CN109063339A - 数字航天器部件级嵌入式仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字航天器部件级嵌入式仿真系统，包括上位机，以及依次与上位机相连接的管理箱和若干个设备箱；上位机内安装有嵌入式仿真平台、飞行环境模拟模块、同步管理模块、自动部署模块；管理箱包括通信模块、以及与所述通信模块连接的上位机指令响应模块和同步模块；设备箱内插接有同步板和若干仿真板卡；仿真板卡用于接收并运行仿真程序。本发明克服现有技术的不足，引入了嵌入式仿真环境，对真实电信接口进行仿真分析，实现了对数字航天器部件级嵌入式配置仿真。

Description

数字航天器部件级嵌入式仿真系统

技术领域

本发明涉及航天器仿真技术领域，更具体的说是涉及一种数字航天器部件级嵌入式仿真系统。

背景技术

目前工程设计、研发、测试过程中利用数字世界进行仿真验证的比例大大提升，航天器实物测试成本高，数字航天器的作用更加明显。数字仿真有效性取决于是数字航天器和环境模型的精度，为了达到与真实一致的仿真结果，数字航天器的设计精度需要达到部件级，环境包括了机电热光磁多方面因素的耦合，这就造成了数字航天器开发工作量大，仿真部件多。

纯数字化仿真对于部件电信接口的仿真支持不足，仿真中的部件电信故障复现能力有限，因此，引入了嵌入式仿真环境，对真实电信接口进行仿真分析。但多块仿真板卡仿真同时引入了分布式仿真的问题。

因此，如何提供一种具有航天器部件级真实电信接口仿真环境的数字航天器部件级嵌入式仿真系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种数字航天器部件级嵌入式仿真系统，本发明克服现有技术的不足，引入了嵌入式仿真环境，对真实电信接口进行仿真分析，实现了对数字航天器部件级嵌入式配置仿真。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数字航天器部件级嵌入式仿真系统，包括上位机，以及依次与上位机相连接的管理箱和若干个设备箱；

所述上位机内安装有嵌入式仿真平台、飞行环境模拟模块、同步管理模块、自动部署模块；其中，所述嵌入式仿真平台通过所述飞行环境模拟模块与设备箱进行仿真数据的交互；所述同步管理模块通过外部接口向所述嵌入式仿真平台输入同步信号，并与所述管理箱进行同步信号的交互；所述自动部署模块用于对所述管理箱和设备箱进行电源的控制，以及通过外部接口完成仿真程序的烧写，并选通管理箱完成仿真程序到管理箱的下载；

所述管理箱包括通信模块、以及与所述通信模块连接的上位机指令响应模块和同步模块；其中，所述通信模块的输入接口与所述上位机相连，输出接口与所述设备箱相连，完成所述嵌入式仿真平台控制指令发布和系统状态信号的传递；所述上位机指令响应模块通过所述通信模块接收并响应所述嵌入式仿真平台的控制指令；所述同步模块通过所述通信模块接收每个所述设备箱的同步信号，并发送至所述同步管理模块；

所述设备箱内插接有同步板和若干仿真板卡；所述同步板用于向所述通信模块发送所有所述仿真板卡的同步信号；所述仿真板卡用于运行仿真程序，并且若干所述仿真板卡之间、以及所述仿真板卡与飞行环境模拟模块之间进行仿真数据的交互。

优选的，所述上位机还包括用户交互模块，通过外部接口完成控制信号发送和系统状态采集的交互界面控制。

优选的，所述嵌入式仿真平台向所述自动部署模块发送电源控制信号和下载选通信号；所述上位机指令响应模块通过所述通信模块接收并响应所述自动部署模块的电源控制信号和下载选通信号。

优选的，所述管理箱还包括电源控制模块和下载选通模块，所述电源控制模块接收所述上位机指令响应模块的电源控制信号，并控制每个设备箱电源的接通或断开；

所述下载选通模块接收所述上位机指令响应模块的下载选通信号，并选通一个设备箱完成仿真程序的下载。

优选的，所述同步模块汇总所有所述仿真板卡的同步信号，当所有所述设备箱同步后，发送一个完成同步的信号到所述同步管理模块，与所述嵌入式仿真平台进行同步信号的交互，在所述嵌入式仿真平台完成同步判别并返回执行下一步的指令，将指令转发到所有所述设备箱中。

