CN114416447A - 适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统 - Google Patents

适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，用于对基于TLK2711高速串行传输芯片的有效载荷设备进行地面测试，包括采集与传输子系统和部署在上位机的处理模块；采集与传输子系统，用于根据处理模块配置的参数进行接口速率和传输协议的设置，用于接收并缓存处理模块发送的模拟数据，再通过TLK2711接口发送至有效载荷设备；还用于接收载荷数据，解析缓存并发送至处理模块；处理模块，用于根据有效载荷设备的接口速率和传输协议对采集与传输子系统进行参数配置，用于读取模拟数据文件，组帧并发送至采集与传输子系统，用于接收采集与传输子系统缓存的载荷数据并存储，还用于接收采集与传输子系统的实时状态。

Description

适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统
技术领域
本发明涉及高速数据传输技术领域，尤其涉及适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统。
背景技术
随着空间科学探测技术突飞猛进的发展，有效载荷的种类和数量将出现爆发式增长。有些有效载荷数据量很大，对数据的传输有着很高的要求，并行传输技术的发展受到了时序同步困难、信号偏移严重，抗干扰能力弱以及设计复杂度高等一系列问题的阻碍。与并行传输技术相比，串行传输技术的引脚数量少、扩展能力强、采用点对点的连接方式，而且能提供比并行传输更高带宽，因此现已广泛用于嵌入式高速传输领域。
目前，有效载荷高速数据串行传输大多采用基于TI公司的TLK2711高速串行传输芯片设计，由于TLK2711的时钟稳定度要求很高，需要使用高稳定性和高精度的时钟源，目前大多数设计是针对不同有效载荷特定的TLK2711接口速率和传输协议，使用固定的时钟晶振产生固定频率的时钟和固定的协议传输逻辑，完成高速数据传输，这样造成设计具有一定的局限性，针对不同的有效载荷传输特点不能完全复用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统。
为了实现上述目的，本发明提出了一种适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，用于对基于TLK2711高速串行传输芯片的有效载荷设备进行地面测试，其特征在于，所述系统包括采集与传输子系统和部署在上位机的处理模块；其中，
所述采集与传输子系统，用于根据处理模块配置的参数进行接口速率和传输协议的设置，用于接收并缓存处理模块发送的模拟数据，再通过TLK2711接口发送至有效载荷设备；还用于接收有效载荷设备发送的载荷数据，解析缓存并发送至处理模块；
所述处理模块，用于根据有效载荷设备的接口速率和传输协议对采集与传输子系统进行参数配置，用于读取预先存储的模拟数据文件，按照一定规则进行组帧并发送至采集与传输子系统，用于接收采集与传输子系统缓存的载荷数据并存储，还用于接收采集与传输子系统的实时状态。
作为上述系统的一种改进，所述采集与传输子系统包括FPGA单元、DDR缓存模块、时钟管理模块、TLK2711接口模块和PCIE控制模块；其中，
所述FPGA单元，用于控制PXIE总线以DMA方式与处理模块进行高速数据传输，用于根据处理模块配置的参数对TLK2711接口模块进行接口传输协议设置，用于解析处理通过TLK2711接口模块接收的载荷数据并缓存至DDR缓存模块，用于控制TLK2711接口模块将DDR缓存模块缓存的模拟数据发送至有效载荷设备，还用于通过控制I2C配置时钟管理模块产生不同频率的时钟；
所述DDR缓存模块，用于缓存待发送至采集与传输子系统的模拟数据，还用于缓存有效载荷设备发送的载荷数据；
所述TLK2711接口模块，用于根据处理模块配置的参数对TLK2711高速串行传输芯片进行接口传输协议设置，用于通过TLK2711高速串行传输芯片接收有效载荷设备发送的载荷数据并传输至FPGA单元，还用于通过TLK2711高速串行传输芯片向有效载荷设备发送DDR缓存的模拟数据；
所述时钟管理模块，用于生成两个相同的高稳低相噪时钟信号，分别供给FPGA单元和TLK2711接口模块。
作为上述系统的一种改进，所述时钟管理模块包括：10MHz高稳时钟晶振和Si5338C时钟发生器；其中，
