一種多功能信號源系統(tǒng)設(shè)計

宮海波，徐　茜，王　寬

（中國飛行試驗研究院，西安　710089）

一種多功能信號源系統(tǒng)設(shè)計

宮海波，徐茜，王寬

（中國飛行試驗研究院，西安710089）

針對單一信號源無法滿足測試需求的現(xiàn)狀，提出了一種新型多功能信號源系統(tǒng)設(shè)計方案；詳細闡述了信號源系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，方案基于標(biāo)準(zhǔn)化、高速、可靠性三方面的考慮，硬件環(huán)境基于Compact PCI工控計算機，設(shè)計了3U CPCI結(jié)構(gòu)的信號源板卡，配套軟件采取模塊化設(shè)計；該方案可實現(xiàn)多類型、多通道的高精度、高可靠性信號的獨立輸出和同時輸出；實驗結(jié)果表明，該多功能信號源系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、使用便捷，滿足設(shè)計需求。

飛行試驗；信號源；CPCI；板卡

0　引言

目前，我國航空事業(yè)正處于飛速發(fā)展的階段，隨著雷達、通信及其他航電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，飛行試驗對測試系統(tǒng)性能提出了更高的要求。在測試設(shè)備研制、生產(chǎn)以及測試系統(tǒng)搭建的過程中，多功能信號源的研究受到普遍重視［13］，信號源在很大程度上影響并決定著系統(tǒng)的性能，多功能信號源對于提高整個測試系統(tǒng)的研制效率以及各個測試設(shè)備工作的性能起到至關(guān)重要的作用［4］。國內(nèi)目前常見的信號源功能單一［5］，無法滿足目前測試需求，本文在此基礎(chǔ)上提出了一種能夠模擬產(chǎn)生多種信號的多功能信號源。

系統(tǒng)基于Compact PCI工控計算機，設(shè)計了多功能信號源相應(yīng)的CPCI功能板卡及其驅(qū)動軟件、配置管理軟件、以太網(wǎng)及UART信號源軟件，進而實現(xiàn)了能夠模擬多種類型信號輸出的多功能信號源系統(tǒng)設(shè)計。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

多功能信號源硬件環(huán)境基于Compact PCI工控計算機，相應(yīng)的各功能板卡設(shè)計為3U CPCI結(jié)構(gòu)。功能板卡包括1553信號源板、429信號源板、PCM信號源板、時碼板，分別實現(xiàn)1553信號、429信號、PCM信號的模擬輸出，實現(xiàn)GPS時間或時統(tǒng)時間的接收，可使用GPS時間或外部時統(tǒng)時間對內(nèi)部時間進行時間校正，并且可輸出IRIG-B時間及1PPS信號。利用應(yīng)用軟件設(shè)置相應(yīng)板卡的數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過應(yīng)用軟件可以控制以上模擬數(shù)據(jù)獨立輸出和同時輸出，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

配置管理軟件可設(shè)置PCM數(shù)據(jù)、1553B總線數(shù)據(jù)、429總線數(shù)據(jù)、UART總線數(shù)據(jù)及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包格式定義和數(shù)據(jù)內(nèi)容，可設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送速率、發(fā)送間隔、單次發(fā)送/循環(huán)發(fā)送等。

2　硬件設(shè)計

多功能信號源的硬件環(huán)境基于Compact PCI工控計算機，CompactPCI是PCI總線的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)［6］。CPCI的優(yōu)點是兼顧了標(biāo)準(zhǔn)化、高速、可靠性三方面的考慮，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)和嵌入式領(lǐng)域。

2.1CPU板設(shè)計

CPU板的功能是運行Windows操作系統(tǒng)，運行配置管理軟件，實現(xiàn)對各個信號輸出板的配置管理，完成以太網(wǎng)信號輸出以及UART信號輸出。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以及UART數(shù)據(jù)包發(fā)送時，可實現(xiàn)各自模擬軟件獲取時碼板上時間寄存器的時間信息，將發(fā)送時刻的時間放置到相應(yīng)數(shù)據(jù)包中，時間分辨率為1 ms。

CPU板卡可輸出1路UART串行總線數(shù)據(jù)，輸出電平為RS-232、RS-422，波特率分為9 600、19 200、38 400、57 600、115 200 bps，數(shù)據(jù)可選奇、偶校驗。CPU板卡同時可輸出2路100 M或1 000 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，可接收GPS及IRIG-B外部時間，可輸出1路IRIG-B時間及1路1PPS信號。

