CN104991978B - 一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，同时连接光纤陀螺和SpaceWire设备；数据采集卡包括FPGA和外围电路；FPGA内部包含：数据采集模块，串并数据转换模块，存储模块和SpaceWire目标节点模块；数据采集模块不间断采集光纤陀螺的串行数据，并依次输送给串并数据转换模块，串并数据转换模块的功能为将串行的光纤陀螺数据转换为并行的光纤陀螺数据包，存放至存储模块；存储模块采用FPGA内部生成的双端口异步RAM，当SpaceWire设备需要光纤陀螺数据时，发送RMAP读命令包，经过解析后访问并读取存储模块，采集后SpaceWire目标节点模块将光纤陀螺数据生成RMAP读应答包发送回该SpaceWire设备。优点在于：将RS422接口的光纤陀螺接入至SpaceWire网络，加强了光纤陀螺与SpaceWire网络的应用范围。

Description

一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡

技术领域

本发明属于航天通信技术领域，具体涉及一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡。

背景技术

光纤陀螺作为一种惯性导航的光纤传感器，在现代航天、航空、航海和国防工业中得到了广泛的使用。

SpaceWire是由欧空局在2008提出的一种全新的高速(2Mb/s～400Mb/s)、点对点、全双工串行总线技术，具有很好的电磁兼容特性，同时加强了在线错误检测与恢复、故障处理和保护以及时间广播等方面的功能。SpaceWire作为新一代航天通信总线标准，已经成功在各大航天项目中应用。

常用的光纤陀螺采用标准的RS422接口，无法直接接入到SpaceWire网络中使用。

发明内容

本发明的目的是：克服采用RS422接口的光纤陀螺无法直接应用到SpaceWire航天总线网络的不足，提出了一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡。

该数据采集卡一端连接具有RS422接口的光纤陀螺，另一端通过SpaceWire接口连接SpaceWire设备；采用SpaceWire应用层协议——远程存储访问协议(RMAP)来实现SpaceWire网络中的SpaceWire设备对光纤陀螺数据的采集，数据采集卡不间断实时采集光纤陀螺的数据，等待SpaceWire设备读取。

所述的数据采集卡包括FPGA(Field Programmable Gate Array)和外围电路；

外围电路包括：MAX3491芯片，电源转换芯片组，配置PROM和外部时钟；

MAX3491芯片同时连接光纤陀螺和FPGA；将光纤陀螺的RS422电平信号转换成TTL电平信号输送给FPGA。

电源转换芯片组包括芯片TPS79333、芯片TPS79318和芯片LP503，为数据采集卡供电。

外部时钟采用了20MHz的晶振，产生时钟信号输送给FPGA。

配置PROM采用XCF32PFS48芯片，存放FPGA的配置信息。

FPGA内部包含4个模块：数据采集模块，串并数据转换模块，存储模块和SpaceWire目标节点模块。

数据采集模块采集TTL电平信号，通过数字时钟管理单元DCM(Digital ClockManagers)来实现对外部时钟的变频，数据采集模块通过光纤陀螺的采集频率对光纤陀螺的串行数据进行不间断采集，并依次输送给串并数据转换模块。

串并数据转换模块的功能为将串行的光纤陀螺数据转换为并行的光纤陀螺数据包。串并数据转换模块将串行的二进制数据进行分段，将每一段打成一个光纤陀螺数据包。当光纤陀螺数据包完成后，串并数据转换模块将存储模块写使能信号“WR_EN”置“1”，同时将该段光纤陀螺数据包存放至存储模块，开始采集下一段光纤陀螺数据。

存储模块采用FPGA内部生成的异步双端口RAM，当写使能信号“WR_EN”置“1”时，光纤陀螺数据包会通过“写数据”通道进入异步双端口RAM中，当前地址数据写满后，地址会自动加1，直到将光纤陀螺数据包全部写入至异步双端口RAM，存储模块继续等待下一个光纤陀螺数据包，当下一段完整的光纤陀螺数据包写入后，覆盖掉之前的光纤陀螺数据包。