优选的，所述管理箱还包括供电模块，所述供电模块与各设备箱相连，完成220V交流电到直流电的电压转换，为管理箱和设备箱供电。

优选的，所述设备箱还包括线路转接板、设备箱接口板和背板，所述线路转接板通过所述背板与所述仿真板卡连接，用于对所述仿真板卡的标准信号输出接口的转换，并转接其他所述线路转接板或上位机，所述线路转接板与所述仿真板卡一一对应，设备箱接口板也插接在所述背板上，所述线路转接板和所述仿真板卡均通过所述设备箱接口板与所述通信设备进行通信。

优选的，所述仿真板卡包括输入输出驱动模块、管理箱指令响应模块、电源模块、下载模块、仿真模块、调试模块；其中，

所述管理箱指令响应模块用于接收所述自动部署模块的电源控制信号，并发送至所述电源模块；以及接收所述下载选通模块的下载选通信号，并发送至下载模块；

所述电源模块用于完成所述管理箱供电模块输出的直流电到仿真板卡各芯片供电电压的转换；完成数模隔离；以及接收所述管理箱指令响应模块的电源控制信号，并控制对应所述仿真板卡的电源的接通或断开；

所述下载模块用于接收所述管理箱指令响应模块的下载选通信号，并选通一个仿真板卡完成仿真程序的下载并烧录；

所述仿真模块用于运行所述仿真程序，并通过所述输入输出驱动模块与所述飞行环境模拟模块或其他所述仿真板卡的输入输出驱动模块进行仿真数据的交互；

所述输入输出驱动模块按照星上的输入输出方式接收或发送仿真信号，传输的数据格式与航天器上部件间的通信格式完全一致；并且提供了与真实航天器电信接口一致的电路驱动接口，包括CAN、UART、1553B、PWM、AD/DA、DIDO；

所述调试模块用于对所述仿真模块的程序进行在线调试，所述调试模块传输方式包括3种：与所述下载模块复用接口；与所述输入输出驱动模块复用接口；使用独立的接口。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种数字航天器部件级嵌入式仿真系统，通过仿真板卡实现了数字航天器的部件级仿真，通过引入嵌入式仿真环境，对真实的电信接口进行仿真，利用管理箱实现了集中式仿真，利用设备箱中的仿真板卡实现了分布式仿真，解决了纯数字化仿真对于部件级电信接口的仿真支持不足的问题，可对部件的电信级能力进行评估，为部件级电信级故障复现提供平台，可将嵌入式仿真板卡更换成真实部件完成对真实部件的地面测试。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明实施例提供的数字航天器部件级嵌入式仿真系统组织框架图；

图2附图为本发明实施例提供的设备箱的结构示意图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种数字航天器部件级嵌入式仿真系统，从数字航天器的结构出发，以部件级为仿真粒度，首先确定数字航天器部件对应的仿真板卡，再向上推理出箱级和柜级装配方案、向下推理出各仿真板卡上的电信接口配置方案。

柜级装配方案。在一个机柜中包含一台上位机200、一个管理箱210、多个设备箱220、一台交换机230。

上位机200作用是进行数字航天器的飞行环境模拟、同步管理、发布控制指令、显示系统状态以及仿真程序的自动部署。

飞行环境模拟模块，需要外部接口与嵌入式仿真平台相连。环境不属于航天器部件，并且计算资源占用大，因此考虑在上位机200上完成，保证了仿真速率。在一个具体案例中，采用CAN总线连接所有与真实航天器敏感器对应的仿真板卡320。

同步管理模块，需要外部接口与嵌入式仿真平台进行同步信号交互。由于晶振、计算速度存在细微的差别，每个ARM仿真板卡320的仿真速度都有微小的区别，随着仿真时间的增加，误差越来越大，因此需要对必要的ARM仿真板卡320进行同步管理，保证仿真速率一致。环境的变化对仿真精度的影响很大，因此上位机200作为环境模拟器需要与其他ARM仿真板卡320进行同步。在一个具体案例中，提供了两套同步管理方案，方案一中，上位机200只和管理箱210同步模块连接，由同步管理板323和管理箱210同步模块逐级完成ARM仿真板320的同步信号汇总，这个方案的优点在于ARM仿真板卡320与同步管理板323以及同步管理板323与管理箱210同步模块间的同步信号采用电平传输，速度快，但信号单一；第二套方案中将所有ARM仿真板320和上位机200连接到交换机230上。

用户交互模块，需要外部接口完成控制信号发送和系统状态采集。除了仿真以外，上位机200有良好的交互性，用户可以在上位机200上选择整个嵌入式仿真系统的控制指令并进行发布。同时，上位机200也可以获取并显示嵌入式仿真系统当前的状态。在一个具体案例中，采用C#完成交互界面程序开发，采用两路USB接口，分别完成指令发送和状态采集。