2.2PCM信號板設(shè)計

通過CPCI總線背板接口以及驅(qū)動軟件接收配置管理軟件發(fā)送的針對每個通道設(shè)置的PCM幀格式、同步字、ID字、字長、位速率等信息，并寫入PCM輸出板的數(shù)據(jù)處理模塊的相關(guān)寄存器。同時，接收針對每個通道定義的PCM模擬數(shù)據(jù)并寫入PCM輸出板的數(shù)據(jù)存儲器。在接收到配置管理軟件的開始發(fā)送模擬數(shù)據(jù)的指令后，數(shù)據(jù)處理模塊循環(huán)讀取數(shù)據(jù)存儲器中的PCM模擬數(shù)據(jù)，進行PCM碼型變換，按照事先的設(shè)置的位速率輸出PCM數(shù)據(jù)、位時鐘、字時鐘、子幀時鐘、全幀時鐘。

板卡可輸出4路PCM模擬信號，信號電平分為TTL和RS -422，PCM位速率分為200 K、500 K、1 M、2 M、5 M、10 M、20 Mbps可設(shè)置，每一全幀第一位輸出時間，時間分辨率1 ms且放置位置可設(shè)置。PCM信號板工作原理如圖2所示。

圖2　PCM信號板工作原理示意圖

2.3MIL-STD-1553B信號板設(shè)計

通過CPCI總線背板接口以及驅(qū)動軟件接收配置管理軟件發(fā)送的針對每條消息設(shè)置的消息類型、地址、子地址、數(shù)據(jù)字個數(shù)、數(shù)據(jù)字內(nèi)容、消息間隔、耦合方式，完成數(shù)據(jù)處理模塊相關(guān)寄存器和數(shù)據(jù)存儲器的配置工作；通過應(yīng)用程序，可以控制數(shù)據(jù)處理模塊單次或循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)存儲器中的1553B模擬消息，通過并串轉(zhuǎn)換后進行曼徹斯特編碼，經(jīng)1553B總線驅(qū)動芯片處理后，直接耦合輸出或變壓器耦合輸出。

該板卡輸出1路雙余度1553B總線數(shù)據(jù)，耦合形式分為直接或變壓器耦合，總線負荷模擬可通過設(shè)置消息發(fā)送間隔進行設(shè)置。1553B信號板工作原理如圖3所示。

圖3　155B信號板工作原理示意圖

2.4ARINC-429信號板設(shè)計

通過CPCI總線背板接口以及驅(qū)動軟件接收配置管理軟件發(fā)送的針對每路429通道的速率，數(shù)據(jù)塊長度，以及數(shù)據(jù)塊中每個429數(shù)據(jù)字的Label、SDI、數(shù)據(jù)、Parity，完成數(shù)據(jù)處理模塊相關(guān)寄存器和數(shù)據(jù)存儲器的配置工作。數(shù)據(jù)處理模塊循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)存儲器中的429數(shù)據(jù)塊，按照設(shè)置的輸出速率，經(jīng)429總線驅(qū)動芯片處理后輸出。板卡可輸出12通道的429總線數(shù)據(jù)，速率可選12.5 kbps或100 kbps，429信號板工作原理如圖4所示。

圖4　429信號板工作原理示意圖

2.5時碼板設(shè)計

板卡內(nèi)嵌GPS接收機接收外部GPS信號，提取GPS時、分、秒，也支持接收外部IRIG-B AC碼，得到時、分、秒，毫秒、微秒由板上時間計數(shù)器產(chǎn)生，在整秒開始時刻清零重新計數(shù)；數(shù)據(jù)處理模塊支持內(nèi)部時間，同步跟隨外部時間，當(dāng)外部時間丟失時，啟用內(nèi)部時間；時、分、秒、毫秒、微秒支持CPU板上運行的軟件讀??；通過板卡前面板上用戶連接器向外輸出IRIG-B AC/DC碼和1PPS，通過背板總線接口向其他功能板發(fā)送IRIG-B DC碼和1PPS。工作原理總體如圖5所示。

圖5　時碼板工作原理示意圖

3　軟件設(shè)計

多功能信號源應(yīng)用軟件主要根據(jù)實際信號輸出的需求，通過人機界面進行各功能板模擬信號設(shè)置、幀格式設(shè)置、幀間隔設(shè)置、時間嵌入設(shè)置，生成設(shè)置文件，將設(shè)置文件分別加載到各個功能板，啟動/停止信號發(fā)送。另外，設(shè)置、產(chǎn)生并發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以及UART數(shù)據(jù)。應(yīng)用軟件包括配置管理軟件及以太網(wǎng)/UART模擬軟件兩大部分。如圖6所示，軟件采用模塊化設(shè)計，主要由主控模塊、PCM信號設(shè)置模塊、MILSTD-1553B信號設(shè)置模塊、ARINC-429信號設(shè)置模塊、設(shè)置文件生成模塊、設(shè)置文件加載模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)模擬模塊、UART數(shù)據(jù)模擬模塊組成。