当某个SpaceWire设备需要当前的光纤陀螺数据时，给SpaceWire目标节点模块发送RMAP读命令包，经过SpaceWire目标节点模块解析后，将存储模块读使能信号“RD_EN”置“1”，SpaceWire目标节点模块访问存储模块，读取存储模块中的光纤陀螺数据包，通过“读数据”通道将光纤陀螺数据包传输给SpaceWire目标节点模块。采集完光纤陀螺数据包后，SpaceWire目标节点模块生成RMAP读应答包发送回该SpaceWire设备。

一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡的数据采集方法具体为：

步骤一、光纤陀螺通过RS422接口发送RS422电平信号至MAX3491芯片；

RS422电平信号是基于RS422接口电平标准的串行光纤陀螺数据信号；

步骤二、MAX3491芯片将RS422电平信号转换为基于TTL电平标准的串行光纤陀螺数据信号，并发送至FPGA；

步骤三、FPGA内的数据采集模块采集串行光纤陀螺数据信号，并发送给串并数据转换模块；

步骤四、串并数据转换模块将采集到的串行光纤陀螺数据转换为并行的光纤陀螺数据包，并发送至存储模块中；

串并数据转换模块将串行的二进制数据进行分段，将每一段打成一个光纤陀螺数据包，当串并数据转换模块收到光纤陀螺数据包中的一个二进制数据时，会将该二进制数据赋值至对应的输出bit位。当该段光纤陀螺数据包完成后，串并数据转换模块将存储模块写使能信号“WR_EN”置“1”，使得存储模块允许串并数据转换模块将当前段的光纤陀螺数据包写入至存储模块中。

步骤五、存储模块对光纤陀螺数据包进行存储；

存储模块将光纤陀螺数据包存放在异步双端口RAM中，当新的光纤陀螺数据包到来时，覆盖之前的光纤陀螺数据包，保证光纤陀螺数据包的实时性；

步骤六、SpaceWire目标节点模块读取存储模块中的光纤陀螺数据包，并发送给SpaceWire设备；

某SpaceWire设备通过发送RMAP读命令包读取光纤陀螺数据包，数据采集卡将光纤陀螺数据包嵌入至RMAP读应答包发送回该SpaceWire设备。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)、本发明一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，可以将RS422接口的光纤陀螺接入至SpaceWire网络，加强了光纤陀螺与SpaceWire网络的应用范围。

(2)、本发明一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，只需要SpaceWire设备内含有RMAP发起节点IP核就可得到光纤陀螺数据包，因此对SpaceWire设备的硬件要求相对较低。

附图说明

图1为本发明一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡的整体结构示意图。

图2为本发明数据采集卡中FPGA内部逻辑结构示意图。

图3为本发明数据采集卡中存储模块结构示意图。

图4为本发明一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡的方法流程图。

1-FPGA；2-MAX3491芯片；3-外部时钟；4-电源转换芯片组；5-配置PROM；

101-数据采集模块；102-串并数据转换模块；103-存储模块；104-SpaceWire目标节点模块；105-异步双端口RAM；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，一端连接RS422接口的光纤陀螺，另一端连接SpaceWire设备；通过RS422接口连接光纤陀螺并采集光纤陀螺的数据，经过数据采集卡内部FPGA处理，通过SpaceWire接口输送给SpaceWire网络中的设备；该SpaceWire接口为外部接口，采用SpaceWire应用层协议——远程存储访问协议(RMAP)来实现SpaceWire网络中的上层控制节点对基于RS422接口的光纤陀螺数据的采集。

数据采集卡不间断实时采集光纤陀螺的数据，等待SpaceWire设备读取。

该数据采集卡同时连接外部5V的直流电压源为数据采集卡与光纤陀螺供电，同时将光纤陀螺复位。

数据采集卡如图1所示，包括FPGA1(Field Programmable Gate Array)和外围电路；

外围电路包括：MAX3491芯片2，电源转换芯片组4，配置PROM5和外部时钟3；

MAX3491芯片2通过RS422接口连接光纤陀螺，同时连接FPGA1；光纤陀螺的电平信号通过RS422接口传输给MAX349芯片2，MAX349芯片2进行RS422电平信号与TTL电平信号的转换，转换为TTL电平信号输送给FPGA1。