所述10MHz高稳时钟晶振，用于向Si5338C时钟发生器提供精度不超过±1ppm，相位抖动不超过0.75ps的高稳时钟源；
所述Si5338C时钟发生器，用于依据不同载荷设备数据的传输频率，通过设置处理模块相应的接口工作时钟参数，控制FPGA的I2C接口，动态配置Si5338C芯片，生成与载荷数据传输频率相对应的两个相同的时钟信号，分别给FPGA单元和TLK2711高速串行传输芯片提供高稳低相噪时钟。
作为上述系统的一种改进，所述配置存储模块采用QSPI FLASH芯片。
作为上述系统的一种改进，所述采集与传输子系统还包括电源管理模块，用于为所述系统提供多种具有严格上电顺序的电压类型。
作为上述系统的一种改进，所述处理模块包括参数配置单元、数据收发单元和状态接收单元，其中，
所述参数配置单元，用于对采集与传输子系统的TLK2711高速串行传输芯片进行参数配置，具体包括：查找与选择工作板卡、配置传输协议，设置帧头、帧尾、控制信息、预加重模式、接口芯片工作时钟、同步码、帧长度、帧间隔、行长度、行间隔和模拟发送次数；
所述数据收发单元，用于读取预先存储的模拟数据文件，按照一定规则组帧通过PXIE总线以DMA方式传输至采集与传输子系统，用于接收并处理采集与传输子系统缓存的有效载荷数据并存储在NVME大容量存储硬盘中；
所述状态接收单元，用于接收采集与传输子系统的实时收发状态相关信息，并转发至上位机进行显示。
作为上述系统的一种改进，所述采集与传输子系统部署在PXIE机箱中。
作为上述系统的一种改进，所述NVME大容量存储硬盘设置在PXIE机箱中。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明针对TLK2711接口的要求，设计高稳时钟晶振和高性能、低抖动的时钟发生器来产生可变频率的时钟分别供给FPGA和TLK2711芯片，并且可在上位机软件上设置同步码、帧头、帧尾及控制信息，可接收不同有效载荷发来的不同接口速率、不同协议数据，动态适应不同有效载荷高速数据传输的特性，这样设计增加了系统的灵活性和通用性，降低了生产成本；
2、本发明可模拟有效载荷发送高速串行数据，可模拟最大支持1GB文件预置到DDR中，按照可配置的接口速率和接口协议，动态调整参数，通过TLK2711接口传输数据，这样设计具有灵活、通用适应性强，并且可模拟验证有效载荷高速数据串行采集系统的可靠性；
3、本发明采用标准的PXIE主控和机箱，可以扩展多通道有效载荷数据采集与传输；
4、本发明采用M.2NVME固态硬盘，具有超快的数据落盘能力。
附图说明
图1是本发明的适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统原理框图；
图2是基于TLK2711接口高速数据传输与采集子系统的原理框图；
图3是本发明的数据流图。
具体实施方式
现在卫星有效载荷数据量大，传输速率高，目前大多采用TLK2711接口芯片完成高速数据的收发。有效载荷需在地面完成各阶段测试，对TLK2711接口可靠性进行测试。针对多种不同接口速率、传输协议，本发明设计了一种通用的有效载荷高速数据串行采集与传输系统，实现对有效载荷TLK2711接口的测试。
针对航天有效载荷基于TLK2711高速数据传输接口，设计一套通用的有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统。
为测试验证有效载荷TLK2711采集接口，模拟有效载荷通过TLK2711接口发送数据。具体如下：
处理模块即上位机软件，设置参数配置(配置TLK2711芯片工作时钟、同步码、帧信息以便动态调整数据率等)，上位机软件选取数据文件，(模拟有效载荷发送数据文件)，可以通过按动按钮选取硬盘中的任意不大于1GB文件，再点击预置按钮，上位机软件将数据按照内部协议组帧后，通过CPCIE总线DMA方式传输到FPGA中，解析后将数据存储在DDR控制器中，FPGAtlk2711接口模块再按照上位机设置好的接口传输协议,读取DDR数据并通过TLK2711接口传输数据。
为测试验证有效载荷TLK2711发送接口，按照约定的TLK2711接口协议接收数据。具体如下：
上位机软件按照约定的TLK2711接口协议配置参数(芯片工作时钟、同步码等)，上位机软件选择数据在计算机硬盘的存储位置，点击开始接收按钮，准备接收数据，有效载荷按照约定的接口协议发送数据，地面测试系统接收数据后缓存在DDR中，再按照内部协议通过CPCIE接口DMA方式将数据传输至计算机硬盘中。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提供了适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统。系统包括采集与传输子系统和部署在上位机的处理模块；其中，
