CN109936417A - 一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡及其测试方法，包括PCI桥接芯片、实现同步工程遥测通信通道的FPGA器件、反相器、电阻和RC滤波电路，PCI桥接芯片的PCI总线接口与对应的信号连接，PCI桥接芯片的局部总线接口信号与FPGA器件连接，FPGA器件还分别通过反相器与电阻和RC滤波电路连接，用于接收被测宇航计算机同步工程遥测通信通道串行PCM码信号、发送时钟信号CLK和高有效的帧同步信号FFS，构成主模式三线制串行同步工程遥测通信通道3U标准结构的CPCI测试板卡。本发明采用CPCI结构3U测试板卡，体积小、抗干扰性强、通用性好；可对宇航计算机的三线制同步工程遥测通信通道通信正确性，以及通信参数裕量进行充分测试，验证其高的可靠性和环境适应性。

Description

一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡及其测试方法

技术领域

本发明属于通讯技术领域，具体涉及一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡及其测试方法。

背景技术

同步工程遥测通信通道是我国宇航计算机一个非常重要的串行通信功能单元，它是并行转三线制串行同步通信通道，串行口具有三个时序关联的信号：周期性高有效帧同步信号，周期性帧固定延迟时间后固定脉冲数的时钟信号，以及上升沿移出数据下降沿移入数据的串行PCM码信号。从模式的同步工程遥测通信通道实时周期传输宇航计算机工作状态信号信息到遥测遥控设备，以便测试、诊断、控制、管理宇航计算机正常工作，由于宇航计算机在太空中需要经历加速、失重、冲击、辐照等严酷的环境干扰条件，同步工程遥测通信通道必须具有非常高的可靠性才能保证宇航计算机圆满完成飞行任务。

研制具有高可靠性同步工程遥测通信通道的宇航计算机，需要在地面研制同步工程遥测通信测试板卡对宇航计算机的同步工程遥测通信通道进行全面的测试验证，传统的测试方法是研制基于工控机的主模式同步工程遥测通信通道测试板卡，或研制以FPGA实现相同信号时序的主模式同步工程遥测通信通道测试板卡，其时钟分频器为固定设置，帧脉冲宽度、周期、时钟频率、以及帧与时钟之间间隔时间均为固定值，测试板卡与宇航计算机互连组成测试系统，通过收发解析工程遥测数据验证同步工程遥测通信通道功能正确性，这种方法只能单一测试通信正确性，不能对其信号时序以及通信速率进行拉偏的裕度测试，传统测试方案不全面，会对高可靠性宇航计算机研制质量造成隐患，出现故障会大幅度增加产品研制成本、延误产品研制进度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡及其测试方法，依据宇航计算机同步工程遥测通信通道通信协议，选用大规模FPGA芯片XC3S700设计实现主模式三线制串行同步工程遥测通信通道，同时其帧同步信号宽度和周期、时钟信号频率、以及帧同步信号和时钟信号之间时间间隔均可编程设置，从而满足对宇航计算机三线制串行同步工程遥测通信通道正确性测试，以及帧同步信号周期、帧同步信号宽度、时钟频率、以及它们之间时间延迟拉偏裕量测试，验证在恶劣空间应用环境中，宇航计算机串行同步工程遥测通信通道环境适应性。

本发明采用以下技术方案：

一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，包括PCI桥接芯片、实现同步工程遥测通信通道的FPGA器件、反相器、电阻和RC滤波电路，PCI桥接芯片的PCI总线接口与对应的信号连接，PCI桥接芯片的局部总线接口信号与FPGA器件连接，FPGA器件还分别通过反相器与电阻和RC滤波电路连接，用于接收被测宇航计算机同步工程遥测通信通道串行PCM码信号、发送时钟信号CLK和高有效的帧同步信号FFS，构成主模式三线制串行同步工程遥测通信通道3U标准结构的CPCI测试板卡。