自动部署模块，自动部署模块用于对设备箱220、仿真板卡320进行电源的控制部署，以及管理箱到仿真板卡320的下载通道选通。需要外部接口完成仿真程序的烧写，每次选通一个仿真板卡320路径并进行仿真程序的下载，通过自动化部署，减少人的工作量，避免人操作的失误，保证了部署正确性。在一个具体案例中，自动部署模块具有部署配置界面，程序部署采用USB-JLINK下载器完成。

管理箱210作用是与上位机200通信、上位机200指令响应、为所有设备箱220供电、控制设备箱220电源开关、控制仿真程序下载通道选通、同步管理。

具有总线功能的通信模块。上位机200的接口有限，因此除了仅在管理箱210上设置了通信模块与上位机200相连，并将信号转换为电源控制信号和下载选通信号，连接到所有的设备箱220，完成上位机200的控制指令发布和系统状态接收显示。在一个具体案例中，将上位机200的USB信号转换成RS485总线形式，分为两路。一路为控制485总线，连接管理箱210中的上位机指令响应模块和仿真板卡320中的管理箱指令响应模块，负责发送控制指令；一路为调试485总线，连接仿真板卡320中的调试模块，负责收集各电路板仿真状态。

供电模块。将220V市电转换为设备箱220所需的仿真电平，并将电源供到每一个设备箱220中。在一个具体案例中，采用成品开关电源，将220V转换成12V直流电，传输到每个设备箱220中。

上位机指令响应模块。接收并响应上位机200控制指令，所述控制指令从嵌入式仿真平台发出，配合电源控制模块和下载选通模块完成相应功能。在一个具体案例中，采用AVR单片机接收控制485总线的控制指令，并将指令转换成控制信号。上位机210的自动部署模块输出电源控制信号指令包至上位机指令响应模块，电源控制信号指令包以差分信号的传输方式输入至电源控制信号指令；上位机指令响应模块接收到差分信号后先还原为控制信号指令包，利用包内容判别包指向的设备箱220，并向所属设备箱220的电源模块发送实际控制信号。上位机指令响应模块向下载通道选通控制模块发送JTAG下载信号选通指令，JTAG下载信号选通指令包括设备箱ID信息，下载通道选通控制模块选通对应设备箱ID信息的设备箱下载线路，实现所述设备箱下载线路的信号使能。完成JTAG下载链路选通后，通过JTAG下载器发送下载信号，在下载信号传递到设备箱220的过程中进行差分处理。

管理箱210具备电源控制模块，接收上位机指令响应模块的电源控制信号，并控制每个设备箱220电源接通或断开。在一个具体案例中，采用CPLD控制逻辑电路接收AVR单片机输出的控制信号，将其转换成高低电压，控制继电器闭合和断开，进而控制设备箱220电源的通断。

下载选通模块。将上位机200的一路下载信号连接到仿真板卡320中，通过选通完成一个仿真板卡320的仿真程序下载。在一个具体案例中，采用CPLD控制逻辑电路接收AVR单片机输出的控制信号，通过内部阵列接通JLINK信号到设备箱220的通断。

同步管理模块。可以汇总所有仿真板卡320的同步信号，具备和上位机200同步信号交互的能力。在一个具体案例中，针对所属的同步管理方案一有效，利用CPLD控制逻辑电路收集来自每个设备箱220的同步信号，当所有设备箱220同步后，发送一个控制箱210完成同步的信号到上位机200，在上位机200完成同步判别并返回执行下一步的指令，将该指令转发到所有设备箱220中。

设备箱220核心功能是完成仿真，还有同步功能、指令相应功能等。设备箱220中共有5类板卡，ARM仿真板卡320、线路转接板321、背板322、同步管理板323、设备箱接口板324。

ARM仿真板卡320负责完成数字航天器的部件级仿真，包含电源模块、仿真模块、输入输出驱动模块、指令响应模块、下载模块、调试模块。

电源模块负责为设备箱220中的ARM仿真板卡320提供电源，接收管理箱210的电源控制模块的电源控制信号，并将管理箱210提供的电压转换成实际芯片工作电压，并完成数字和模拟信号电源和地之间的隔离。在一个具体案例中，提供了12V电源、-12V电源、5V电源、-5V电源、3.3V电源。

