目前，隨著軍事戰(zhàn)略的不斷調(diào)整和航天技術(shù)的不斷進步，衛(wèi)星快速組裝以及模塊在軌更換已經(jīng)成為未來天基平臺發(fā)展的一個主要方向[1?2]。由于即插即用技術(shù)在在軌模塊更換、在軌組裝、快速響應(yīng)戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星等方面具有廣闊應(yīng)用前景，對即插即用衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)成為各國衛(wèi)星發(fā)展的重要組成部分[3]。智能科技論文發(fā)表期刊推薦《IT時代周刊》是電子產(chǎn)經(jīng)信息類期刊。專業(yè)、思辯、前瞻。H核心概念：思維創(chuàng)造價值。獨特的銷售主張(USP)：專業(yè)領(lǐng)域、深層思考。目標(biāo)讀者群鎖定：電子行業(yè)中高層管理人員,關(guān)注電子新經(jīng)濟的業(yè)界從業(yè)人員,善于思考并渴求成功的奮斗人士。

　　摘 要： 針對在軌模塊更換任務(wù)中接口的即插即用特性進行了分析研究，給出一種用于解決在軌模塊更換任務(wù)中完成電信接口向統(tǒng)一的即插即用串行總線轉(zhuǎn)變的高級信號接口模塊設(shè)計。分析了ASIM的基本設(shè)計原理以及設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，給出ASIM的硬件結(jié)構(gòu)模型以及軟件結(jié)構(gòu)模型，進而完成了ASIM軟硬件設(shè)計。研究內(nèi)容為實現(xiàn)航天器在軌模塊接口統(tǒng)一、即插即用以及在軌模塊更換奠定了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞： 在軌模塊更換,即插即用,高級信號接口模塊,航天器

　　Design study of ASIM for on?orbit module replacement

　　DU Juan1， ZHANG Xiao?jun2

　　(1. Company of Postgraduate Management， the Academy of Equipment， Beijing 101416， China;2. China Taiyuan Satellite Launch Center， Taiyuan 036301， China)

　　Abstract： The plug?and?play characteristics of interface for the on?orbit module replacement are analyzed and studied. The design of advanced signal interface module (ASIM) to complete the transition from telecom interface to unified plug?and?play serial bus for the task of on?orbit module replacement is introduced. The basic design principle and specifications of ASIM are analyzed in this paper. The hardware and software structure models of ASIM are given. The hardware and software designs of ASIM were completed. The research laid a foundation for realizing the unity of spacecraft on?orbit module interface， plug?and?play and on?orbit module replacement.

　　Keywords： on?orbit module replacement; plug?and?play; advanced signal interface module; spacecraft

　　0 引 言

　　為使衛(wèi)星模塊具備即插即用特性，接口總線應(yīng)當(dāng)重點考慮像USB和Spacewire這樣能夠支持即插即用功能的總線，并且把不支持即插即用的總線(如 RS 232、RS 422等)通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)成支持即插即用功能的串行總線[4?5]。對于非總線接口部分而言，目前的接口多是采用A/D、D/A、DIO、計數(shù)器等方式實現(xiàn)。每類可更換模塊的非總線接口表現(xiàn)出比較大的差異性，為了保證模塊之間電信接口的簡單一致，需要將這些信息也都轉(zhuǎn)變成即插即用串行總線輸出。需要設(shè)計專門的“高級信號接口模塊(Advanced Signal Interface Module，ASIM)”完成電信接口向統(tǒng)一的即插即用串行總線的轉(zhuǎn)變。

　　1 ASIM設(shè)計原理及指標(biāo)

　　1.1 ASIM設(shè)計原理

　　可更換模塊的種類千差萬別，其電信接口種類多樣(如UART、I2C、數(shù)字I/O、模擬量等)，沒有統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，為了最大限度地繼承已有的成熟模塊，在原有模塊電信接口的基礎(chǔ)上加入“高級信號接口模塊”，將已有模塊的電信接口轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一規(guī)范的即插即用串行總線。如圖1所示，高級信號接口模塊(ASIM)一端連接可更換模塊，另一端和被服務(wù)航天器的串行總線連接。為使研究方案具體化，選用USB總線作為電信接口中的即插即用串行總線。