具体的，FPGA实现的同步工程遥测通信通道包括译码器、FIFO存储器、串并转换器、脉冲产生器、分频器和帧信号产生器，译码器的输入端与PCI桥接芯片局部总线的片选信号、高位地址信号、读信号、写信号连接，其输出端使能信号分别与FIFO存储器、脉冲产生器、分频器和帧信号产生器连接，分频器的输出端产生的时钟信号分别与脉冲产生器和帧信号产生器连接，帧信号产生器的输出端产生的帧信号与脉冲产生器连接，并经施密特反相器驱动和串接电阻后输出，脉冲产生器的时钟信号输出端分别与串并转换器连接，并经施密特反相器驱动和串接电阻后输出，FIFO写信号端与FIFO存储器连接，串并转换器的并行数据输出端与FIFO存储器连接，FIFO存储器的输出端与PCI桥接芯片局部总线信号连接。

进一步的，PCI桥接芯片将时钟信号发送给分频器；将写数据信号发送给分频器、脉冲产生器和帧信号产生器；将复位信号发送给分频器、FIFO存储器、脉冲产生器和帧信号产生器；将读信号、写信号、地址信号和片选信号发送给译码器，译码器将使能1信号发送给FIFO存储器，将使能2信号发送给脉冲产生器，将使能3信号发送给分频器，将使能4信号发送给帧信号产生器。

更进一步的，串行PCM码信号依次经RC滤波电路、第一反相器、FPGA实现的串并转换器转换为并行信号后与FPGA实现的FIFO存储器连接，经FIFO存储器将读出的并行数据信号发送给PCI桥接芯片。

更进一步的，脉冲发生器的输出端工程遥测时钟信号经第二反相器与第一电阻连接用于发送工程遥测时钟信号CLK。

更进一步的，帧信号产生器的输出端正脉冲的帧同步有效信号经第三反相器与第二电阻连接用于发送正脉冲的帧同步有效信号FFS。

更进一步的，反相器均采用SN74LVC14，电阻均为1KΩ。

进一步的，PCI桥接芯片采用PCI9030。

本发明的另一技术方案是，一种模拟同步工程遥测通信通道测试板卡的测试方法，包括以下步骤：

S1、工控机加电，遥测通信测试板卡同时上电，操作系统通过PCI接口配置并初始化板卡的PCI桥接芯片，PCI桥接芯片局部外围接口处于复位状态，复位管脚输出为低，接收FIFO存储器复位，分频器、脉冲产生器和帧信号发生器置默认值，各使能信号无效；

S2、工控机运行模拟测试程序，自动清PCI桥接芯片局部外围接口复位信号，工控机接收模拟测试程序的各种遥测通信测试命令，根据命令字初始化通信时钟波特率参数设置寄存器、帧同步信号参数设置寄存器以及帧同步信号与首时钟时间间隔设置寄存器；

S3、延迟等待5s后启动遥测通信通道，遥测通信通道自动按初始化值周期按时序发出通信帧同步信号、64个时钟脉冲信号，自动从被测试的设备主机遥测通信通道串行移出64位的串行工程遥测数据PCM码信号，在测试板卡中自动按通信协议时序串并转换成并行64位的工程遥测数据，并写入并行FIFO中，工控机读出FIFO中工程遥测数据，解析判断主机各功能单元工作状态并显示测试结果。

具体的，步骤S2中，初始化值为正常通信信号参数值或为拉偏裕量测试信号参数值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，基于FPGA设计实现的主模式三线制串行同步工程遥测通信通道接收串行PCM码、发送时钟信号CLK和高有效的帧同步信号FFS，构成主模式三线制串行同步工程遥测通信通道3U标准结构的CPCI测试板卡该标准板卡抗干扰、尺寸小、通用性好；基于FPGA设计实现，可灵活在系统设计、调试、实现通信通道各功能单元，体积小、通用性强。