仿真模块负责运行数字航天器仿真程序，为仿真板核心模块,该模块还包括了仿真芯片晶振、去偶电容。在一个具体具体案例中，采用了STM32F417芯片，晶振选择25MHz。

输入输出驱动模块，提供给了真实的电信接口，这些电信接口根据航天器上真实电信接口进行设计，包括UART、CAN、DIDO、PWM、1553B、AD/DA等。在一个实施案例中，提供了6路UART、2路CAN、16路DIDO、16路PWM、1路DA、8路AD，其中UART具有RS232、RS422可选。

管理箱指令响应模块，响应来自管理箱210和上位机200的控制指令，包括电源控制信号和下载选通信号。管理箱指令响应模块接收到上位机200的自动部署模块发送的电源控制信号指令后进行解包，得到包内容，利用包ID判别所述包类型是否为ARM仿真板卡320能够处理的指令，再利用包内容判别包所属ARM仿真板卡320，并由所属ARM仿真板卡320向电源模块发送实际控制信号。控制差分信号还原成JTAG下载信号选通指令；下载信号选通指令包括ARM仿真板卡320ID信息。差分信号还原是将机箱间传输的差分控制信号还原成原始的控制指令信号，再对该信号进行处理，完成指令的识别和解析，最终根据指令需求做出响应，驱动其他模块，通过使能、逻辑变换等手段完成指令的执行。在一个具体实施案例中，采用SN65LBC184D进行差分信号还原，利用AVR芯片解析控制指令，指令驱动部分与驱动模块相关。

下载模块，连接JTAG下载器，完成对仿真模块的程序下载，具有可控性，能够对下载连接的通断性进行选择，包括差分信号还原、下载选通。差分信号还原是将机箱间传输的差分下载信号还原成原始的JTAG下载信号，通过选通决定该信号能否作用于此ARM仿真板卡320。在一个具体实施案例中，采用DS26LV31和DS26LV32完成差分信号还原和下载选通，其中选通通过芯片使能实现。

调试模块，在上述具体实施案例中，调试包括JTAG调试、SW调试和串口调试，JTAG调试和下载模块复用，SW调试直接从仿真芯片引出到接插件输出，串口调试通过MAX3222进行串口电平转换后输出。

线路转接板321主要负责ARM仿真板320的信号输出，线路转接板321、ARM仿真板320均采用标准接口与背板322连接，线路转接板321的对外输出接口根据用户需求进行调整，避免输出接口调整导致线路转接板321重做，达到减少加工成本，并提高了调试效率。

背板322主要负责连接设备箱220中的所有ARM仿真板卡320和线路转接板321，ARM仿真板320和线路转接板321一一对应，同时ARM仿真板320中的电源信号、电源控制信号、下载选通信号通过背板322进行通信，CAN总线通过背板322进行固定。

同步管理板323通过背板322连接设备箱220中的所有ARM仿真板卡320仿真信号的同步管理，汇总各ARM仿真板卡320的同步信号，并上报管理箱210的同步模块，接收管理箱210的同步模块继续执行指令后转发给所有ARM仿真板320。在一个具体实施案例中，采用CPLD完成同步信号的汇总和分发，采用AVR接收上位机200指令，配置本机箱内需要同步的板卡。

设备箱接口板324通过背板322向ARM仿真板320传递电源信号、电源控制信号、下载选通信号，同时为整个设备箱220中的CAN总线提供了接口，可与其他设备箱220或上位机200连接。设备箱接口板324与管理箱210的上位机指令响应模块、供电模块、下载选通模块、同步模块进行连接。设备箱接口板324中的CAN总线接口根据实际航天器结构与其他设备箱220和上位机200的飞行环境模拟模块连接。

交换机230主要实现机柜中所有ARM仿真板320的网口模块和上位机200的互联。交换机230连接ARM仿真板320的网口模块和上位机200。在一个具体实施案例中，利用交换机230实现ARM仿真板320和上位机200的互联，交换同步信号，完成仿真板卡320和上位机200的仿真同步控制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种数字航天器部件级嵌入式仿真系统，其特征在于，包括上位机，以及依次与上位机相连接的管理箱和若干个设备箱；

所述上位机内安装有嵌入式仿真平台、飞行环境模拟模块、同步管理模块、自动部署模块；其中，所述嵌入式仿真平台通过所述飞行环境模拟模块与设备箱进行仿真数据的交互；所述同步管理模块通过外部接口向所述嵌入式仿真平台输入同步信号，并与所述管理箱进行同步信号的交互；所述自动部署模块用于对所述管理箱和设备箱进行电源的控制，以及通过外部接口完成仿真程序的烧写，并选通管理箱完成仿真程序到管理箱的下载；