　　ASIM集成了A/D轉(zhuǎn)換器和各種常用的數(shù)字接口(如UART、I2C、數(shù)字I/O、模擬量等)，能夠與各種不同的在軌可更換模塊連接;另一端連接被服務(wù)航天器的電信接口。同時， ASIM還保留有UART測試旁路接口，能與PC機相連。進行系統(tǒng)測試與模塊配置。

　　PC機串口與ASIM的測試旁路接口相連，通過上位機軟件完成模塊接口的配置(包括接入模塊的接口數(shù)量、接口類型、速率等)，將“在軌可更換模塊”的相關(guān)信息注入到ASIM內(nèi)的非易失性存儲器，另外完成對ASIM和傳感器狀態(tài)的檢測。

　　圖1 高級信號接口模塊(ASIM)示意圖

　　ASIM可與多個(1～5個)模塊數(shù)據(jù)接口相連，ASIM采集多個(1～5個)接口數(shù)據(jù)，緩存、編目并組幀，然后轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議及網(wǎng)口協(xié)議上傳至PC機，利用USB HUB或網(wǎng)絡(luò)HUB可實現(xiàn)多個在軌可更換模塊的同時接入。 　　在沒有可更換模塊的場合，PC機可虛擬可更換模塊的數(shù)據(jù)，通過ASIM的測試旁路接口輸入，然后由ASIM轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上傳至PC機，完成對ASIM的功能驗證。

　　1.2 ASIM設(shè)計指標(biāo)

　　根據(jù)常用的衛(wèi)星部件接口特性，設(shè)計了對應(yīng)的ASIM接口指標(biāo)為：

　　可更換模塊接口：一路數(shù)字I/O、一路I2C、兩路UART(RS 232/422)、一路模擬;可更換模塊UART接口速率：2 400～115 200 b/s自適應(yīng);可更換模塊UART接口電平：232電平、422電平;I2C接口電平：TTL電平;數(shù)字I/O接口電平：TTL電平;A/D轉(zhuǎn)換量程：峰峰值1 V;USB版本：USB 2.0;測試旁路接口波特率：115 200 b/s;測試旁路接口電平：232電平。

　　2 ASIM軟硬件設(shè)計

　　2.1 硬件設(shè)計

　　下面從兩個方面設(shè)計ASIM的硬件：一是硬件組成框圖及各個結(jié)構(gòu)的接口設(shè)計;二是對硬件組成框圖中涉及到的芯片進行選型。

　　(1) 硬件組成及結(jié)構(gòu)接口設(shè)計

　　高級信號接口模塊主要通過FPGA加以實現(xiàn)，根據(jù)其基本原理以及技術(shù)指標(biāo)，可得出其硬件組成框圖如圖2所示。高級信號接口模塊的各個結(jié)構(gòu)的接口設(shè)計為：

　　電路板尺寸：不大于110 mm×80 mm，四周有固定孔(不接地);傳感器接口插座：32(或大于32)針(封裝自選，要求導(dǎo)線盡量粗，以便于和各種傳感器接線)，信號如表1所示，電路板上對每一種接口都需有標(biāo)記;

　　SMA座：模擬信號的另一輸入端，信號與傳感器接口插座的1口相連，地與傳感器接口插座的2口相連;

　　隔離電阻：50 Ω電阻或排阻;

　　JTAG插座：DIP(2.54)，10針;

　　電源插座：防插反SIP，4針;

　　USB插座：Mini USB插座;

　　網(wǎng)口插座：RJ45插座;

　　1PPS插座：SIP(2.54)，2針;

　　串口插座：SIP(2.54)，3針;

　　跳線及LED燈：4個撥碼開關(guān)(封裝盡量小)、4個LED燈(0805);

