以省去幀頭和幀尾，只保留數(shù)據(jù)域和校驗(yàn)域。或者使用其中1路進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多傳輸，即將多路陀螺數(shù)據(jù)組裝為一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送，這種發(fā)送模式需要使用幀頭和幀尾進(jìn)行識(shí)別。RS-422總線和RS-485總線的據(jù)幀中的數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度較為自由。

5　測(cè)試

為了測(cè)試模擬器能否正常工作，配置了一種實(shí)現(xiàn)狀態(tài)，模擬4路光纖陀螺和4路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的平臺(tái)陀螺的接口功能，為進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，采用的測(cè)試儀器如表5所示。

表5　測(cè)試設(shè)備及數(shù)量

經(jīng)過(guò)測(cè)試，陀螺模擬器可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）能夠接收RS-485總線上的數(shù)據(jù)并進(jìn)行拆解存儲(chǔ)；

2）4路RS-422總線能夠接收命令幀并返回正確的陀螺位置信息數(shù)據(jù)幀；

3）CAN總線可以在收到命令幀之后依次返回4路陀螺位置信息數(shù)據(jù)幀。

其中RS-422總線收發(fā)的測(cè)試結(jié)果如表6所示，CAN總線收發(fā)的測(cè)試結(jié)果如表7所示測(cè)試結(jié)果表明，陀螺模擬器能夠滿足實(shí)際需求。

表6　RS-422總線命令幀接收及應(yīng)答幀發(fā)送結(jié)果

表7　CAN總線命令幀接收及應(yīng)答幀發(fā)送

測(cè)試結(jié)果如表所示，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明陀螺模擬器可以滿足需求。

6　結(jié)論

在對(duì)陀螺模擬器的工作原理和需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的多接口集成陀螺模擬器，可以模擬真實(shí)陀螺的接口數(shù)據(jù)流向和時(shí)序關(guān)系，控制方式簡(jiǎn)單，可靠性高，通用性強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)采用FPGA作為主控芯片，將4路RS-422總線、2路CAN總線和1路RS-485總線接口集成在單個(gè)模擬器模塊上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小衛(wèi)星平臺(tái)上的平臺(tái)陀螺和捷聯(lián)式慣導(dǎo)平臺(tái)中陀螺的正常工作狀態(tài)的接口信號(hào)的模擬?；谀K化開發(fā)的固件，可以方便的適應(yīng)多種陀螺模擬任務(wù)。測(cè)試結(jié)果表明該陀螺模擬器可以正常工作，并通過(guò)修改部分參數(shù)可以模擬不同型號(hào)的陀螺輸出，具有良好的通用性。

本文設(shè)計(jì)的星載陀螺模擬器主要是針對(duì)正常工作狀態(tài)下的陀螺接口進(jìn)行模擬，如果需要進(jìn)行更加復(fù)雜的故障或異常工作模式模擬，還需要進(jìn)行固件的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

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Design of Gyro Simulator for Small Satellite with FPGA

MaoQing1，LiangJun1，LiuZan2，ZhouJun2
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin150080，China；2.Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai200240，China）

Gyro is an important sensitive unit in pose rail control subsystem on small satellite platforms.And gyro simulator is a necessary equipment to simulate star sensor data and timing relationships on ground test for pose rail control subsystem on a small satellite platform. According to actual requirements，this work designed a gyro simulator based on FPGA and CAN bus in terface.FPGA is adopted as the master control chip，as a result，the universal types of data communication protocols are provided，including CAN bus，and RS-485 bus and RS-422 bus.An actual case study with a specific configuration for an application situation，the test and verification shows that the design of gyro simulator can achieve high reliability and good generality.

micro-satellite；gyroscope；simulator；FPGA；CAN-bus

1671-4598（2016）05-0160-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.046

TP337

A

2015-10-13；

2015-12-18。

毛晴（1993-），女，山東壽光人，在讀碩士研究生，主要從事自動(dòng)測(cè)試技術(shù)和智能測(cè)試數(shù)據(jù)理解方向的研究。

梁軍（1969-），男，江蘇揚(yáng)州人，工學(xué)博士，副教授，主要從事自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理方向的研究。