所述管理箱包括通信模块、以及与所述通信模块连接的上位机指令响应模块和同步模块；其中，所述通信模块的输入接口与所述上位机相连，输出接口与所述设备箱相连，完成所述嵌入式仿真平台控制指令发布和系统状态信号的传递；所述上位机指令响应模块通过所述通信模块接收并响应所述嵌入式仿真平台的控制指令；所述同步模块通过所述通信模块接收每个所述设备箱的同步信号，并发送至所述同步管理模块；

所述设备箱内插接有同步板和若干仿真板卡；所述同步板用于向所述通信模块发送所有所述仿真板卡的同步信号；所述仿真板卡用于运行仿真程序，并且若干所述仿真板卡之间、以及所述仿真板卡与飞行环境模拟模块之间进行仿真数据的交互。

2.根据权利要求1所述的数字航天器部件级嵌入式仿真系统，其特征在于，所述上位机还包括用户交互模块，通过外部接口完成控制信号发送和系统状态采集的交互界面控制。

3.根据权利要求1所述的数字航天器部件级嵌入式仿真系统，其特征在于，所述嵌入式仿真平台向所述自动部署模块发送电源控制信号和下载选通信号；所述上位机指令响应模块通过所述通信模块接收并响应所述自动部署模块的电源控制信号和下载选通信号。

4.根据权利要求3所述的数字航天器部件级嵌入式仿真系统，其特征在于，所述管理箱还包括电源控制模块和下载选通模块，所述电源控制模块接收所述上位机指令响应模块的电源控制信号，并控制每个设备箱电源的接通或断开；

所述下载选通模块接收所述上位机指令响应模块的下载选通信号，并选通一个设备箱完成仿真程序的下载。

5.根据权利要求1所述的数字航天器部件级嵌入式仿真系统，其特征在于，所述同步模块汇总所有所述仿真板卡的同步信号，当所有所述设备箱同步后，发送一个完成同步的信号到所述同步管理模块，与所述嵌入式仿真平台进行同步信号的交互，在所述嵌入式仿真平台完成同步判别并返回执行下一步的指令，将指令转发到所有所述设备箱中。

6.根据权利要求1所述的数字航天器部件级嵌入式仿真系统，其特征在于，所述管理箱还包括供电模块，所述供电模块与各设备箱相连，完成220V交流电到直流电的电压转换，为管理箱和设备箱供电。

7.根据权利要求1所述的数字航天器部件级嵌入式仿真系统，其特征在于，所述设备箱还包括线路转接板、设备箱接口板和背板，所述线路转接板通过所述背板与所述仿真板卡连接，用于对所述仿真板卡的标准信号输出接口的转换，所述线路转接板与所述仿真板卡一一对应，设备箱接口板也插接在所述背板上，所述线路转接板和所述仿真板卡均通过所述设备箱接口板与所述通信设备进行通信。

8.根据权利要求4所述的数字航天器部件级嵌入式仿真系统，其特征在于，所述仿真板卡包括输入输出驱动模块、管理箱指令响应模块、电源模块、下载模块、仿真模块、调试模块；其中，

所述管理箱指令响应模块用于接收所述自动部署模块的电源控制信号，并发送至所述电源模块；以及接收所述下载选通模块的下载选通信号，并发送至下载模块；

所述电源模块用于完成所述管理箱供电模块输出的直流电到仿真板卡各芯片供电电压的转换；完成数模隔离；以及接收所述管理箱指令响应模块的电源控制信号，并控制对应所述仿真板卡的电源的接通或断开；

所述下载模块用于接收所述管理箱指令响应模块的下载选通信号，并选通一个仿真板卡完成仿真程序的下载并烧录；

所述仿真模块用于运行所述仿真程序，并通过所述输入输出驱动模块与所述飞行环境模拟模块或其他所述仿真板卡的输入输出驱动模块进行仿真数据的交互；

所述输入输出驱动模块按照星上的输入输出方式接收或发送仿真信号，传输的数据格式与航天器上部件间的通信格式完全一致；并且提供了与真实航天器电信接口一致的电路驱动接口，包括CAN、UART、1553B、PWM、AD/DA、DIDO；

所述调试模块用于对所述仿真模块的程序进行在线调试，所述调试模块传输方式包括3种：与所述下载模块复用接口；与所述输入输出驱动模块复用接口；使用独立的接口。