CN101900772B - 一种插箱等效器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插箱等效器，其模拟的具体功能包括a、模拟真实插箱的外型及机械接口；b、模拟插箱功耗；c、模拟插箱的遥测、程控功能；d、按照总线协议模拟插箱进行1394网络数据通讯；e、提供用于系统联试的网络接口，可接收来自地面测试系统中主控计算机的指令、数据流等。由于本发明插箱等效器模拟出插箱各种功能、功耗、接口等特征，因此能够为地面测试提供一种真实航天器插箱的仿真设备。

Description

一种插箱等效器

技术领域

本发明属于航天器测试技术领域，涉及一种在航天器测试系统中用于模拟各种设备插箱工作状态的插箱等效器。

背景技术

航天器(如卫星、飞船等)在设计完成交付使用之前，需要对其中安装的各种软硬件设备和分系统进行自检和测试，确定各组成部件能够正常工作，达到设计要求。

航天器中的各种插箱是重要的被检测对象。但如果直接对插箱本身进行检测，成本太高且不方便。因此通常采用模拟仿真的检测方法。

根据航天器地面测试的要求，地面测试系统应提供一个真实的测试仿真环境，完成各类设备自身性能的测试及与各种设备间的联合匹配性测试。这就需要一种能够模拟出插箱各种功能、功耗、接口等特征的装置，用于模拟仿真其性能。

发明内容

本发明提出了一种插箱等效器，能够模拟出航天器中插箱的各种功能、功耗、接口等特征，即能够模拟出航天器插箱的真实工作状态。

该插箱等效器能够模拟真实的航天器插箱外形及机械接口，模拟插箱的功耗以及遥测、程控功能，模拟插箱进行1394网络数据通讯(如指令、数据注入，数字量遥测、试验数据)等。

为实现上述目的。本发明所采用的技术方案如下：

一种用于航天器地面测试系统的插箱等效器，该插箱等效器的外形和所提供的机械接口均模拟真实的航天器插箱；该插箱等效器包括：中央处理控制单元、现场可编程门阵列FPGA芯片、1394功能模块、网络功能模块、程控指令模块、遥测信号模块、负载模块以及电源模块；

中央处理控制单元与遥测信号模块相连，通过FPGA芯片与1394功能模块、网络功能模块和程控指令模块相连；电源模块与中央处理控制单元、1394功能模块、网络功能模块、程控指令模块、遥测信号模块和负载模块分别相连；

负载模块，通过电源模块的供电，真实模拟航天器插箱的实际功耗。功耗模拟可以通过对大功率电阻上电实现。

FPGA芯片实现中央处理控制单元与1394功能模块、网络功能模块、程控指令模块的接口功能；

程控指令模块，提供程控接口，用于通过程控接口接收地面测试系统发出的程控指令，并通过FPGA芯片将程控指令发送给中央处理控制单元。

为了避免指令传输受到线路影响，程控指令进入程控指令模块之前，可以进一步用光耦模块对程控指令进行光电隔离。

网络功能模块，提供网络总线接口，用于通过网络总线接口与地面测试系统进行通信，接收来自地面测试系统的设置指令，将所接收的设置指令通过FPGA芯片发送给中央处理控制单元；

1394功能模块，提供与真实航天器中的1394总线接口具有相同电气特征和机械特性的1394总线接口，通过1394总线接口实现插箱等效器与地面测试系统的通讯；将来自地面测试系统的1394总线控制指令和1394数据通过FPGA芯片发送给中央处理控制单元，将来自中央处理控制单元的总线指令执行状态或数据接收状态回传给地面测试系统；在中央处理控制单元的控制下，向地面测试系统发送数字量遥测数据，向地面测试系统发送设定内容的1394试验数据；

中央处理控制单元，控制本插箱等效器中各模块的协同工作：接收来自程控指令模块的程控指令，并执行相应处理；根据来自网络功能模块的设置指令，进行工作状态设置操作；在设置的工作状态下，通过1394功能模块向地面测试系统发送设定内容的1394试验数据；接收来自1394功能模块的1394总线控制指令和1394数据，并进行响应；

