CN101009041A - 一种基于fpga的红外地球敏感器的测试数据通信接口装置 - Google Patents

一种基于fpga的红外地球敏感器的测试数据通信接口装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的红外地球敏感器的测试数据通信接口装置，所述通信接口装置是用于实现红外地球敏感器与工控机进行异步串行数据通信的，是一种采用非标准串口传输的接口通信装置。所述通信接口装置由输出接口电路、输入接口电路、地址选择电路和FPGA芯片组成，输出接口电路、输入接口电路和地址选择电路与FPGA芯片电联接。所述FPGA芯片按实现功能分为ISA总线接口单元、控制单元、数据缓冲器、串行遥控接口单元和串行遥测接口单元。本发明通信接口装置可以为红外地球敏感器测试提供一种可靠的接口，在红外地球敏感器研制和生产过程中，为红外地球敏感器的研制和生产提供方便。

Description

一种基于FPGA的红外地球敏感器的测试数据通信接口装置
技术领域
本发明涉及一种数据通信接口电路，更特别地说，是指一种基于FPGA的红外地球敏感器与工控机之间用于测试时使用的通信电路。
背景技术
红外地球敏感器是一种卫星姿态确定系统中的主要定姿设备，它通过测量卫星相对地球的姿态来确定飞行姿态。红外地球敏感器可以直接计算出卫星的滚动角和俯仰角。
星载计算机通过遥控命令控制红外地球敏感器的扫描选择、扫描通道选择和其他的控制，星载计算机通过异步串口将遥控命令传送至红外地球敏感器，遥控命令采用双线传输，一条为数据线传输8位遥控命令，一条为遥控命令时钟输出，传输频率为16.8KHz～25KHz不定，逻辑高电平为+8V～+12V，低电平为0～1V，上升/下降沿时间小于2μs。
红外地球敏感器的遥测数据包括红外地球敏感器测量的俯仰角、滚动角和一些反映红外地球敏感器状态的重要信息，遥测数据为32位数据结构，遥测数据通过异步串口上传至星载计算机，遥测数据采用双线传输，其中一条为数据线，由红外地球敏感器将32位数据传输至星载计算机，遥测的时钟是由星载计算机发出，并与数据信号有一定的相位关系，遥测数据传输频率为16.8KHz～25KHz不定，逻辑高电平为+8V～+12V，低电平为0～1V，上升/下降沿时间小于2μs。
红外地球敏感器在研制和生产过程中，需要通过遥控和遥测命令对红外地球敏感进行测试和标定，因而此通信接口是红外地球敏感器测试过程中的重要装置。
在红外地球敏感器的研制和生产过程中，数据采集系统(一般由工控机组成)替代星载计算机，负责发送遥控命令和采集遥测数据，这就要求设计一种通信电路完成非标准通信协议至工控机转换，以往完成遥控命令和遥测数据的转换是通过MCU采集转换，并通过标准RS-232C与上位机联接，这样实现数据的转换使得数据不能实时得到采集，并且占用工控机资源比较多和设备自身占用一定的空间，若采用硬件逻辑设计遥控命令和遥测数据的转换，并以工控机板卡形式存在，将能够提高数据的转换速度，提高数据的采集频率，减少设备的占用面积。
红外地球敏感器为非标准的异步串行通信，而且通信频率不定，又因红外地球敏感器的测试过程中要求的数据采集频率比较高，所以在设计中通信接口设计将会有很大难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA的红外地球敏感器的测试数据通信接口装置，所述通信接口采用输入/输出接口电路、地址选择电路、以及将FPGA芯片按照功能划分的各个单元，通过对接收/发送的信息、指令进行不同模式的控制来实现了红外地球敏感器非标准串口与工控机ISA总线之间的异步串行数据通信。