　　電阻、電容等盡量選擇0805封裝，面積受限時可用0603封裝。其中，可更換模塊接口包括了四種類型的接口，32針具體分配如表1所示。

　　表1 針接口分配表

　　圖2 高級信號接口模塊(ASIM)的硬件組成框圖

　　(2) 芯片選型

　　芯片選型應(yīng)該與高級信號接口模塊的設(shè)計要求相一致，使得所選擇的器件在滿足接口模塊功能需求的同時，應(yīng)具有盡量低的體積、重量、功耗等指標(biāo)：

　　FPGA芯片：選用工業(yè)級的Cyclone 4 EP4CE55芯片，采用F484封裝;

　　EPC芯片：選擇EPCS16芯片，EPCS16屬于Altera的串行配置器件系列，是可編程邏輯工業(yè)領(lǐng)域中最低成本的配置器件。其具有包括在系統(tǒng)可編程(ISP)、FLAH存儲器訪問接口、節(jié)省單板空間的小外形集成電路(SOIC)封裝等高級特征，使得串行配置器件成為CycloneⅡ和Cyclone FPGA系列產(chǎn)品在大容量及價格敏感的應(yīng)用環(huán)境下的完美補充;

　　SDRAM：選用MT48LC2M32B2TG?7芯片;

　　FLASH：選用AM29LV128MH123R芯片;

　　晶振：選用40 MHz晶振，穩(wěn)定度不低于10 ppm;

　　A/D轉(zhuǎn)換器：采用AD9236芯片;

　　放大器：AD8132，通過電阻比例實現(xiàn)信號幅度調(diào)理;

　　232?TTL：選用MAX3232芯片;

　　422?TLL：MAX3091;

　　USB芯片：選用Cypress公司的CY7C68013A芯片[6];

　　網(wǎng)絡(luò)芯片：選用LAN91C111芯片;

　　電源轉(zhuǎn)換組合：將28 V轉(zhuǎn)換為FPGA的管腳電壓V1、核電壓V2、鎖相電壓V3;

　　傳感器：四種不同接口的傳感器：有，數(shù)字I/O，利用FPGA模擬出該信號;I2C，光照傳感器TSL2561;UART，無盲區(qū)超聲波測距模塊傳感器SDM?UART?300;模擬，壓力傳感器MD?PS002。

　　2.2 軟件設(shè)計

　　ASIM軟件功能模塊組成如圖3(a)所示，包括ORU接口模塊、SoPC模塊、上位機接口模塊、USB接口模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊以及上位機軟件。ORU接口模塊通過相應(yīng)接口采集ORU(1～5個)的數(shù)據(jù)并緩存、編目、組幀，然后由SoPC通過Avalon總線讀取數(shù)據(jù)幀并轉(zhuǎn)換為USB及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過USB接口模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊上傳至上位機;上位機軟件一方面接收USB接口和網(wǎng)口數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解幀、區(qū)分和顯示;另一方面通過UART口向ASIM發(fā)送控制和探尋指令，上位機接口模塊通過UART口接收指令并緩存，由SoPC通過Avalon總線讀取、執(zhí)行并通過上位機接口模塊向PC機回復(fù)，以完成ASIM傳感器接口的選取、ASIM工作狀態(tài)的檢測、傳感器屬性數(shù)據(jù)以及虛擬傳感器數(shù)據(jù)的注入。各個接口功能的實現(xiàn)需要進行反復(fù)的調(diào)試才能最終滿足設(shè)計要求(如圖3(b)所示)。

　　圖3 高級信號接口模塊(ASIM)軟件功能及調(diào)試示意圖

　　(1) 上位機軟件。上位機軟件須用VC編寫，運行在Windows環(huán)境下，包括狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)處理兩個部分。狀態(tài)控制部分通過UART口與ASIM進行交互，主要功能包括：

　�、� 選定ASIM接口，從模擬、UART(232)、UART(422)、I2C、數(shù)字I/O中選擇1～5種;

　�、� 監(jiān)測ASIM工作狀態(tài)，包括各路是否打開、各路是否接收到傳感器數(shù)據(jù); 　　③ 寫入傳感器屬性數(shù)據(jù)，將器件數(shù)據(jù)表單寫入FLASH;