圖6　應(yīng)用軟件組成示意圖

根據(jù)實際需要，可分別調(diào)用相應(yīng)軟件模塊對PCM信號模擬、1553信號模擬、429總線數(shù)據(jù)模擬進行相關(guān)設(shè)置，包括發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀內(nèi)容等。在完成全部設(shè)置后，可選擇生成配置文件并保存設(shè)置，以便以后使用同樣的配置。然后可通過設(shè)置文件加載，將設(shè)置文件發(fā)送至相應(yīng)的板卡。以太網(wǎng)及UART模擬數(shù)據(jù)的設(shè)置，直接在以太網(wǎng)/UART模擬軟件中完成。在主控模塊的界面中，可進行仿真發(fā)送相關(guān)控制的設(shè)置，包括各類仿真數(shù)據(jù)是否發(fā)送，某一類數(shù)據(jù)通過哪些通道發(fā)送等，以及是否連續(xù)循環(huán)發(fā)送，還是逐幀發(fā)送。

地面軟件與設(shè)備連接成功后，根據(jù)設(shè)備的配置信息，軟件會顯示各個信號源的啟動狀態(tài)，根據(jù)需要選擇相應(yīng)信號源進行配置并輸出信號。選取以太網(wǎng)為例來介紹，雙擊信號源瀏覽處的以太網(wǎng)信號源。

選擇好數(shù)據(jù)包類型之后點擊數(shù)據(jù)定義，將彈出對應(yīng)類型的數(shù)據(jù)配置框（IENA或者INET），數(shù)據(jù)包定義配置好之后，根據(jù)數(shù)據(jù)配置對話框來配置包定義的數(shù)據(jù)部分內(nèi)容，配置完成之后點擊確定，生成對應(yīng)數(shù)據(jù)內(nèi)容，在發(fā)送界面點擊發(fā)送即可，其他板卡與此類似。

4　實驗結(jié)果及結(jié)論

飛行試驗中對整個系統(tǒng)進行了聯(lián)試，對系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)進行了驗證，通過應(yīng)用軟件可以設(shè)置PCM模擬數(shù)據(jù)、MIL -STD-1553B總線模擬數(shù)據(jù)、ARINC-429總線模擬數(shù)據(jù)、RS232/RS422總線模擬數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)模擬數(shù)據(jù)的格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容，并可將從外部接收的GPS信號或IRIG-B AC/DC碼中提取的時間信息嵌入模擬數(shù)據(jù)中輸出。

多功能信號源在基于標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了多類型、多通道的高精度、高可靠性信號的獨立輸出和同時輸出。

5　結(jié)束語

［1］蔡卓淮，萬玲玉.基于Zig Bee技術(shù)的多信號源控制系統(tǒng)［J］.計算機應(yīng)用，2015，35（17）：11-13.

［2］田曉丹，張會新，劉文怡.一種新型多功能信號源系統(tǒng)的設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2015，23（7）：2604-2606.

［3］牛耕，陳思宇，于繼翔.基于DDS技術(shù)的正弦交流信號源的設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（3）：52-56.

［4］孫群，宋卿.基于DDS技術(shù)的便攜式波形信號發(fā)生器［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（4）：69.

［5］楊建華，于小寧，朗寶華.DDS技術(shù)和FPGA在多功能信號源中的應(yīng)用［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，32（4）：334-338.

［6］王丹，李平，文玉梅，等.采用DDS頻率合成的虛擬信號發(fā)生器研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（3）：586.

Design of a Multi-function Signal Source System

Gong Haibo，Xu Qian，Wang Kuan
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an710089，China）

In order to solve the problem that the single signal source can not meet the requirement of the test，a new design scheme of multi-function signal source system is put forward.The hardware and software design of the signal source system are described in detail，the scheme is based on the consideration of three aspects of standardization，high speed and reliability，the hardware environment is based on PCI Compact industrial control computer，the signal source board of CPCI 3U structure is designed，and supporting software to adopt modular design.The scheme can realize the independent output and simultaneous output of the multi type，multi channel high precision and high reliability signals.The experimental results show that the system has good stability，high reliability and convenient use，and can meet the design requirements.

flight test；signal source；CPCI；board

1671-4598（2016）05-0296-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.081

TB22

A

2016-02-02；

2016-03-07。

宮海波（1982-），男，工程師，山東威海人，碩士研究生，主要從事機載測試技術(shù)方向的研究。