本发明是一种基于FPGA的红外地球敏感器的测试数据通信接口装置，所述通信接口装置是用于实现红外地球敏感器与工控机进行异步串行数据通信的，所述通信接口装置由输出接口电路、输入接口电路、地址选择电路和FPGA芯片组成，输出接口电路、输入接口电路和地址选择电路与FPGA芯片电联接；
所述输入接口电路用于接收所述红外地球敏感器输出的遥测数据；
所述输出接口电路用于发送遥控命令和时钟信息给所述红外地球敏感器；包括有TC_DATA输出接口电路、TC_CLK输出接口电路和TM_CLK输出接口电路；
所述工控机与所述FPGA芯片通过ISA总线连接。
所述的通信接口装置，其FPGA芯片按实现功能分为ISA总线接口单元、控制单元、数据缓冲器、串行遥控接口单元和串行遥测接口单元；
所述ISA总线接口单元与所述工控机的ISA总线接口相连，ISA总线接口单元输出地址总线fA、控制总线fC给控制单元，其与数据缓冲器采用双向数据总线fD交互；
所述控制单元输出遥控控制指令fCT给串行遥控接口单元，输出遥测控制指令fCR给串行遥测接口单元，输出数据流向指令fCD给数据缓冲器；
所述数据缓冲器将接收到的并行遥控命令fDT传输给串行遥控接口单元；
所述串行遥控接口单元对接收的并行遥控命令fDT，在遥控控制指令fCT配合下进行数据输出处理；
所述串行遥测接口单元接收串行遥测数据TM_DATA在遥测控制指令fCR的控制下输出并行遥测数据fDR。
本发明测试数据通信接口装置的优点在于：(1)是一种采用非标准异步串口传输数据的接口；(2)采用FPGA芯片进行通信接口设计，使得数据转换速度快，数据能够得到缓冲，工控机完成遥控遥测工作的资源开销小；(3)通过采用在FPGA片内完成ISA总线接口和通信数据转换，节省了电路板的面积和设备占用空间，提高了电路和设备可可靠性；(4)输入/输出接口电路采用光电隔离、上下跟随输出、输出反馈，有效地保证了信号传输质量和可靠性；(5)提供了一种基于FPGA的ISA板卡，可以直接插在工控机的ISA插槽上，通过工控机驱动程序完成遥控遥测数据通信。
附图说明
图1是本发明通信接口装置结构框图。
图2是本发明FPGA片内结构框图。
图3是本发明串行遥控接口单元结构框图。
图4是本发明串行遥测接口单元结构框图。
图5A是本发明TC_DATA输出接口电路原理图。
图5B是本发明TC_CLK输出接口电路原理图。
图6A是本发明TM_DATA输入接口电路原理图。
图6B是本发明TM_CLK输出接口电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1所示，本发明是一种基于FPGA的红外地球敏感器的测试数据通信接口装置，所述通信接口装置是用于实现红外地球敏感器与工控机进行异步串行数据通信，并且是一种采用非标准串口传输的接口通信装置。所述通信接口装置由输出接口电路、输入接口电路、地址选择电路(可以采用拨码开关)和FPGA芯片组成，输出接口电路、输入接口电路和地址选择电路与FPGA芯片电联接，其中，输入接口电路接收所述红外地球敏感器输出的遥测数据，输出接口电路发送遥控命令和时钟信息给所述红外地球敏感器；所述工控机与FPGA芯片通过ISA总线连接。