进一步的，三线制通信通道各信号及它们之间时序关系参数可通过软件编程灵活设置，对被测参数测试范围宽，测试全面。

进一步的，三线制通信通道是串行接口，只有三个信号，需电缆线少，输入接口采用滤波电路和施密特反相器，输出有施密特反相器驱动输出，电路简单、抗干扰性好。

进一步的，高有效的帧同步信号FFS是同步通信的启动信号，也是测试设备和被测设备之间通信的握手信号。

进一步的，选用通用的桥接芯片PCI9030，测试板硬件设计简单，测试软件设计也简单，其局部总线具有50MHz高速数据读写速度。

本发明还公开了一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡的测试方法，当工控机运行测试程序时，板卡支持对宇航计算机三线制通信通道测试程序通信正确性，以及通信时序参数拉偏裕量测试，验证通信通道环境适应性；当工控机运行应用模拟程序时，板卡支持对宇航计算机三线制通信通道应用程序通信正确性测试。

进一步的，可以对被测的宇航产品同步通信通道的正确性进行测试，同时也可以测出其信号参数变化裕量，即测试出其环境适应性。

综上所述，本发明采用CPCI结构3U测试板卡，体积小、抗干扰性强、通用性好；可对宇航计算机的三线制同步工程遥测通信通道通信正确性，以及通信参数裕量进行充分测试，验证其高的可靠性和环境适应性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明三线制串行同步工程遥测通信通道测试板卡原理框图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供了一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，包括PCI桥接芯片、实现同步工程遥测通信通道的FPGA器件、施密特反相器、电阻和RC滤波电路，PCI桥接芯片的PCI总线接口与PCI总线对应的信号连接，PCI桥接芯片的局部总线接口信号与FPGA连接，FPGA分别通过反相器与电阻和RC滤波电路连接，用于接收被测宇航计算机同步工程遥测通信通道串行PCM码信号、发送时钟信号CLK和高有效的帧同步信号信号FFS。

FPGA采用XC3S700AN，实现的三线制同步工程遥测通信通道功能单元包括译码器、FIFO存储器、串并转换器、脉冲产生器、分频器和帧信号产生器，PCM码依次经RC滤波电路、第一施密特反相器、串并转换器与FIFO存储器连接，经FIFO存储器将读数据发送给PCI桥接芯片；

PCI桥接芯片分别与译码器、脉冲产生器、分频器和帧信号产生器的输入端连接，分别用于发送读信号、写信号、地址信号、片选信号、时钟信号、数据信号和复位信号；译码器的输出端分别与FIFO存储器、脉冲产生器、分频器和帧信号产生器的输入端连接，分频器的输出端分别与脉冲产生器和帧信号产生器的输入端连接，脉冲产生器的输出端分三路，一路与FIFO存储器输入端连接，第二路与串并转换器输入端连接，第三路依次连接第二施密特反相器和第一电阻，发送时钟信号CLK；帧信号产生器的输出端依次连接第三施密特反相器和第二电阻，发送高有效的帧同步信号FFS。

PCI桥接芯片将时钟信号发送给分频器；将写数据信号发送给分频器、脉冲产生器和帧信号产生器；将复位信号发送给分频器、FIFO存储器、脉冲产生器和帧信号产生器；将读信号、写信号、地址信号和片选信号发送给译码器，译码器将使能1信号发送给FIFO存储器，将使能2信号发送给脉冲产生器，将使能3信号发送给分频器，将使能4信号发送给帧信号产生器。

第一施密特反相器、第二施密特反相器和第三施密特反相器采用SN74LVC14；第一电阻和第二电阻为1KΩ；PCI桥接芯片采用PCI9030。

测试板卡具有如下特点：

可编程性

三线制串行同步工程遥测通信通道的帧同步信号宽度和周期、时钟信号频率、以及它们之间时间间隔均可软件编程设置。

遥测测试

运行工控机测试软件，根据工程遥测通信通道通信协议，模拟测试软件，设置帧同步信号宽度和周期、通信时钟频率，以及帧同步信号和时钟信号之间时间延迟，并使能启动测试板工程遥测通信通道，通信通道周期输出帧同步信号、时钟信号，并按照通信协议在时钟信号上升沿从被测试的宇航计算机的工程遥测通信通道移出串行PCM码，同时在测试版进行串并采集及并行转换，并由工控机读出、解析进行判断，从而对宇航计算机本身工作状态和工程遥测通信通道进行正确性测试。