遥测信号模块，提供与真实航天器中的遥测接口具有相同电气特征和机械特性的遥测接口，在中央处理控制单元的控制下，模拟并通过遥测接口输出遥测信号的模拟量；

电源模块，将插箱等效器的供电电压转换为插箱等效器中各组成模块的工作电压，为插箱等效器的各组成模块供电。

该插箱等效器进一步包括串口功能模块，作为网络功能模块的备份，实现与主控计算机通信。

该插箱等效器进一步包括测温电阻，测温电阻安装在本插箱等效器内部上表面的中间，测温电阻的两端引出插箱等效器，形成测温电阻接口。

其中，上述网络功能模块接收的设置指令包括：1394样本包设置指令；

那么，中央处理控制单元输出1394试验数据时，将1394样本包设置指令中的1394样本包内容作为1394试验数据的内容。

上述网络功能模块接收的设置指令还可以包括：传输速率设置指令、连续发送指令、开始发送指令、停止发送指令；

那么，当中央处理控制单元接收到连续发送指令时，控制1394功能模块按照设定好的传输速率连续发送设定好的1394样本包给地面测试系统；

当中央处理控制单元接收到开始发送指令和停止发送指令时，控制1394功能模块在开始发送指令到来时，按照设定好的传输速率连续发送设定好的1394样本包给地面测试设备，在停止发送指令到来时，停止发送。

由以上所述可以看出，本发明具有如下有益效果：

本发明的插箱等效器具有与真实航天器插箱相同的外形，因此该插箱等效器可以插入地面测试系统的机柜中，从而接受地面测试系统的测试。

该插箱等效器中具有负载模块，该模块能够模拟插箱工作时因器件发热引起的温度变化，插箱等效器对功耗的模拟不仅可以为地面测试系统提供真实的温度环境，从而令地面测试系统进行热循环测试，更重要的是，还可以测试插箱等效器中各通信模块的在高温环境下的耐受性。由于高温还可能引起电子元件的相互干扰，因此对温度环境的模拟还可以测试各通信模块相互干扰性和匹配性，从而在更为真实的环境下实现对插箱等效器的测试。

插箱等效器机械接口以及遥测功能、1394网络数据通讯功能也模拟真实插箱，因此本插箱等效器能够模拟出航天器插箱的真实工作状态。将该插箱等效器还专为地面测试系统提供了多种测试接口，包括网络接口、串行接口，使得插箱等效器能够在测试过程中接受地面测试系统的各种控制指令，且多个测试接口相互备份，确保插箱能够有效接收地面测试设备的控制指令。

本插箱等效器应用在地面测试系统中，能够协助地面测试设备完成各类设备自身性能的测试及与各种设备间的联合匹配性测试。

附图说明

图1为本发明优选实施方式的结构组成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式做进一步详细说明。

本发明提供了一种插箱等效器，其需要模拟的具体功能包括：

a、模拟真实插箱的外型及机械接口；

b、模拟插箱功耗；

c、模拟插箱的遥测、程控功能；

d、按照总线协议模拟插箱进行1394网络数据通讯(指令、数据注入、数字量遥测、高速等时数据)；

e、提供用于系统联试的网络接口，可接收来自地面测试系统中主控计算机的指令、数据流等。

为了实现上述功能，本发明插箱等效器的外形和机械接口均模拟真实的航天器插箱进行设置。该插箱等效器包括中央处理控制单元、现场可编程门阵列(FPGA)芯片、1394功能模块、网络功能模块、串口功能模块、程控指令模块、遥测信号模块、负载模块以及电源模块。

上述各模块的连接关系为：中央处理控制单元与遥测信号模块相连，并通过FPGA芯片与1394功能模块、网络功能模块和程控指令模块相连；电源模块与中央处理控制单元、1394功能模块、网络功能模块、程控指令模块、遥测信号模块和负载模块分别相连。

下面针对各模块进行详细描述。

(1)负载模块

负载模块通过电源模块的供电，真实模拟航天器插箱的实际功耗。该负载模块是本插箱等效器的重要组成部分。由于负载模块的存在，使得插箱等效器可以模拟插箱工作时因器件发热引起的温度变化。

该插箱等效器对功耗的模拟不仅可以为地面测试系统提供真实的温度环境，从而辅助地面测试系统进行热循环测试，更重要的是，对功耗的模拟还可以测试插箱等效器中各通信模块的在高温环境下的耐受性。由于高温还可能引起电子元件的相互干扰，因此对温度环境的模拟更可以测试各通信模块相互干扰性和匹配性，从而在更为真实的环境下实现对插箱等效器的测试。

负载模块可以采用大功率电阻实现，通过选择合适的电阻值，并对大功率电阻上电，从而模拟插箱的实际功耗。对负载模块的供电电源和电源的输入输出接口与航天器设备插箱接口一致。大功率电阻阻值和供电电源的配置根据航天器中真实插箱功耗进行具体设置。