请参见图2所示，在本发明中，FPGA芯片选取型号EP1C3T144C8，按照在本发明中实现的功能可以分为ISA总线分配单元、控制单元、数据缓冲器、串行遥控接口单元和串行遥测接口单元；ISA总线分配单元与所述工控机的ISA总线接口相连，ISA总线分配单元输出地址总线fA、控制总线fC给控制单元，其与数据缓冲器采用双向数据总线fD交互；控制单元输出遥控控制指令fCT给串行遥控接口单元，输出遥测控制指令fCR给串行遥测接口单元，输出数据流向指令fCD给数据缓冲器；数据缓冲器将接收到的并行遥控命令fDT传输给串行遥控接口单元；串行遥控接口单元对接收的并行遥控命令fDT应用遥控控制指令fCT进行数据输出处理，转换为串行遥控命令TC_DATA输出给TC_DATA输出接口电路；串行遥测接口单元接收TM_DATA输入接口电路输入的串行遥测数据TM_DATA，在遥测控制指令fCR的控制下输出并行遥测数据fDR。
本发明通信接口装置通过利用FPGA芯片完成ISA总线接口设计，ISA总线接口和通信数据转换同在一片FPGA芯片内设计完成，ISA总线接口完成与工控机的ISA总线的连接，包括对工控机指令地址译码、数据缓冲存储、以及通信数据转换电路的控制信号产生，在图2中，ISA总线接口由ISA总线接线单元、控制单元、数据缓冲器组成，地址译码和通信数据转换电路的控制信号产生由控制单元完成。通信数据转换是将工控机发送的8位并行遥控命令fDT转换为红外地球敏感器可识别的异步串行数据格式并发送，将红外地球敏感器发送的异步串行32位遥测数据转换为工控机可识别的并行16位数据格式。
请参见图3所示，在本发明中，串行遥控接口单元对遥控命令寄存器根据控制单元产生的遥控寄存器控制命令Tx_Reg从数据缓冲器接收并行遥测控制指令fDR，并根据遥控寄存器控制命令Tx_Reg将遥控命令寄存器的数据移入遥控命令发送寄存器中，根据发送使能控制Tx_en有效和遥控分频控制产生的发送时钟Tx_CLK，按照右移方式将串行遥控命令TC_DATA输出，同时由遥控时钟控制产生遥控时钟TC_CLK输出，所述遥控时钟TC_CLK与遥控命令TC_DATA相差半个发送时钟Tx_CLK。在数据发送完成后，发送使能控制Tx_en为无效时，红外地球敏感器遥控命令发送完成。
请参见图4所示，在本发明中，控制单元对工控机发送的遥测数据采集指令进行译码，并产生遥测控制指令fCR，遥测控制指令fCR中的遥测数据采集有效指令Rx_en为高电平，接收有效，遥测数据移位控制产生遥测频率探测分频控制Rx_Fdivision，控制遥测分频控制对系统时钟fCLK进行分频获得接收时钟Rx_CLK，接收时钟Rx_CLK通过遥测时钟控制输出串行遥测时钟TM_CLK给输出接口电路；输入接口电路输出串行遥测数据TM_DATA给遥测数据移位控制中的移位寄存器，遥测数据移位控制移位寄存器左移接收遥测数据，当数据接收完成(32位数据)，产生接收完毕信号Rx_over，由控制单元向工控机申请提取遥测数据，同时将遥测数据输出给遥测数据寄存器，控制单元产生提取数据指令Rx_Reg，并将并行遥测数据fDR存入数据缓冲器等待工控机提取。
在本发明中，输出接口电路包括有TC_DATA输出接口电路、TC_CLK输出接口电路和TM_CLK输出接口电路。输入接口电路为TM_DATA输入接口电路。其中，TC_DATA输出接口电路、TC_CLK输出接口电路完成非标准异步串行遥控指令输出；TM_CLK输出接口电路与TM_DATA输入接口电路完成非标准异步串行遥测数据接收。TC_DATA输出接口电路的各端子联接请参见图5A所示，高速光耦OP1中发光二极管的A端经电阻R11联接至+5VD隔离电源上，高速光耦OP1中发光二极管的K端与串行遥控命令TC_DATA联接，VCC端、EN端与+5V联接，VCC端与GND端之间联接一电容C11，光电隔离输出OUT端经上拉电阻R12接+5V，并通过电阻R13比较器U1A的正端联接，比较器U1A的负端接2V参考电压，比较器U1A的输出端经上拉电阻R15后接+12V，并与三极管Q1、三极管Q2的基极联接，三极管Q1的集电极接+12V，三极管Q2的集电极接地，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极联接，联接端经电阻R14反馈至比较器U1A的正端，并经电阻R16后输出给红外地球敏感器，其中三极管Q1、三极管Q2组成上下跟随输出加强电路驱动能力，R14电阻为正反馈电路，加快信号沿斜率。