CN110308680A - 一种星载通用数据采集系统 - Google Patents

一种星载通用数据采集系统 Download PDF

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赵金帅
彭宇
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Abstract

一种星载通用数据采集系统，及星载数据传输与采集领域。解决现有星载数据采集产品需与具体卫星型号挂钩、MCU和DSP并行性较差、无法满足7路数据的同时高效采集的问题。本发明包括数据传输接口模块和数据协议转换模块；数据传输接口模块，用于实现对1路CAN总线、4路同步RS‑422总线和2路SPI总线进行星上总线数据采集；其中，1路CAN总线、4路同步RS‑422总线和2路SPI总线均为星上数据总线；数据协议转换模块，用于对数据传输接口模块从星上数据总线上采集的总线数据进行解析，并将解析完成的总线数据传输至其它外部系统。本发明主要用于对星上总线数据采集。

Description

一种星载通用数据采集系统
技术领域
本发明涉及星载数据传输与采集领域。
背景技术
随着空间技术的发展，我国卫星领域自动化经历了分离式自动化、分布式自动化和综合自动化三个阶段。第三阶段综合自动化是现场网络控制系统(Field-busControlSystem，FCS)，又称为卫星事务管理系统(AdministrativeSystemofSatelliteAffairs，ASSA)，较前两阶段的主要区别是废除了星上设备间点对点连接方式，采用星上方式，形成星上信息总线。在卫星综合电子系统中，CAN总线经常作为卫星综合电子各分子系统之间的数据通讯总线，使得卫星的各个有效载荷与星务分系统能够互相通信；RS-422、RS-485和SPI总线经常作为各分子系统对星敏感器、地平仪和磁强计等信号采集与控制的总线。
为了实现对星上数据总线的数据采集，系统需要具备数据采集功能。但我国目前的多数星载数据采集产品是与具体卫星型号挂钩，临时研制、生产，缺乏通用性，既延误进度，又不能确保可靠，还增加成本。设计星载设备数据采集系统通用产品是提升卫星技术的战略行为。
此外，由于星载数据采集系统的采集总线路数较多，一般的MCU(MicrocontrollerUnit，MCU)和DSP(Digital Signal Processing，DSP)并行性较差、无法满足7路数据的同时高效采集。FPGA具有丰富的系统门、逻辑单元、块RAM和I/O管脚等硬件资源，采用硬件技术处理信号，既可以通过软件反复编程使用，又能够兼顾速度和灵活性，并能并行处理多路信号，在数据通信领域得到广泛的应用。
发明内容
本发明是为了解决现有星载数据采集产品需与具体卫星型号挂钩、MCU和DSP并行性较差、无法满足7路数据的同时高效采集的问题，本发明提供了一种星载通用数据采集系统。
一种星载通用数据采集系统，包括数据传输接口模块和数据协议转换模块；
数据传输接口模块，用于实现对1路CAN总线、4路同步RS-422总线和2路SPI总线进行星上总线数据采集；
其中，1路CAN总线、4路同步RS-422总线和2路SPI总线均为星上数据总线；
数据协议转换模块，用于对数据传输接口模块从星上数据总线上采集的总线数据进行解析，并将解析完成的总线数据传输至其它外部系统。
优选的是，数据传输接口模块，还用于通过数据协议转换模块向星上数据总线上传数据。
优选的是，一种星载通用数据采集系统，还包括板级传输模块；
板级传输模块设置在数据协议转换模块与其它外部系统之间，用于实现单端信号与差分信号之间的相互转换；
与板级传输模块所连接的数据协议转换模块的输入端或输出端传输的信号为单端信号。
优选的是，一种星载通用数据采集系统，还包括电源模块；
电源模块，用于给数据传输接口模块、数据协议转换模块和板级传输模块进行供电。
优选的是，数据传输接口模块包括CAN通讯模块、RS-422通讯模块和SPI通讯模块；
CAN通讯模块，用于对1路CAN总线进行数据采集；
RS-422通讯模块，用于对4路同步RS-422总线进行数据采集；
SPI通讯模块，用于对2路SPI总线进行数据采集。
优选的是，CAN通讯模块包括CAN总线监听接口模块；
CAN总线监听接口模块，只能用于对一路CAN总线进行数据采集，
CAN总线监听接口模块包括一个隔离收发器、一个CAN总线控制器和一个电平转换器；
一个隔离收发器的输入端用于接收从1路CAN总线上采集的总线数据，一个隔离收发器的输出端与一个CAN总线控制器的输入端连接，一个CAN总线控制器的输入/输出端与一个电平转换器的输出/输出端连接，一个电平转换器的输出端用于向数据协议转换模块发送CAN总线数据。
优选的是，所述的CAN通讯模块还包括CAN总线反馈接口模块；