电源转换芯片组4包括芯片TPS79333、芯片TPS79318和芯片LP503，分别为数据采集卡内的芯片供电。具体为：芯片TPS79333为FPGA1、配置PROM5、外部时钟3和MAX3491芯片2提供3.3V的直流电压，芯片TPS79318为FPGA1提供1.8V的直流电压，芯片LP503为FPGA1提供1.0V的直流电压。

外部时钟3采用了20MHz的晶振，产生时钟信号输送给FPGA1。

配置PROM5采用XCF32PFS48芯片，内部存放着FPGA1的配置信息，上电后将内部的存放的配置信息写入至FPGA1中。

FPGA1选用Xilinx系列的FPGA-XC5LX50T，如图2所示，内部包含4个模块：数据采集模块101，串并数据转换模块102，存储模块103和SpaceWire目标节点模块104。

数据采集模块101采集MAX3491芯片3输送的TTL电平信号，通过FPGA1内部IP资源——数字时钟管理单元DCM(Digital Clock Managers)来实现对外部时钟的变频，即20MHz的晶振产生的时钟信号通过DCM产生与光纤陀螺采集频率相同的时钟信号，并将该时钟信号传输给数据采集模块。光纤陀螺信号的发送速度为115200bps，因此光纤陀螺数据采集频率为115200Hz。数据采集模块101按照光纤陀螺的采集频率进行采集。采集的光纤陀螺数据为连续的串行二进制数据，数据采集模块101通过光纤陀螺的采集频率对光纤陀螺中的串行数据进行不间断采集，并不间断依次输送给串并数据转换模块102。

串并数据转换模块102的功能为将串行的光纤陀螺数据转换为并行的光纤陀螺数据包。串并数据转换模块102将串行的二进制数据进行分段，本发明采用80位二进制数据为一段，每一段二进制数据依次用比特位bit0-bit79表示，将每一段打成一个光纤陀螺数据包，当串并数据转换模块102收到光纤陀螺数据包中的一个二进制数据时，会将该二进制数据赋值至对应的输出bit位。当收到当前段光纤陀螺数据包的最后一个二进制数据后，该段光纤陀螺数据包完成。

当光纤陀螺数据包完成后，串并数据转换模块102将存储模块写使能信号“WR_EN”置“1”，串并数据转换模块102将该段光纤陀螺数据包写入至存储模块103；同时开始采集下一段光纤陀螺数据，当下一个光纤陀螺数据包中第一个二进制数据到来时，串并数据转换模块102将存储模块103的写使能信号“WR_EN”信号置“0”，使得光纤陀螺数据包无法写入至存储模块103。

存储模块103采用FPGA1内部生成的异步双端口RAM105，其结构如图3所示。当写使能信号“WR_EN”置“1”时，光纤陀螺数据包会通过“写数据”通道进入异步双端口RAM105中，“写地址”的起始地址为0x00，由于光纤陀螺数据包是一个80位的二进制数据包，而异步双端口RAM105在一个输入时钟内只可以写入32位数据，因此，将一个光纤陀螺数据包写入至异步双端口RAM105中需要占用3个输入时钟周期，即光纤陀螺数据包会占用异步双端口RAM105中地址为0x00、0x01、0x02的存储空间。当前地址数据写满后，地址会自动加1，直到将光纤陀螺数据包全部写入至异步双端口RAM105。

光纤陀螺数据包写入存储模块103后，继续等待串并数据转换模块102输出下一个光纤陀螺数据包并写入，当下一段完整的光纤陀螺数据包写入后，直接覆盖掉之前的光纤陀螺数据包，保证光纤陀螺数据的实时性。