(2)FPGA芯片

中央处理单元经FPGA芯片实现对1394功能模块、程控指令模块以及网络功能模块的控制。FPGA芯片要求逻辑门数不小于30万，工作速度不得低于100MHz。可选用Xilinx公司的XCV300型号芯片。

(3)程控指令模块

程控指令模块，提供一个或多个程控接口，用于通过程控接口接收地面测试系统发出的程控指令，并通过FPGA芯片将程控指令发送给中央处理控制单元。程控指令例如包括开关机指令。则中央处理控制单元接收到开关机指令后控制电源模块对本插箱等效器进行上电和断电处理。

在实际中，程控指令模块可以包括两个程控接口，一个提供供电线，另一个提供指令线。电源线指的是正端，一般用+28V，指令电路用的OC门电路，在指令接收瞬间指令线可以理解为指令源的地线。

为了增强插箱等效器的安全性，在程控指令进入程控指令模块之前，对其进行光电隔离，隔离后将程控指令经过FPGA芯片发送至中央处理控制单元进行处理。

(4)网络功能模块

网络功能模块，提供网络总线接口，用于通过网络总线接口与地面测试系统进行通信，接收来自地面测试系统的设置指令和数据，将所接收的设置指令和数据通过FPGA芯片发送给中央处理控制单元。

本网络功能模块提供的网络总线接口可以为以太网接口或RS485接口等。地面测试系统通过网络总线接口对插箱等效器的工作状态进行设置，例如设置1394样本包(即插箱等效器输出的1394等时数据)、设置遥测数据、设置传输方式，例如传输速率、是否连续传输、开始时间和停止时间等等。

该网络功能模块包括网络控制芯片、物理层芯片和网络接口。

其中，网络控制芯片要求能够支持通用的I/O口以及I2C总线，能够支持地址解析协议(ARP)、英特网控制消息协议(ICMP)、IPV4、传输控制协议(TCP)、用户数据协议(UDP)、超文本传输协议(HTTP)、简单文件传输协议(TFTP)、动态主机设置协议(DHCP)和简单网络管理协议(SNMP)等协议。例如，可选用爱普生(EPSON)公司的S1S60000芯片。

物理层芯片作为媒体独立接口(MII)，能够采用10BASE-T/全双工、10BASE-T/半双工、100BASE-T/半双工等不同的工作方式中的任意一种。例如，可选用ICS1893Y-10型芯片。

(5)1394功能模块

1394功能模块，提供1394总线接口，该1394总线接口模拟航天器中真实1394接口的电气特征和机械特性，通过1394总线接口实现插箱等效器与地面测试系统的通讯。具体功能包括：

①该1394功能模块通过1394总线将来自地面测试系统的1394总线控制指令和1394数据通过FPGA芯片发送给中央处理控制单元，将来自中央处理控制单元的总线指令执行状态或数据接收状态回传给地面测试系统；

②在中央处理控制单元的控制下，通过1394总线向地面测试系统发送数字量遥测数据。发送遥测数据采用异步通讯方式。

③在中央处理控制单元的控制下，通过1394总线向地面测试系统发送试验数据。发送试验数据采用等时通讯方式。

④接收来自1394总线的时间广播和所有网络广播信息，并发送给试验数据进行相应处理。

该1394功能模块包括：链路层控制器、物理层控制器、电压转换器和1394插头。

其中，链路层控制器要能够支持串行总线IEEE-1394-1995标准、发送和接收1394数据包、支持同步数据传输、能够产生和检查32位循环冗余校验(CRC)、带有DM口、能够提供3个完全兼容的传输速率为100、200或400Mb/s的线缆端口、16位数据总线计算机接口、具备CPU中断功能。可采用TSB12LV32-EP型处理芯片。

物理层控制器要求支持串行总线IEEE-1394-1995标准和1394a标准，同时能够提供3个完全兼容的传输速率为100、200或400Mb/s的线缆端口。可采用TSB41AB3-EP型芯片。

中央处理控制单元经FPGA芯片实现对链路层控制器的控制，完成1394总线的等时业务和异步业务。链路层控制器分别同FPGA芯片和物理层控制器相连。物理层控制器同1394插头相连。链路层控制器同FPGA芯片相连。1394插头连接地面测试系统的1394总线控制器。由于链路层控制器、物理层控制器、FPGA芯片所使用的电压为+3.3V，因此要通过电源转换器将外部的电压转换为3.3V的工作电压，提供给上述三个组成部件使用。