CAN总线反馈接口模块，用于将接收的数据信号上传至另一路CAN总线；
CAN总线反馈接口模块包括另一个隔离收发器、另一个CAN总线控制器和另一个电平转换器；
另一个隔离收发器的输出端用于向另一路CAN总线上发送数据，另一个隔离收发器的输入端与另一个CAN总线控制器的输出端连接，另一个CAN总线控制器的输入/输出端与另一个电平转换器的输入/输出端连接，另一个电平转换器的输入端用于接收从数据协议转换模块发出的数据。
优选的是，RS-422通讯模块包括4个时钟收发器和4个数据收发器；
4个时钟收发器分别与4个数据收发器一一进行组合，构成4路同步RS-422通讯模块；
每路同步RS-422通讯模块包括一个时钟收发器和1个数据收发器，两个数据收发器与同一路同步RS-422总线实现通讯；
时钟收发器具备电气隔离功能，用于实现星上数据总线与数据协议转换模块间电气隔离；
时钟收发器还用于实现同步时钟的传输；
数据收发器具备电气隔离功能，用于实现星上数据总线与数据协议转换模块间电气隔离；
数据收发器还用于实现RS-422数据的收发。
优选的是，SPI通讯模块采用隔离式DC-DC转换器实现。
优选的是，数据协议转换模块包括主控模块；
主控模块，用于对数据传输接口模块从星上数据总线采集的数据、以及对从板级传输模块接收的数据进行解析。
优选的是，主控模块采用Flash FPGA实现；
主控模块包括协议控制器模块、数据缓存模块和数据流控制模块；
协议控制模块，用于实现对与数据传输接口模块通讯的各总线协议进行解析；
数据缓存模块，用于对接收的总线数据和要发送到星上数据总线的数据进行缓存；
数据流控制模块，用于将缓存至数据缓存模块中的总线数据通过板级传输模块传输至其它外部系统，还用于将其它外部系统通过板级传输模块发往星上数据总线的数据存储到数据缓存模块。
优选的是，板级传输模块包括8通道MLVDS收发器和两个栈接连接器，两个栈接连接器分别为插头栈接连接器和插座栈接连接器；
8通道MLVDS收发器具备电气隔离功能，用于实现数据协议转换模块与两个栈接连接器所连接的其它外部系统的电气隔离，同时，还用于实现单端信号与差分信号的转换；
插头栈接连接器和插座栈接连接器，均用于实现星上数据总线与其它外部系统的数据交互。
优选的是，一种星载通用数据采集系统，还包括存储模块；
存储模块，用于通过数据流控制模块将缓存至数据缓存模块中的总线数据进行存储，还用于通过数据流控制模块将其它外部系统通过板级传输模块发往星上数据总线的数据进行存储。
优选的是，存储模块包括4片NandFlash，4片NandFlash并行存储，并与主控模块进行通讯。
本发明带来的有益效果是，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采集系统可实现对常用卫星综合电子系统总线的数据采集，满足7路数据的同时高效采集，不针对特定型号卫星，且可根据具体需求进行功能的裁剪，提高了星载数据采集系统的通用性和可剪裁性；
(2)本发明采集系统采用模块化设计思想，设计以MLVDS通讯接口为主的板级传输模块，通过该模块可实现与其它系统的数据交互，体现了系统的可扩展性；
(3)本发明采集系统以对空间单粒子效应具有免疫能力的Flash FPGA为主控制器，与各总线通讯接口均采用隔离收发器完成对总线数据的采集，保证星载通用数据采集系统与被测对象的电气隔离，并且CAN监听接口设计为非侵入式监听接口，提高了系统设计的可靠性。
(4)本发明系统选用的主控制器Flash FPGA具有低功耗模式，且电源模块采用高转化率的电源转换芯片，充分降低系统功耗。
附图说明
图1为本发明所述的一种星载通用数据采集系统的原理示意图。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种星载通用数据采集系统，包括数据传输接口模块1和数据协议转换模块2；
数据传输接口模块1，用于实现对1路CAN总线、4路同步RS-422总线和2路SPI总线进行星上总线数据采集；
其中，1路CAN总线、4路同步RS-422总线和2路SPI总线均为星上数据总线；
数据协议转换模块2，用于对数据传输接口模块1从星上数据总线上采集的总线数据进行解析，并将解析完成的总线数据传输至其它外部系统。
本实用方式中所述的一种星载通用数据采集系统，提供了3中数据采集接口，CAN\RS-422\SPI这三种总线协议接口，这三种总线协议接口最常用的星上采集接口，可被大部分卫星型号使用；且，还能对7路总线同时进行数据采集。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，所述的数据传输接口模块1，还用于通过数据协议转换模块2向星上数据总线上传数据。