存储模块103的“写时钟”直接采用20MHz外部时钟，“读时钟”与存储模块103连接的SpaceWire目标节点模块104的系统时钟相同，均为10MHz。

SpaceWire目标节点模块104采用了商业化的RMAP目标节点IP核，具有如下功能：解析RMAP读命令包和组合RMAP读应答包。

SpaceWire网络中某个SpaceWire设备定义为RMAP发起节点，当RMAP发起节点需要当前的光纤陀螺数据时，向数据采集卡发送RMAP读命令包进行访问，数据采集卡视为RMAP的目标节点，异步双端口RAM105视为RMAP目标节点中的存储器，光纤陀螺数据包视为RMAP目标节点中的存储器数据。

RMAP读命令包通过SpaceWire接口进入SpaceWire目标节点模块104中后，SpaceWire目标节点模块104解析读命令包中的信息，信息包含了访问的存储单元的地址，需要访问的数据长度等。SpaceWire目标节点模块104解析该读命令包后，将存储模块读使能信号“RD_EN”置“1”，通过“读地址”通道访问存储模块103，读取存储模块103中的光纤陀螺数据包。

通过“读数据”通道将光纤陀螺数据包传输给SpaceWire目标节点模块104，采集完光纤陀螺数据包后，SpaceWire目标节点模块104通过SpaceWire接口将该光纤陀螺数据包与其它必要信息组合为RMAP读应答包，并发送回RMAP发起节点，RMAP发起节点通过解析RMAP读应答包中的数据得到光纤陀螺的数据包，实现SpaceWire网络上层控制节点对基于RS422接口的光纤陀螺数据的采集。

一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，按照光纤陀螺所要求的采集频率将光纤陀螺数据采集至FPGA内置存储器中，并且通过串并转换单元将串行的光纤陀螺数据转换为并行的光纤陀螺数据包。同时采用SpaceWire应用层协议——远程存储访问协议(RMAP)来实现SpaceWire网络中的其他设备来对光纤陀螺数据的采集。

一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡的数据采集方法，如图4所示，具体为：

步骤一、光纤陀螺通过RS422接口发送RS422电平信号至MAX3491芯片；

RS422电平信号是基于RS422接口电平标准的串行光纤陀螺数据信号；

步骤二、MAX3491芯片将RS422电平信号转换为基于TTL电平标准的串行光纤陀螺数据信号，并发送至FPGA；

步骤三、FPGA内的数据采集模块采集串行光纤陀螺数据信号，并发送给串并数据转换模块；

FPGA1内的数据采集模块101首先按照115200Hz的采集频率对输入至FPGA的串行光纤陀螺数据采集信号进行采集，并将采集到的信号发送至串并数据转换模块102；

步骤四、串并数据转换模块将采集到的串行光纤陀螺数据转换为并行的光纤陀螺数据包，并发送至存储模块中；

串并数据转换模块102将串行的二进制数据进行分段，本发明采用80位二进制数据为一段，每一段二进制数据依次用比特位bit0-bit79表示，将每一段打成一个光纤陀螺数据包，当串并数据转换模块102收到光纤陀螺数据包中的一个二进制数据时，会将该二进制数据赋值至对应的输出bit位。例如，当串并数据转换模块102收到了当前段光纤陀螺数据包的第一位数据“1”时，将bit0输出“1”，当收到第二位数据“0”时，将bit1输出“0”。依次类推，当收到当前段光纤陀螺数据包的最后一个二进制数据后，该段光纤陀螺数据包完成，当光线陀螺数据包完成后，串并数据转换模块102将存储模块写使能信号“WR_EN”置“1”，使得存储模块103允许串并数据模块102将当前段的光纤陀螺数据包写入至存储模块103中。