(6)中央处理控制单元

中央处理控制单元是插箱等效器的核心单元，控制本插箱等效器中各模块的协同工作，具体功能包括：接收来自程控指令模块的程控指令，并执行相应处理；根据来自网络功能模块的设置指令，进行工作状态设置操作；在设置的工作状态下，通过1394功能模块向地面测试系统发送设定内容的1394试验数据；接收来自1394功能模块的1394总线控制指令和1394数据，并进行响应。

网络功能模块接收的设置指令可以包括：1394样本包的设置指令、传输速率设置指令、连续发送指令、开始发送指令、停止发送指令，等等。当中央处理控制单元接收到连续发送指令时，控制1394功能模块按照设定好的传输速率连续发送设定好的1394样本包给地面测试系统。当中央处理控制单元接收到开始发送指令和停止发送指令时，控制1394功能模块在开始发送指令到来时，按照设定好的传输速率连续发送设定好的1394样本包给地面测试设备，在停止发送指令到来时，停止发送。

实际上，传输方式的设置指令还可以通过1394功能模块进入中央处理控制单元。

中央处理控制单元可以采用数字处理器(DSP)为核心，与软件配合构成单元整体。DSP采用不小于32位的DSP处理器；外部配置存储容量不少于512MB的随机存取存储器(RAM)；具备12位数模转换模块，2*8通道的输入多路选择器，单路转换周期60ns；其外部存储器接口最大能够扩展1MB的寻址空间；带有至少2个标准通用异步接收/发送(UART)接口；集成有快速中断管理单元。例如，可采用TI公司的TMS320C28x系列DSP芯片。同时，在处理器内部集成看门狗电路，可在程序中设置看门狗的复位时间，从而在程序错误时发出复位信号强制系统复位。

(7)遥测信号模块

遥测信号模块，提供与真实航天器中的遥测接口具有相同电气特征和机械特性的遥测接口，该模块在中央处理控制单元的控制下，模拟并输出用于表征航天器中各种设备插箱工作状态的遥测信号的模拟量。遥测信号模块与地面测试系统采用导线直连，因此输出的遥测信号为模拟量。

该模块采用电路实现，本遥测信号模块的遥测输出量可以通过外部的地面测试系统中主控计算机进行设定和改变。

例如本模块可以采用MAX525型芯片实现。那么，MAX525采用串行外设接口(SPI)方式和DSP通信。

(8)串口功能模块

该模块作为网络功能模块的备份，提供多个485通信端口。由于中央处理控制单元带有至少2个标准的UART接口，经过UART的接口芯片将需要传送给外部的地面测试系统中主控计算机的数据转换成两路RS-485输出。该串口功能模块为不是必要组成。

(9)电源模块

该模块将插箱等效器的供电电压转换为插箱等效器中各组成模块的工作电压，为插箱等效器中各组成模块供电。

假设插箱等效器的供电为28V，则经过直流到直流(DC/DC)的变换，得到等效器内各类芯片的供电电压，有12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V等。

(10)测温电阻

该插箱等效器进一步包括测温电阻，测温电阻安装在本插箱等效器内部上表面的中间，测温电阻的两端引出插箱等效器，形成测温电阻接口。那么地面测试系统就可以通过测试电阻采集插箱等效器的温度，从而进行降温处理。

本插箱等效器的工作过程如下：

首先，启动电源模块为系统各模块上电。上电时，电源输入为+28V，通过电压转换产生中央处理控制单元、网络功能模块、串口功能模块、程控指令模块、遥测信号模块、1394功能模块和负载模块中各类控制芯片所需的12V、5V、3.3V、2.5伏、1.8V等电压。

当上电后，负载模块中的大功率电阻加电，开始模拟设备插箱的功耗，模拟数据还可以直接通过负载模块的数字表头显示。

地面测试系统通过网络功能模块或者串口功能模块，发送指令给中央处理控制单元。中央处理控制单元驱动遥测信号模块输出遥测信号模拟量给主控计算机，也可直接通过遥测信号模块的数字表头显示，或者驱动1394功能模块输出遥测信号数字量发送给地面测试系统。遥测信号模块的遥测输出量可以通过外部的地面测试系统进行设定和改变，遥测数据的设置通道可以为地面测试系统与网络功能模块之间的网络总线，也可以为地面测试系统与1394功能模块之间的1394总线。

地面测试系统发送两路程控指令信号给程控指令模块，程控指令模块使用光电耦合器对这两路信号进行光电隔离，隔离后将两路信号经过FPGA芯片发送至中央处理控制单元进行处理。