在本发明中，由于TC_DATA输出接口电路、TC_CLK输出接口电路和TM_CLK输出接口电路为相同电路结构，故不再对电路进行详细说明，具体电路原理图请参见图5B和图6B所示。
请参见图6A所示，TM_DATA输入接口电路的各端子联接为：红外地球敏感器的串行遥测输入TM_DATA_in经电阻R31联接至比较器U1C的正端，比较器U1C的负端接6V参考电压，比较器U1C的输出端经上拉电阻R33后接+5V，并与三极管Q5、三极管Q6的基极联接，三极管Q5的集电极接+5V，三极管Q6的集电极接地，三极管Q5的发射极与三极管Q6的发射极联接，联接端经电阻R32反馈至比较器U1C的正端，并经电阻R34联接至高速光耦OP3中发光二极管的A端，其中三极管Q5、三极管Q6组成上下跟随输出加强电路驱动能力，R32电阻为正反馈电路，加快信号沿斜率，高速光耦OP3中发光二极管的K端接地，高速光耦OP3的VCC端、EN端与+5VD联接，VCC端与GND端之间联接一电容C31，GND端接隔离地，OUT端经上拉电阻R35接+5VD，并输出至FPGA芯片上。
本发明中，输入接口单元由接口芯片、相应的电平转换芯片及光电隔离芯片构成，其输入信号为0～12V的数字信号，需将通过电平转换和光电隔离将其转换为TTL电平信号，通过输入接口电路，实现了对输入信号的光电隔离、电平转换和上下跟随驱动输出。输出接口单元的构成和输入接口相同，只是方向相反，将TTL电平转换为敏感器通信标准的0～12V信号。

Claims (7)

1、一种基于FPGA的红外地球敏感器的测试数据通信接口装置，所述测试数据通信接口装置是用于实现红外地球敏感器与工控机进行异步串行数据通信的，其特征在于：所述通信接口装置由输出接口电路、输入接口电路、地址选择电路和FPGA芯片组成，输出接口电路、输入接口电路和地址选择电路与FPGA芯片电联接；
所述输入接口电路用于接收所述红外地球敏感器输出的遥测数据；
所述输出接口电路用于发送遥控命令和时钟信息给所述红外地球敏感器；包括有TC_DATA输出接口电路、TC_CLK输出接口电路和TM_CLK输出接口电路；
所述工控机与所述FPGA芯片通过ISA总线连接。
2、根据权利要求1所述的测试数据通信接口装置，其特征在于：所述FPGA芯片按实现功能分为ISA总线分配单元、控制单元、数据缓冲器、串行遥控接口单元和串行遥测接口单元；
所述ISA总线分配单元与所述工控机的ISA总线接口相连，ISA总线分配单元输出地址总线fA、控制总线fC给控制单元，其与数据缓冲器采用双向数据总线fD交互；
所述控制单元输出遥控控制指令fCT给串行遥控接口单元，输出遥测控制指令fCR给串行遥测接口单元，输出数据流向指令fCD给数据缓冲器；
所述数据缓冲器将接收到的遥控命令fDT传输给串行遥控接口单元；
所述串行遥控接口单元对接收的遥控命令fDT采用遥控控制指令fCT进行数据输出处理；
所述串行遥测接口单元接收串行遥测数据TM_DATA在遥测控制指令fCR的控制下输出并行遥测数据fDR。