步骤五、存储模块对光纤陀螺数据包进行存储；

存储模块103将光纤陀螺数据包存放在异步双端口RAM105中，当新的光纤陀螺数据包到来时，会覆盖之前的光纤陀螺数据包，保证光纤陀螺数据包的实时性；

步骤六、SpaceWire目标节点模块读取存储模块中的光纤陀螺数据包，并发送给SpaceWire设备；

某SpaceWire设备通过发送RMAP读命令包读取光纤陀螺数据包，数据采集卡将光纤陀螺数据包嵌入至RMAP读应答包发送回该SpaceWire设备。

具体为：SpaceWire网络中某个SpaceWire设备定义为RMAP发起节点，当RMAP发起节点需要当前的光纤陀螺数据时，向数据采集卡发送RMAP读命令包进行访问，RMAP读命令包进入SpaceWire目标节点模块104中后，SpaceWire目标节点模块104解析读命令包中的信息后，将存储模块103读使能信号“RD_EN”置“1”发送给存储模块103，读取存储模块103中的光纤陀螺数据包。

采集完光纤陀螺数据包后，SpaceWire目标节点模块104将该光纤陀螺数据包与其它必要信息组合为RMAP读应答包发送回RMAP发起节点，RMAP发起节点通过解析RMAP读应答包中得到光纤陀螺的数据包。

一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡的具体方法，分为两个阶段：数据采集阶段和数据发送阶段；通过对基于RS422接口的光纤陀螺串行数据进行采集，并将其转换为一段完整的光纤陀螺数据包，然后发送至SpaceWire网络中需要该数据的设备，克服了采用RS422接口的光纤陀螺无法直接应用到SpaceWire航天总线网络的不足，实现了基于RS422接口的光纤陀螺在SpaceWire总线应用时的实时数据采集卡。

Claims (7)

1.一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，一端连接具有RS422接口的光纤陀螺，另一端通过SpaceWire接口连接SpaceWire设备；数据采集卡不间断实时采集光纤陀螺的数据，等待SpaceWire设备读取；其特征在于：所述的数据采集卡包括FPGA和外围电路；所述的外围电路包括：MAX3491芯片，电源转换芯片组，配置PROM和外部时钟；

所述的MAX3491芯片同时连接光纤陀螺和FPGA；将光纤陀螺的RS422电平信号转换成TTL电平信号输送给FPGA；

FPGA内部包含4个模块：数据采集模块，串并数据转换模块，存储模块和SpaceWire目标节点模块；

数据采集模块采集TTL电平信号，通过数字时钟管理单元DCM来实现对外部时钟的变频，数据采集模块通过光纤陀螺的采集频率对光纤陀螺的串行数据进行不间断采集，并不间断依次输送给串并数据转换模块；

串并数据转换模块的功能为将串行的光纤陀螺数据转换为并行的光纤陀螺数据包；串并数据转换模块将串行的二进制数据进行分段，将每一段打成一个光纤陀螺数据包；当光纤陀螺数据包完成后，串并数据转换模块将存储模块的写使能信号“WR_EN”置“1”，同时将该段光纤陀螺数据包存放至存储模块，开始采集下一段光纤陀螺数据；

存储模块采用FPGA内部生成的异步双端口RAM，当写使能信号“WR_EN”置“1”时，光纤陀螺数据包会通过“写数据”通道进入异步双端口RAM中，当前地址数据写满后，地址会自动加1，直到将光纤陀螺数据包全部写入至异步双端口RAM，存储模块继续等待下一个光纤陀螺数据包，当下一段完整的光纤陀螺数据包写入后，覆盖掉之前的光纤陀螺数据包；

当某个SpaceWire设备需要当前的光纤陀螺数据时，给SpaceWire目标节点模块发送RMAP读命令包，经过SpaceWire目标节点模块解析后，将存储模块读使能信号“RD_EN”置“1”，SpaceWire目标节点模块访问存储模块，读取存储模块中的光纤陀螺数据包，通过“读数据”通道将光纤陀螺数据包传输给SpaceWire目标节点模块；采集完光纤陀螺数据包后，SpaceWire目标节点模块生成RMAP读应答包发送回该SpaceWire设备。