　�、� 注入虛擬的傳感器數(shù)據(jù)，在沒有傳感器的條件下模擬傳感器數(shù)據(jù)，以驗證ASIM的功能;

　�、� 數(shù)據(jù)處理部分負責(zé)USB或網(wǎng)口數(shù)據(jù)的接收、解幀、區(qū)分和顯示;

　　⑥ 所有指令均為一次握手，即上位機將指令發(fā)送至ASIM，ASIM需回復(fù)一次，上位機進行檢查，如果某一幀傳輸出錯，則自動重新傳輸。指令格式參考表2所示。

　　表2 幀指令格式參考表

　　(2) SoPC模塊。SoPC模塊為整個ASIM的核心模塊，由Nios Ⅱ搭建，須運行在μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)上，對整個ASIM起主控的作用，包括傳感器數(shù)據(jù)的調(diào)度以及協(xié)議轉(zhuǎn)換、USB和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理、傳感器即插即用、上位機指令執(zhí)行和狀態(tài)查詢。軟件任務(wù)劃分參考圖4�？蓜澐譃樗膫�任務(wù)：USB數(shù)據(jù)處理任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理任務(wù)、ORU數(shù)據(jù)處理任務(wù)和上位機指令處理任務(wù)。ORU數(shù)據(jù)處理任務(wù)由傳感器中斷Sensor_ISR或串口中斷UART_ISR啟動，完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、緩存。USB數(shù)據(jù)處理任務(wù)可由ORU數(shù)據(jù)處理任務(wù)啟動，完成數(shù)據(jù)的USB傳輸;也可在ASIM的USB接口插入PC機時(即USB 設(shè)備枚舉時)由軟件中斷啟動，完成傳感器的即插即用(PC機讀取ASIM上的非易失性存儲器，獲取傳感器的種類、ID號、廠家等屬性)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理任務(wù)可由ORU數(shù)據(jù)處理任務(wù)啟動，完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸;也可在ASIM的網(wǎng)接口插入PC機時由軟件中斷啟動，完成ORU的即插即用(PC機讀取ASIM上的非易失性存儲器，獲取ORU的種類、ID號、廠家等屬性)。上位機指令處理任務(wù)由串口中斷UART_ISR啟動，進行上位機指令的解析、執(zhí)行和回復(fù)，實現(xiàn)ORU端接口類型與速率的選擇、ASIM工作狀態(tài)的查詢、ORU屬性數(shù)據(jù)的注入。

　　圖4 SoPC軟件任務(wù)劃分參考圖

　　(3) USB接口模塊。SoPC模塊的Avalon總線與外部CY7C68013A芯片之間的邏輯匹配模塊，由硬件描述語言實現(xiàn)。

　　(4) 網(wǎng)絡(luò)接口模塊。SoPC模塊的Avalon總線與外部LAN91C111芯片之間的邏輯匹配模塊，由硬件描述語言實現(xiàn)。

　　(5) ORU接口模塊。集成UART(速率自適應(yīng))、I2C、數(shù)字I/O以及A/D采樣子模塊，在上位機的控制下，接口種類、數(shù)據(jù)率可選。采集的數(shù)據(jù)存入FIFO，再經(jīng)FIFO接口模塊轉(zhuǎn)換為Avalon總線協(xié)議由SoPC模塊讀取。如圖5所示。

　　圖5 ORU接口模塊功能框圖

　　3 結(jié) 語

　　本文主要面向在軌模塊更換任務(wù)，為了完成電信接口向統(tǒng)一的即插即用串行總線的轉(zhuǎn)變，而對實現(xiàn)高級信號接口模塊(ASIM)進行了軟硬件設(shè)計研究。在分析了ASIM的基本設(shè)計原理以及技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，得到了ASIM的硬件結(jié)構(gòu)模型以及軟件結(jié)構(gòu)模型。研究內(nèi)容為實現(xiàn)模塊接口統(tǒng)一，即插即用以及在軌模塊更換奠定了基礎(chǔ)。

　　參考文獻

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