裕量测试

点击运行于工控机界面的工程遥测通信模拟测试程序，并根据参数拉偏要求，分别设置帧同步信号宽度和周期、通信时钟频率，以及帧同步信号和时钟信号之间时间延迟，测试软件发送命令，并使能启动测试板工程遥测通信通道，可以对宇航计算机工程遥测通信通道进行通信通道信号参数变化范围的裕量测试。

基于大规模FPGA芯片XC3S700设计实现的主模式三线制串行同步工程遥测通信通道的CPCI测试板卡，通过工控机可编程设置其帧同步信号宽度和周期、时钟信号频率、以及帧同步信号和时钟信号之间时间间隔，同时通过读写其基于FPGA实现的FIFO存储器可对被测试的宇航计算机的工程遥测通信通道串行码进行解析判断，从而能够对被测试宇航计算机本身工作状态和工程遥测通信通道进行正确性测试和通信信号参数拉偏裕量测试，确保研制高质量宇航计算机产品完成宇航飞行任务。

本发明一种模拟同步工程遥测通信通道测试方法，包括以下步骤：

S1、工控机加电，遥测通信测试板卡同时上电，操作系统通过PCI接口配置并初始化板卡的桥接芯片PCI9030，PCI9030局部外围接口处于复位状态，复位管脚输出为低，接收FIFO存储器复位，分频器、脉冲产生器和帧信号发生器置默认值，各使能信号无效；

S2、运行工控机测试界面软件程序，测试软件自动清PCI9030局部外围接口复位信号，测试软件接收各个遥测通信测试命令，并根据命令字初始化通信时钟波特率参数设置寄存器、帧同步信号参数设置寄存器和帧同步信号与首时钟时间间隔设置寄存器，初始化值为正常通信信号参数值或为拉偏裕量测试信号参数值；

S3、延迟等待5s时间后启动遥测通信通道，遥测通信通道自动按初始化值周期按时序发出通信帧同步信号、64个时钟脉冲信号，自动从被测试的医监设备主机遥测通信通道串行移出64位的工程遥测数据，在测试板卡中自动按通信协议时序把串行的PCM码转换为64位并行的工程遥测数据，并写入并行FIFO中，工控机测试软件读出FIFO中工程遥测数据，解析并把结果显示在测试软件界面上。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，选用大规模FPGA芯片XC3S700，依据本发明方法研制成功主模式三线制串行同步工程遥测通信通道3U标准结构的CPCI测试板卡，其主要技术指标如下：

工程遥测数据接收FIFO存储器的容量为1K字节，串并转换器的写端口为64位，与PC机通信的读端口32位；

帧信号发生器的同步信号参数设置寄存器32位，其中帧同步信号脉冲宽度16位，帧同步信号周期16位，其可由工控机测试软件编程设置；

通信时钟波特率参数设置寄存器32位，其中通信时钟波特率24位，帧周期内时钟个数8位，其可由工控机测试软件编程设置；

帧同步信号与首时钟时间间隔设置寄存器32位，其可由工控机测试软件编程设置；

3U结构标准CPCI板卡。

依据本发明方法，基于大规模FPGA芯片XC3S700，研制成功的可编程主模式三线制串行同步工程遥测通信通道CPCI测试板卡已应用于对空间载人飞船医监设备主机工程遥测通信通道进行了测试验证，保证了“神舟8号”到“神舟11号”4艘载人飞船高可靠性医监主机圆满完成飞行任务。

依据本发明方法，基于大规模FPGA芯片XC3S700，研制成功的可编程主模式三线制串行同步工程遥测通信通道CPCI测试板卡的CPCI测试板卡正对我国921-Ⅲ期(空间站项目)的“神舟12号”到“神舟15”载人飞船医监设备主机的工程遥测通信通道进行测试验证，也必将保证这些高可靠性产品及后续产品高质量圆满完成我国空间站飞行任务。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，其特征在于，包括PCI桥接芯片、实现同步工程遥测通信通道的FPGA器件、反相器、电阻和RC滤波电路，PCI桥接芯片的PCI总线接口与对应的信号连接，PCI桥接芯片的局部总线接口信号与FPGA器件连接，FPGA器件还分别通过反相器与电阻和RC滤波电路连接，用于接收被测宇航计算机同步工程遥测通信通道串行PCM码信号、发送时钟信号CLK和高有效的帧同步信号FFS，构成主模式三线制串行同步工程遥测通信通道3U标准结构的CPCI测试板卡。