2.如权利要求1所述的一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，其特征在于，所述的SpaceWire设备对光纤陀螺数据的采集采用SpaceWire应用层协议——远程存储访问协议(RMAP)实现。

3.如权利要求1所述的一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，其特征在于，所述的电源转换芯片组包括芯片TPS79333、芯片TPS79318和芯片LP503，为数据采集卡供电；

所述的外部时钟采用了20MHz的晶振，产生时钟信号输送给FPGA；

所述的配置PROM采用XCF32PFS48芯片，存放FPGA的配置信息。

4.如权利要求1所述的一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，其特征在于，所述的数据采集模块采集TTL电平信号具体为：通过FPGA内部IP资源——数字时钟管理单元DCM来实现对外部时钟的变频，也就是20MHz的晶振产生的时钟信号通过DCM产生与光纤陀螺采集频率相同的时钟信号，并将该时钟信号传输给数据采集模块，数据采集模块按照光纤陀螺的采集频率进行采集；采集的光纤陀螺数据为连续的串行二进制数据。

5.如权利要求1所述的一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，其特征在于，所述的串并数据转换模块具体为：该模块将串行的二进制数据分段，每80位为一段，每一段依次用比特位bit0-bit79打成一个光纤陀螺数据包，当串并数据转换模块收到光纤陀螺数据包中的一个二进制数据时，将该二进制数据赋值至对应的输出比特位；

当光纤陀螺数据包完成后，串并数据转换模块将存储模块写使能信号“WR_EN”置“1”，串并数据转换模块将该段光纤陀螺数据包存放至存储模块，允许存储模块读取当前段的光纤陀螺数据包；同时开始采集下一段光纤陀螺数据，当下一个光纤陀螺数据包中第一个二进制数据到来时，将存储模块写使能信号“WR_EN”信号置“0”，禁止存储模块采集数据。

6.如权利要求1所述的一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡，其特征在于，所述的SpaceWire目标节点模块采用RMAP目标节点IP核，分为两部分：解析RMAP读命令包和组合RMAP读应答包。

7.基于权利要求1所述的一种基于SpaceWire接口的光纤陀螺实时数据采集卡的数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、光纤陀螺通过RS422接口发送RS422电平信号至MAX3491芯片；

步骤二、MAX3491芯片将RS422电平信号转换为基于TTL电平标准的串行光纤陀螺数据信号，并发送至FPGA；

步骤三、FPGA内的数据采集模块采集串行光纤陀螺数据信号，并发送给串并数据转换模块；

通过数字时钟管理单元DCM来实现对外部时钟的变频，数据采集模块通过光纤陀螺的采集频率对光纤陀螺的串行数据进行不间断采集，并不间断依次输送给串并数据转换模块；

步骤四、串并数据转换模块将采集到的串行光纤陀螺数据转换为并行的光纤陀螺数据包，并发送至存储模块中；

串并数据转换模块将串行的二进制数据进行分段，将每一段打成一个光纤陀螺数据包；当光纤陀螺数据包完成后，串并数据转换模块将存储模块写使能信号“WR_EN”置“1”，同时将该段光纤陀螺数据包存放至存储模块，开始采集下一段光纤陀螺数据；

步骤五、存储模块对光纤陀螺数据包进行存储；

存储模块将光纤陀螺数据包存放在异步双端口RAM中，当新的光纤陀螺数据包到来时，覆盖之前的光纤陀螺数据包，保证光纤陀螺数据包的实时性；

步骤六、SpaceWire目标节点模块读取存储模块中的光纤陀螺数据包，并发送给SpaceWire设备；

当某个SpaceWire设备需要当前的光纤陀螺数据时，给SpaceWire目标节点模块发送RMAP读命令包，经过解析后将存储模块读使能信号“RD_EN”置“1”，SpaceWire目标节点模块访问并读取存储模块中的光纤陀螺数据包，通过“读数据”通道传输光纤陀螺数据包；采集完后，SpaceWire目标节点模块将光纤陀螺数据包生成RMAP读应答包发送回该SpaceWire设备。