本优选实施方式的星载通用数据采集系统可实现数据采集的同时，还能对其它外部系统输出的数据上传至星上数据总线，具备双向传输功能。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式所述的一种星载通用数据采集系统，还包括板级传输模块3；
板级传输模块3设置在数据协议转换模块2与其它外部系统之间，用于实现单端信号与差分信号之间的相互转换；
与板级传输模块3所连接的数据协议转换模块2的输入端或输出端传输的信号为单端信号。
本优选实施方式中，通过板级传输模块3可实现，星载通用数据采集系统与其它外部系统的数据交互，体现了星载通用数据采集系统的可扩展性。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式所述的一种星载通用数据采集系统，还包括电源模块4；
电源模块4，用于给数据传输接口模块1、数据协议转换模块2和板级传输模块3进行供电。
本优选实施方式中，电源模块4可选用3片LMZ1050EXT，分别将外部输入的5V稳压源转换成1.5V、1.8V和3.3V电压值，分别发送给数据传输接口模块1、数据协议转换模块2、板级传输模块3，转换效率可达96％，可以保证效率最更，尽量减少系统功耗。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，数据传输接口模块1包括CAN通讯模块1-1、RS-422通讯模块1-2和SPI通讯模块1-3；
CAN通讯模块1-1，用于对1路CAN总线进行数据采集；
RS-422通讯模块1-2，用于对4路同步RS-422总线进行数据采集；
SPI通讯模块1-3，用于对2路SPI总线进行数据采集。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，CAN通讯模块1-1包括CAN总线监听接口模块；
CAN总线监听接口模块，只能用于对一路CAN总线进行数据采集，
CAN总线监听接口模块包括一个隔离收发器、一个CAN总线控制器和一个电平转换器；
一个隔离收发器的输入端用于接收从1路CAN总线上采集的总线数据，一个隔离收发器的输出端与一个CAN总线控制器的输入端连接，一个CAN总线控制器的输入/输出端与一个电平转换器的输出/输出端连接，一个电平转换器的输出端用于向数据协议转换模块2发送CAN总线数据。
本优选实施方式中，提供了CAN总线监听接口模块的具体结构，结构简单便于实现。CAN监听接口设计为非侵入式监听接口，提高了系统设计的可靠性。
CAN总线监听接口模块中的隔离CAN总线的隔离收发器采用ADI公司的隔离CAN总线收发器ADM3053，该芯片采用iCoupler隔离技术，最大支持信号传输速率为1Mbps，实现CAN通讯模块与被测对象的电气隔离。独立CAN总线控制器采用NXP公司的SJA1000，该芯片支持CAN2.0A协议和CAN2.0B协议。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，所述的CAN通讯模块1-1还包括CAN总线反馈接口模块；
CAN总线反馈接口模块，用于将接收的数据信号上传至另一路CAN总线；
CAN总线反馈接口模块包括另一个隔离收发器、另一个CAN总线控制器和另一个电平转换器；
另一个隔离收发器的输出端用于向另一路CAN总线上发送数据，另一个隔离收发器的输入端与另一个CAN总线控制器的输出端连接，另一个CAN总线控制器的输入/输出端与另一个电平转换器的输入/输出端连接，另一个电平转换器的输入端用于接收从数据协议转换模块2发出的数据。
本优选实施方式中，介绍了CAN通讯模块1-1还包括CAN总线反馈接口模块，可将其它外部系统发送过来的数据进行上传，上传至星上数据总线。
CAN总线反馈接口模块中的隔离CAN总线的隔离收发器采用ADI公司的隔离CAN总线收发器ADM3053，该芯片采用iCoupler隔离技术，最大支持信号传输速率为1Mbps，实现CAN通讯模块与被测对象的电气隔离。独立CAN总线控制器采用NXP公司的SJA1000，该芯片支持CAN2.0A协议和CAN2.0B协议。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，RS-422通讯模块1-2包括4个时钟收发器和4个数据收发器；
4个时钟收发器分别与4个数据收发器一一进行组合，构成4路同步RS-422通讯模块；
每路同步RS-422通讯模块包括一个时钟收发器和1个数据收发器，两个数据收发器与同一路同步RS-422总线实现通讯；
时钟收发器具备电气隔离功能，用于实现星上数据总线与数据协议转换模块2间电气隔离；
时钟收发器还用于实现同步时钟的传输；
数据收发器具备电气隔离功能，用于实现星上数据总线与数据协议转换模块2间电气隔离；