地面测试系统发送1394总线指令给1394功能模块。1394功能模块通过FPGA芯片把1394总线指令发送给中央处理控制单元进行处理。中央处理控制单元根据1394总线指令进行等时通信或异步通信。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于航天器地面测试系统的插箱等效器，其特征在于，该插箱等效器的外形和所提供的机械接口均模拟真实的航天器插箱；该插箱等效器包括：中央处理控制单元、现场可编程门阵列FPGA芯片、1394功能模块、网络功能模块、程控指令模块、遥测信号模块、负载模块以及电源模块；

中央处理控制单元与遥测信号模块相连，通过FPGA芯片与1394功能模块、网络功能模块和程控指令模块相连；电源模块与中央处理控制单元、1394功能模块、网络功能模块、程控指令模块、遥测信号模块和负载模块分别相连；

负载模块，通过电源模块的供电，真实模拟航天器插箱的实际功耗；

FPGA芯片实现中央处理控制单元与1394功能模块、网络功能模块、程控指令模块的接口功能；

程控指令模块，提供程控接口，用于通过程控接口接收地面测试系统发出的程控指令，并通过FPGA芯片将程控指令发送给中央处理控制单元；

网络功能模块，提供网络总线接口，用于通过网络总线接口与地面测试系统进行通信，接收来自地面测试系统的设置指令，将所接收的设置指令通过FPGA芯片发送给中央处理控制单元；

1394功能模块，提供与真实航天器中的1394总线接口具有相同电气特征和机械特性的1394总线接口，通过1394总线接口实现插箱等效器与地面测试系统的通讯；将来自地面测试系统的1394总线控制指令和1394数据通过FPGA芯片发送给中央处理控制单元，将来自中央处理控制单元的总线指令执行状态或数据接收状态回传给地面测试系统；在中央处理控制单元的控制下，向地面测试系统发送数字量遥测数据，向地面测试系统发送设定内容的1394试验数据；

中央处理控制单元，控制本插箱等效器中各模块的协同工作：接收来自程控指令模块的程控指令，并执行相应处理；根据来自网络功能模块的设置指令，进行工作状态设置操作；在设置的工作状态下，通过1394功能模块向地面测试系统发送设定内容的1394试验数据；接收来自1394功能模块的1394总线控制指令和1394数据，并进行响应；

遥测信号模块，提供与真实航天器中的遥测接口具有相同电气特征和机械特性的遥测接口，在中央处理控制单元的控制下，模拟并通过遥测接口输出遥测信号的模拟量；

电源模块，将插箱等效器的供电电压转换为插箱等效器中各组成模块的工作电压，为插箱等效器的各组成模块供电。

2.如权利要求1所述的插箱等效器，其特征在于，该插箱等效器进一步包括串口功能模块，作为网络功能模块的备份，实现与主控计算机通信。

3.如权利要求1所述的插箱等效器，其特征在于，该插箱等效器进一步包括测温电阻，测温电阻安装在本插箱等效器内部上表面的中间，测温电阻的两端引出插箱等效器，形成测温电阻接口。

4.如权利要求1所述的插箱等效器，其特征在于，所述负载模块中包括大功率电阻，通过对大功率电阻上电模拟插箱的实际功耗。

5.如权利要求1或4所述的插箱等效器，其特征在于，程控指令进入程控指令模块之前，进一步用光耦模块对程控指令进行光电隔离。

6.如权利要求1所述的插箱等效器，其特征在于，所述1394功能模块进一步用于通过1394总线接收来自地面测试系统的设置指令，将所接收的设置指令通过FPGA芯片发送给中央处理控制单元。

7.如权利要求1或6所述的插箱等效器，其特征在于，网络功能模块接收的设置指令包括：1394样本包设置指令；

中央处理控制单元输出1394试验数据时，将1394样本包设置指令中的1394样本包内容作为所述1394试验数据的内容。

8.如权利要求1或6所述的插箱等效器，其特征在于，网络功能模块接收的设置指令包括：传输速率设置指令、连续发送指令、开始发送指令、停止发送指令；

当中央处理控制单元接收到连续发送指令时，控制1394功能模块按照设定好的传输速率连续发送设定好的1394样本包给地面测试系统；

当中央处理控制单元接收到开始发送指令和停止发送指令时，控制1394功能模块在开始发送指令到来时，按照设定好的传输速率连续发送设定好的1394样本包给地面测试设备，在停止发送指令到来时，停止发送。

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