2.根据权利要求1所述的模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，其特征在于，FPGA实现的同步工程遥测通信通道包括译码器、FIFO存储器、串并转换器、脉冲产生器、分频器和帧信号产生器，译码器的输入端与PCI桥接芯片局部总线的片选信号、高位地址信号、读信号、写信号连接，其输出端使能信号分别与FIFO存储器、脉冲产生器、分频器和帧信号产生器连接，分频器的输出端产生的时钟信号分别与脉冲产生器和帧信号产生器连接，帧信号产生器的输出端产生的帧信号与脉冲产生器连接，并经施密特反相器驱动和串接电阻后输出，脉冲产生器的时钟信号输出端分别与串并转换器连接，并经施密特反相器驱动和串接电阻后输出，FIFO写信号端与FIFO存储器连接，串并转换器的并行数据输出端与FIFO存储器连接，FIFO存储器的输出端与PCI桥接芯片局部总线信号连接。

3.根据权利要求2所述的模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，其特征在于，PCI桥接芯片将时钟信号发送给分频器；将写数据信号发送给分频器、脉冲产生器和帧信号产生器；将复位信号发送给分频器、FIFO存储器、脉冲产生器和帧信号产生器；将读信号、写信号、地址信号和片选信号发送给译码器，译码器将使能1信号发送给FIFO存储器，将使能2信号发送给脉冲产生器，将使能3信号发送给分频器，将使能4信号发送给帧信号产生器。

4.根据权利要求3所述的模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，其特征在于，串行PCM码信号依次经RC滤波电路、第一反相器、FPGA实现的串并转换器转换为并行信号后与FPGA实现的FIFO存储器连接，经FIFO存储器将读出的并行数据信号发送给PCI桥接芯片。

5.根据权利要求3所述的模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，其特征在于，脉冲发生器的输出端工程遥测时钟信号经第二反相器与第一电阻连接用于发送工程遥测时钟信号CLK。

6.根据权利要求3所述的模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，其特征在于，帧信号产生器的输出端正脉冲的帧同步有效信号经第三反相器与第二电阻连接用于发送正脉冲的帧同步有效信号FFS。

7.根据权利要求4或5或6所述的模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，其特征在于，反相器均采用SN74LVC14，电阻均为1KΩ。

8.根据权利要求1或2或3所述的模拟同步工程遥测通信通道的测试板卡，其特征在于，PCI桥接芯片采用PCI9030。

9.一种利用权利要求1所述模拟同步工程遥测通信通道测试板卡的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、工控机加电，遥测通信测试板卡同时上电，操作系统通过PCI接口配置并初始化板卡的PCI桥接芯片，PCI桥接芯片局部外围接口处于复位状态，复位管脚输出为低，接收FIFO存储器复位，分频器、脉冲产生器和帧信号发生器置默认值，各使能信号无效；

S2、工控机运行模拟测试程序，自动清PCI桥接芯片局部外围接口复位信号，工控机接收模拟测试程序的各种遥测通信测试命令，根据命令字初始化通信时钟波特率参数设置寄存器、帧同步信号参数设置寄存器以及帧同步信号与首时钟时间间隔设置寄存器；

S3、延迟等待5s后启动遥测通信通道，遥测通信通道自动按初始化值周期按时序发出通信帧同步信号、64个时钟脉冲信号，自动从被测试的设备主机遥测通信通道串行移出64位的串行工程遥测数据PCM码信号，在测试板卡中自动按通信协议时序串并转换成并行64位的工程遥测数据，并写入并行FIFO中，工控机读出FIFO中工程遥测数据，解析判断主机各功能单元工作状态并显示测试结果。

10.根据权利要求9所述模拟同步工程遥测通信通道的测试方法，其特征在于，步骤S2中，初始化值为正常通信信号参数值或为拉偏裕量测试信号参数值。