数据收发器还用于实现RS-422数据的收发。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，SPI通讯模块1-3采用隔离式DC-DC转换器实现。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，数据协议转换模块2包括主控模块；主控模块，用于对数据传输接口模块1从星上数据总线采集的数据、以及对从板级传输模块3接收的数据进行解析。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，主控模块采用Flash FPGA实现；
主控模块包括协议控制器模块、数据缓存模块和数据流控制模块；
协议控制模块，用于实现对与数据传输接口模块1通讯的各总线协议进行解析；
数据缓存模块，用于对接收的总线数据和要发送到星上数据总线的数据进行缓存；
数据流控制模块，用于将缓存至数据缓存模块中的总线数据通过板级传输模块3传输至其它外部系统，还用于将其它外部系统通过板级传输模块3发往星上数据总线的数据存储到数据缓存模块。
本优选实施方式中，Flash FPGA的英文全称为Flash Field Programmable GateArray，中文翻译为闪存型现场可编程门阵列，Flash FPGA芯片内部实现的组合逻辑对单粒子效应不敏感，且在空闲状态时可以配置成低功耗模式，大大减小其功耗，且该FPGA工艺无需额外存储器对其进行上电配置，仅需为其提供电源和时钟即可工作。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，板级传输模块3包括8通道MLVDS收发器和两个栈接连接器，两个栈接连接器分别为插头栈接连接器和插座栈接连接器；
8通道MLVDS收发器具备电气隔离功能，用于实现数据协议转换模块2与两个栈接连接器所连接的其它外部系统的电气隔离，同时，还用于实现单端信号与差分信号的转换；
插头栈接连接器和插座栈接连接器，均用于实现星上数据总线与其它外部系统的数据交互。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式所述的一种星载通用数据采集系统，还包括存储模块5；
存储模块5，用于通过数据流控制模块将缓存至数据缓存模块中的总线数据进行存储，还用于通过数据流控制模块将其它外部系统通过板级传输模块3发往星上数据总线的数据进行存储。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式所述的一种星载通用数据采集系统，存储模块5包括4片Nand Flash，4片Nand Flash并行存储，并与主控模块进行通讯。
本优选实施方式中，Nand Flash的英文全称为Not AND Flash，中文翻译为NAND闪存，每片Nand Flash包括8个数据引脚和多个控制引脚，4片Nand Flash的所有控制引脚接在一起后，与Flash FPGA的相应引脚连接，4片Nand Flash通过32根数据线与Flash FPGA的相应引脚连接。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (14)

1.一种星载通用数据采集系统，其特征在于，包括数据传输接口模块(1)和数据协议转换模块(2)；
数据传输接口模块(1)，用于实现对1路CAN总线、4路同步RS-422总线和2路SPI总线进行星上总线数据采集；
其中，1路CAN总线、4路同步RS-422总线和2路SPI总线均为星上数据总线；
数据协议转换模块(2)，用于对数据传输接口模块(1)从星上数据总线上采集的总线数据进行解析，并将解析完成的总线数据传输至其它外部系统。
2.根据权利要求1所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，数据传输接口模块(1)，还用于通过数据协议转换模块(2)向星上数据总线上传数据。
3.根据权利要求2所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，还包括板级传输模块(3)；
板级传输模块(3)设置在数据协议转换模块(2)与其它外部系统之间，用于实现单端信号与差分信号之间的相互转换；
与板级传输模块(3)所连接的数据协议转换模块(2)的输入端或输出端传输的信号为单端信号。
4.根据权利要求3所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，还包括电源模块(4)；
电源模块(4)，用于给数据传输接口模块(1)、数据协议转换模块(2)和板级传输模块(3)进行供电。
5.根据权利要求2所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，数据传输接口模块(1)包括CAN通讯模块(1-1)、RS-422通讯模块(1-2)和SPI通讯模块(1-3)；
CAN通讯模块(1-1)，用于对1路CAN总线进行数据采集；
