CN103873598A - 一种适用于星载电子设备的标准化接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种星载电子设备标准化接口装置，其将各数据传输功能集成于数个数据通道中，并且各数据通道可互为备份；接口中包括数个数字I/O通道以满足星上系统对时钟脉冲数据和各设备单机状态数据的需求；接口中包含的OC指令端口可对设备进行开关控制；接口中包含的IO端口可对设备的状态进行检测；接口中还包括模拟量通道以满足星上系统对模拟量采集的需求。接口控制器能够对各数据通道以及端口进行管理和调度，可以通过简单的配置对各数据通道的通信特性和通信内容进行选配，并能够实现对模拟采集通道的选通和扩展功能。从而简化星上的电气连接关系，使星载电子设备批量生产和货架式产品采购成为可能。

Description

一种适用于星载电子设备的标准化接口装置

技术领域

本发明涉及了接口装置技术领域，特别涉及一种适用于星载电子设备的标准化接口，用于对星载电子设备自身以及多设备之间的通信进行控制。 

背景技术

中国的航天事业起步于20世纪五六十年代。1970年4月24日，第一颗人造地球卫星“东方红”1号在酒泉发射成功，中国成为世界上第五个发射卫星的国家。自此，中国航天技术有了飞速发展，已经多次成功实现载人航空。由于太空环境的恶劣，以及航空技术本身的尖端性，航天器、卫星以及对应的星载设备的研制是个耗时并且复杂的过程。通常一个大的项目需要很多不同的单位，部门合作，协同完成；每一个项目从用户提出要求、到总体设计、分系统设计、再到生产验证、分系统集成验证、系统集成验证、到最后的交付，都要经历2~3年甚至更长的时间，而这样长的研制周期无法满足日益增长的国际国内市场对卫星或航天器的需求。 

为加快卫星及航天器的研制周期，借鉴综合先进商业电子系统的设计策略，对传统卫星及航天器的研制流程进行变革，需要建立一个有利于开放式系统实现的需求导向环境，采用模块化设计原则，定义关键的接口关系。结合多年的研究设计经验，本发明的发明人提出星载电子设备接口，该接口方法及装置属于一个可维护的被广泛支持和接受的标准，将符合标准的产品的验证工作分离于具体的型号研制过程。 

星载电子系统完成星上数据处理、数据传输以及设备控制、指令开关等功能，它是卫星在轨正常工作的核心，也是进行卫星标准化设计的关键。实现了星上电气标准化，就可以大大减少在接口上的协调工作，简化卫星研制工作，并且有利于卫星的自动化、快速化测试与集成，为卫星标准化的研制奠定基础。 

实施本发明所述星载电子设备接口，星上各部件单机的接口形式被集成简化，真正地实现了单机的互换性，使批量生产和货架式产品采购成为可能。各系统单机之间的接口通过标准规范文件形式进行了规定，各部件单机产品可以实现电气接口零协调，大大简化研制流程，缩短了卫星的研制周期。 

实施了此星载电子系统接口，可研制统一的电联试及地面测试设备，既大大缩短了集成、测试的时间，又可大大节约成本。进一步，有利于机械、热接口的标准化，是航天器平台标准化的基础。同时，可方便地实施卫星平台与载荷、运载的集成、测试，为实现快速制造、快速发射奠定了基础。 

发明内容

本发明目的在于提供一种星载电子设备的标准化接口装置， 包括： 多种类型的通道，所述通道包含若干个数据通道、若干个数字I/O通道、若干模拟信号通道；通过所述接口的内部的总线通信模块、并行通信模块、控制协调模块共同工作来对各通道进行管理；其中，所述总线通信模块，用于实现通信链路层、缓存，、物理层、总线以及相应通道之间的数据通信过程；并行通信模块，用于实现上层数据通道ID的解析以及将总线数据与上位机数据交互；控制协调模块，用于协调各模块之间的时序关系和逻辑关系。 