3、根据权利要求2所述的测试数据通信接口装置，其特征在于：所述串行遥控接口单元对遥控命令寄存器根据控制单元产生的遥控寄存器控制命令Tx_Reg从数据缓冲器接收并行遥测控制指令fDR，并根据遥控寄存器控制命令Tx_Reg将遥控命令寄存器的数据移入遥控命令发送寄存器中，根据发送使能控制Tx_en有效和遥控分频控制产生的发送时钟Tx_CLK，按照右移方式将串行遥控命令TC_DATA输出，同时由遥控时钟控制产生遥控时钟TC_CLK输出，所述遥控时钟TC_CLK与遥控命令TC_DATA相差半个发送时钟Tx_CLK。在数据发送完成后，发送使能控制Tx_en为无效时，红外地球敏感器遥控命令发送完成。
4、根据权利要求2所述的测试数据通信接口装置，其特征在于：所述控制单元对工控机发送的遥测数据采集指令进行译码，并产生遥测控制指令fCR，遥测控制指令fCR中的遥测数据采集有效指令Rx_en为高电平，接收有效，遥测数据移位控制产生遥测频率探测分频控制Rx_Fdivision，控制遥测分频控制对系统时钟fCLK进行分频获得接收时钟Rx_CLK，接收时钟Rx_CLK通过遥测时钟控制输出串行遥测时钟TM_CLK给输出接口电路；输入接口电路输出串行遥测数据TM_DATA给遥测数据移位控制中的移位寄存器，遥测数据移位控制移位寄存器左移接收遥测数据，当数据接收完成，产生接收完毕信号Rx_over，由控制单元向工控机申请提取遥测数据，同时将遥测数据输出给遥测数据寄存器，控制单元产生提取数据指令Rx_Reg，并将并行遥测数据fDR存入数据缓冲器等待工控机提取。
5、根据权利要求1所述的测试数据通信接口装置，其特征在于：是一种采用非标准异步串口传输的接口通信装置。
6、根据权利要求1所述的通信接口装置，其特征在于：所述输出接口电路中的TC_DATA输出接口电路的各端子联接为，高速光耦OP1中发光二极管的A端经电阻R11联接至+5VD隔离电源上，高速光耦OP1中发光二极管的K端与遥控命令TC_DATA联接，VCC端、EN端与+5V联接，VCC端与GND端之间联接一电容C11，OUT端经上拉电阻R12接+5V，并通过电阻R13比较器U1A的正端联接，比较器U1A的负端接2V参考电压，比较器U1A的输出端经上拉电阻R15后接+12V，并与三极管Q1、三极管Q2的基极联接，三极管Q1的集电极接+12V，三极管Q2的集电极接地，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极联接，联接端经电阻R14反馈至比较器U1A的正端，并经电阻R16后输出给红外地球敏感器，其中三极管Q1、三极管Q2组成上下跟随输出加强电路驱动能力，R14电阻为正反馈电路，加快信号沿斜率。
7、根据权利要求1所述的测试数据通信接口装置，其特征在于：所述输入接口电路中的TM_DATA输入接口电路的各端子联接为，红外地球敏感器的串行遥测输入TM_DATA_in经电阻R31联接至比较器U1C的正端，比较器U1C的负端接6V参考电压，比较器U1C的输出端经上拉电阻R33后接+5V，并与三极管Q5、三极管Q6的基极联接，三极管Q5的集电极接+5V，三极管Q6的集电极接地，三极管Q5的发射极与三极管Q6的发射极联接，联接端经电阻R32反馈至比较器U1C的正端，并经电阻R34联接至高速光耦OP3中发光二极管的A端，其中三极管Q5、三极管Q6组成上下跟随输出加强电路驱动能力，R32电阻为正反馈电路，加快信号沿斜率，高速光耦OP3中发光二极管的K端接地，高速光耦OP3的VCC端、EN端与+5VD联接，VCC端与GND端之间联接一电容C31，GND端接隔离地，OUT端经上拉电阻R35接+5VD，并输出至FPGA芯片上。
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