RS-422通讯模块(1-2)，用于对4路同步RS-422总线进行数据采集；
SPI通讯模块(1-3)，用于对2路SPI总线进行数据采集。
6.根据权利要求5所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，CAN通讯模块(1-1)包括CAN总线监听接口模块；
CAN总线监听接口模块，只能用于对一路CAN总线进行数据采集，
CAN总线监听接口模块包括一个隔离收发器、一个CAN总线控制器和一个电平转换器；
一个隔离收发器的输入端用于接收从1路CAN总线上采集的总线数据，一个隔离收发器的输出端与一个CAN总线控制器的输入端连接，一个CAN总线控制器的输入/输出端与一个电平转换器的输出/输出端连接，一个电平转换器的输出端用于向数据协议转换模块(2)发送CAN总线数据。
7.根据权利要求6所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，所述的CAN通讯模块(1-1)还包括CAN总线反馈接口模块；
CAN总线反馈接口模块，用于将接收的数据信号上传至另一路CAN总线；
CAN总线反馈接口模块包括另一个隔离收发器、另一个CAN总线控制器和另一个电平转换器；
另一个隔离收发器的输出端用于向另一路CAN总线上发送数据，另一个隔离收发器的输入端与另一个CAN总线控制器的输出端连接，另一个CAN总线控制器的输入/输出端与另一个电平转换器的输入/输出端连接，另一个电平转换器的输入端用于接收从数据协议转换模块(2)发出的数据。
8.根据权利要求5所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，RS-422通讯模块(1-2)包括4个时钟收发器和4个数据收发器；
4个时钟收发器分别与4个数据收发器一一进行组合，构成4路同步RS-422通讯模块；
每路同步RS-422通讯模块包括一个时钟收发器和1个数据收发器，两个数据收发器与同一路同步RS-422总线实现通讯；
时钟收发器具备电气隔离功能，用于实现星上数据总线与数据协议转换模块(2)间电气隔离；
时钟收发器还用于实现同步时钟的传输；
数据收发器具备电气隔离功能，用于实现星上数据总线与数据协议转换模块(2)间电气隔离；
数据收发器还用于实现RS-422数据的收发。
9.根据权利要求5所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，SPI通讯模块(1-3)采用隔离式DC-DC转换器实现。
10.根据权利要求3所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，数据协议转换模块(2)包括主控模块；
主控模块，用于对数据传输接口模块(1)从星上数据总线采集的数据、以及对从板级传输模块(3)接收的数据进行解析。
11.根据权利要求3所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，主控模块采用Flash FPGA实现；
主控模块包括协议控制器模块、数据缓存模块和数据流控制模块；
协议控制模块，用于实现对与数据传输接口模块(1)通讯的各总线协议进行解析；
数据缓存模块，用于对接收的总线数据和要发送到星上数据总线的数据进行缓存；
数据流控制模块，用于将缓存至数据缓存模块中的总线数据通过板级传输模块(3)传输至其它外部系统，还用于将其它外部系统通过板级传输模块(3)发往星上数据总线的数据存储到数据缓存模块。
12.根据权利要求3所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，板级传输模块(3)包括8通道MLVDS收发器和两个栈接连接器，两个栈接连接器分别为插头栈接连接器和插座栈接连接器；
8通道MLVDS收发器具备电气隔离功能，用于实现数据协议转换模块(2)与两个栈接连接器所连接的其它外部系统的电气隔离，同时，还用于实现单端信号与差分信号的转换；
插头栈接连接器和插座栈接连接器，均用于实现星上数据总线与其它外部系统的数据交互。
13.根据权利要求11所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，还包括存储模块(5)；
存储模块(5)，用于通过数据流控制模块将缓存至数据缓存模块中的总线数据进行存储，还用于通过数据流控制模块将其它外部系统通过板级传输模块(3)发往星上数据总线的数据进行存储。
14.根据权利要求11所述的一种星载通用数据采集系统，其特征在于，存储模块(5)包括4片NandFlash，4片NandFlash并行存储，并与主控模块进行通讯。
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