进一步，所述总线通信模块由接收器模块和发送器模块组成；接收器模块包含由接收子模块、解码子模块和解帧子模块；所述接收器模块接收总线上传输过来的比特数据流，进行校验、解码、解帧后存入接收缓冲器，供协调控制模块读取；所述发送器模块包含发送子模块、编码子模块和组帧子模块；所述发送器模块用于当总线空闲时，将来自协调控制模块的数据进行组帧、编码后发送出去，供相应节点接收。 

更进一步，所述并行数据转换模块包括写操作模块、读操作模块和仲裁模块，用于实现接口与上位机的读/写操作，以及协调读/写操作之间的冲突。 

所述控制协调模块根据若干数据通道不同的自主功能需求分别将各个数据通道设计成对应不同的功能单元，每一个数据通道可以对应一个功能单元，所述功能单元从直接指令通道单元 、控制执行通道单元、遥测遥控通道单元、测试通道单元及故障诊断通道单元中进行选择。 

优选地，所述接口中，所述数据通道可互为备份，并且所述标准化接口进一步包括能通过选通方式进行模拟量采集的模拟通道。通过所述接口可以组成总线式拓扑网络，也可以组成星型拓扑网络。所述接口包括OD（OC）指令端口，可对星载设备进行开关操作 

优选地，所述接口包括IO端口，可对设备的IO状态进行检测。是所述数据通道和数字I/O通道配合可完成总线设备的校时功能。所述数据通道和数字I/O通道配合可完成总线设备的校时功能。所述接口可对模拟量进行采集、组帧经数据通道传送给相关的设备。

优选地，接口可根据相关的帧信息，切换模拟量采集通道，将相关的输入模拟量送至模拟量采集通道。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。 

图1所示为本发明标准接口外部信号 

图2 所示为本发明接口装置组成框图

图3所示为一种本发明所述标准化接口具体的实施方式

图4所示为另一种本发明所述标准化接口具体的实施方式

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 

参见图1，所示为本发明标准接口控制芯片的外部信号结构与组成，其能够接收和发送数据，实现各种信号的控制与转换，主要包括使能，复位，中断，PCM，数据，地址，OD，2路I/O通道，5路数据通道等端口，其详细信息以及各符号标记的含义参见表一。 

名称	I /O	功能描述
			使能	I	片选信号输入，低电平允许访问通信控制器
复位	I	控制器复位
			中断	O	总线控制器为设备提供的中断功能
地址	I /O	总线控制器内部存储器的地址总线
			数据	I /O	接口与单机之间的数据通道
PCM	I	从上位机发来的调制信号
			OD	O	用于输出驱动的开漏信号
数据通道1~5	I /O	可互为备份的串行差分数据通道，可构成总线式拓扑网络或星型拓扑网络
			I/O通道1、2	I/O	I/O通道
模拟信号通道	I/O	通过选通方式进行模拟量信号采集的通道

表1 标准接口引脚功能描述 

虽然本实施例中具体示出了2路I/O通道，5路数据通道，但本领域技术人员应该能够了解，通过不同设定改变各通道数目，是可行的。

参见图2 ，图2给出的是所示为本发明接口装置组成框图，其展现的是标准化接口的内部。其包括总线通信模块、控制协调模块和并行通信模块，共三个模块：总线通信模块：实现通信链路层<—>缓存<—>物理层<—>总线相应通道的数据通信过程； 

并行通信模块：实现上层数据通道ID的解析以及将总线数据与上位机数据交互；

控制协调模块：协调各模块之间的时序关系和逻辑关系。

前面所述的标准总线通信模块由接收器模块和发送器模块组成。接收器模块的主要功能是接收总线上传输过来的比特数据流，进行校验、解码、解帧后存入接收缓冲器，供协调控制模块读取，主要由接收子模块、解码子模块和解帧子模块构成。发送器模块的主要功能是当总线空闲时，将来自协调控制模块的数据进行组帧、编码后发送出去，供相应节点接收；主要由发送子模块、编码子模块和组帧子模块组成。 

并行通信模块主要衔接上位机MCU与接口装置的控制协调单元。该模块将上位机需要发送到总线的数据传输到接口装置的总线控制协调单元或将从总线控制协调单元传输来的数据发送给上位机。并行数据转换模块由三个模块构成：写操作模块、读操作模块（相对于CPU而言）和仲裁模块。总线为5路串行差分数据通道，在与上位机交互的时候共用一套控制线和并行的数据总线、地址总线。写操作模块包括写控制逻辑和发送缓冲区，用于将上位机发来的数据分发给5路串行差分数据通道；读操作模块包括读控制逻辑和接收缓冲区，用于将5路串行差分数据通道发来的数据发送给上位机；协调仲裁模块用于解决读、写操作模块之间的冲突 

控制协调模块根据每条串行差分数据通道不同的自主功能需求分别进行设计，目前控制协调模块根据5路串行差分通道的功能分为5个功能单元：直接指令通道单元 、控制执行通道单元、遥测遥控通道单元、测试通道单元及故障诊断通道单元。其中，测试通道单元和故障诊断通道单元主要是为实现顶层功能而对相关数据进行可靠、有效的收发。直接指令通道控制协调单元包括OC指令执行、OC指令转发至总线及数据转发至上位机；控制执行通道单元，主要完成自主校时、自主守时、接口I/O控制、执行器数据传输以及星上间接指令执行等功能。遥测遥控通道为除完成星上遥控遥测数据传输外，还要配合总线的I/O状态线完成设备的PnP功能。

图3接口装置工作原理：上位机通过并行的地址线和数据线接口将包含帧长度、通道号、帧类型、数据块以及校验和的数据写入控制器的并行通信模块发送缓冲区，写操作模块检测到数据写入完毕后，从发送缓冲器中读取所有数据并进行校验、解码，提取所传数据的通道号，根据提取的通道号，将数据发送到控制器内部相应通道端口上，并告知控制协调模块数据已经准备完毕。控制协调模块对数据类型进行判断，确定数据是直接送往OC端口、IO端口输出，还是送给差分数据通道。送给差分通道的数据经控制协调模块传输给总线通信模块。总线通信模块的组帧子模块根据协议定义的帧结构，将数据加入帧头、帧尾、校验字、目的地址等字节后，组成一帧数据；编码子模块将帧数据转换成需要的编码形式；当总线空闲时，发送子模块将组帧编码完毕的数据转换为串行数据，以一定的速率发送至总线，然后监听解帧模块输出的应答信号，若应答正确，表示该帧数据正常接收，若应答错误或者无应答，表示数据接收错误，重传该帧数据，完成总线的数据传输。 

接口控制器总线通信模块的接收子模块对总线电平进行多倍数采样，将采样到的数据转换为10位并行数据输出，送至解码子模块，解码子模块根据解码原理，将接收的数据进行解码送给解帧子模块，解帧子模块接收数据的同时，按照一定的规则产生校验字，与收到的校验字进行比较，若一致，表示接收正确，否则，接收出错，发出接收错误应答帧。当发送子模块收到接收错误应答帧时，重发该数据帧。解帧子模块将收到的正确数据流进行解析，去掉帧头、帧尾和校验字等，得到需要的数据输出给控制协调模块。 

控制协调模块对总线通信模块送来数据流进行判断，如果是需要转给上位机的通信数据，则将数据送到相应的通道缓冲区，并通知上位机取数据。上位机先从总线控制器的状态寄存器读取通道号，根据通道号依次发出地址数据和控制信号读取接收接收缓冲区里的数据，上位机每接收完一个通道的数据会给接口控制器一个信号（通过写状态寄存器的某一位来实现），各通道检测到该信号后将数据准备好标志信号置高，表示可以开始接收下一帧数据，待一次中断中的所有通道数据均被接收完成后，模块判断通道是否存有数据，有数据的话再次发送给上位机一个中断信号，开始下一次数据的传输，通道没有数据则等待。如果总线通信模块送来的数据是校时数据，则控制协调模块的控制执行通道子单元的校时模块将本机的时间信息更新；如果是设备信息帧，控制协调模块的遥测遥控通道子单元更新本机设备信息库；如果是设备信息请求帧，控制协调模块会将本机信息组帧，发给相应的单机；如果是OC指令帧，则控制协调模块解帧，驱动相应的OC端口输出。如果是状态采集帧，控制协调模块则将接口控制器I/O端口的状态，组帧，送给总线通信模块，输出。如果是模拟量采集帧，则控制协调模块，将模拟量数据组帧送给总线通信模块输出。 

图4实施例与图3的只在模拟量端口的处理方面有差别，图4的实施例接收到模拟量采集帧后，根据帧信息，驱动模拟量切换模块将相关的输入模拟量输出到总线的模拟量通道。 

需要说明的是，上述装置和系统内的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。 

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方案，可以通过硬件也可以通过软件来实施。当使用硬件实施时，可以采用集成电路，可编程逻辑器件等方法实现；当使用软件来实施时，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，通过虚拟的方式，模拟该标准化接口，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁盘或光盘等。 

以上对本发明实施例所提供的一种适用于星载电子设备的标准化接口装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (13)

1.一种适用于星载电子设备的标准化接口,其特征是，包括：

 多种类型的通道，所述通道包含若干个数据通道、若干个数字I/O通道、若干模拟信号通道；

通过所述接口的内部的总线通信模块、并行通信模块、控制协调模块共同工作来对各通道进行管理；

其中，所述总线通信模块，用于实现通信链路层、缓存、物理层、总线以及相应通道之间的数据通信过程；

并行通信模块，用于实现上层数据通道ID的解析以及将总线数据与上位机数据交互；

控制协调模块，用于协调各模块之间的时序关系和逻辑关系。

2.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是：

所述总线通信模块由接收器模块和发送器模块组成；

接收器模块包含由接收子模块、解码子模块和解帧子模块；

所述接收器模块接收总线上传输过来的比特数据流，进行校验、解码、解帧后存入接收缓冲器，供协调控制模块读取；

所述发送器模块包含发送子模块、编码子模块和组帧子模块；

所述发送器模块用于当总线空闲时，将来自协调控制模块的数据进行组帧、编码后发送出去，供相应节点接收。

3.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是：所述并行数据转换模块包括写操作模块、读操作模块和仲裁模块，用于实现接口与上位机的读/写操作，以及协调读/写操作之间的冲突。

4.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是：所述控制协调模块根据若干数据通道不同的自主功能需求分别将各个数据通道设计成对应不同的功能单元，每一个数据通道可以对应一个功能单元，所述功能单元从直接指令通道单元 、控制执行通道单元、遥测遥控通道单元、测试通道单元及故障诊断通道单元中进行选择。

5.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是：所述接口中，所述数据通道可互为备份，并且所述标准化接口进一步包括能通过选通方式进行模拟量采集的模拟通道。

6.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是：各通道具有功能复用特性，可通过简单的配置对各通道的通信特性以及通信内容进行选配。

7.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是：通过所述接口可以组成总线式拓扑网络，也可以组成星型拓扑网络。

8.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是所述接口包括OD（OC）指令端口，可对星载设备进行开关操作。

9.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是所述接口包括IO端口，可对设备的IO状态进行检测。

10.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是所述数据通道和数字I/O通道配合可完成总线设备的即插即用功能。

11.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是所述数据通道和数字I/O通道配合可完成总线设备的校时功能。

12.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是所述接口可对模拟量进行采集、组帧经数据通道传送给相关的设备。

13.根据权利要求1所述的标准化接口，其特征是所述接口可根据相关的帧信息，切换模拟量采集通道，将相关的输入模拟量送至模拟量采集通道。

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