所述采集与传输子系统，用于根据处理模块配置的参数进行接口速率和传输协议的设置，用于接收并缓存处理模块发送的模拟数据，再通过TLK2711接口发送至有效载荷设备；还用于接收有效载荷设备发送的载荷数据，解析缓存并发送至处理模块；
所述处理模块，用于根据有效载荷设备的接口速率和传输协议对采集与传输子系统进行参数配置，用于读取预先存储的模拟数据文件，按照一定规则进行组帧并发送至采集与传输子系统，用于接收采集与传输子系统缓存的载荷数据并存储，还用于接收采集与传输子系统的实时状态。
所述采集与传输子系统，用于根据有效载荷定义的接口速率、协议，动态调整相应的参数，使得本系统可适应TLK2711不同接口速率和协议，采集接口数据，并缓存、处理、传输至高性能存储介质；用于从高性能存储介质中提取并预置有效载荷数据，模拟有效载荷发送TLK2711接口数据。
传输与采集子系统的原理框图如图2所示，具体包括FPGA单元、DDR缓存模块、电源管理模块、配置存储模块、时钟管理模块、TLK2711接口模块及PCIE控制模块。其中，
所述FPGA单元，用于控制PCIE DMA进行高速数据传输；用于控制PCIE PIO寄存器进行参数配置与状态显示；用于控制DDR进行发送数据缓存和接收数据缓存；用于预置数据的逻辑处理；用于控制TLK2711接口时序；用于通过控制I2C配置时钟管理模块，产生不同频率的时钟；还用于控制配置存储模块，加载程序；
所述DDR缓存模块，DDR存储器可以存储2GB数据，划分1GB用于预置模拟的有效载荷数据，1GB用于接收缓存TLK2711接口数据；
所述电源管理模块，用于适应ZYNQ系列FPGA芯片有多种电压类型且需要严格的上电顺序；
所述配置存储模块，采用16MB QSPI FLASH芯片存储并控制加载配置程序；
所述时钟管理模块，包括10MHz高稳时钟晶振、Si5338C时钟发生器，其中所述的10MHz高稳时钟晶振用于提供精度不超过±1ppm，相位抖动不超过0.75ps的高稳时钟源；所述的Si5338C时钟发生器，利用其高性能、低抖动的特性生成两个独立的时钟；10MHz高稳时钟晶振作为Si5338C时钟发生器的高稳时钟输入源，Si5338C时钟发生器随后根据有效载荷的TLK2711传输频率，通过FPGAI2C接口配置生成两个相同的时钟信号，分别供给FPGA和TLK2711高稳低相噪时钟。
本系统采用PXIE主控、机箱，支持PXIE x8 Gen2模式，支持8个PXI混合槽位板卡，用于运行PXIE驱动程序、上位机处理软件；
所述处理模块(即上位机处理软件)，用于对传输与采集子系统进行参数配置；用于对高速数据传输与采集子系统进行状态实时显示；用于传输和采集、处理有效载荷数据。
具体而言，对传输与采集子系统进行参数配置和状态显示；控制XDMA驱动实现与传输与采集子系统的高速数据传输；将内存中的数据高速写入到高性能数据存储介质；
所述参数配置，包括；选择工作板卡、接口传输协议配置，如帧头、帧尾、控制信息、预加重模式、传输速率、同步码、帧长度、帧间隔、行长度、行间隔、模拟发送次数、选取预置模拟发送数据文件、指定接收数据存储文件路径；
所述状态显示，包括：实时显示预置发送文件大小、预置速率、实时显示接收文件大小、接收速率。
高性能数据存储介质，用于有效载荷数据的高速存储。采用三星M.2接口(NVMe协议)970EVO Plus，2TB存储容量，用于实现数据高速落盘。
大容量存储硬盘通过M.2接口(NVMe协议)连接到PXIE主控上，主控插在PXIE机箱中，基于TLK2711高速数据串行传输卡插在PXIE机箱插槽中，通过PCIE X4接口与主控相连，基于TLK2711高速数据串行传输卡通过高速差分SSMA接口采集数据，经过数据调理、缓存后，按照内部软硬件自定义规则组包，通过PCIE DMA传输到主控内存中，再通过M.2接口写入到NVMe固态硬盘中。从硬盘中选取模拟的有效载荷数据文件不断写入到内存中，通过PCIE DMA从内存中读取数据传输到基于TLK2711高速数据串行传输卡中，通过数据解析，将有效数据缓存至DDR中，再按照有效载荷接口时序要求，动态调整参数，通过高速差分SSMA接口模拟输出有效载荷数据。如图3所示，为本系统的数据流图。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，用于对基于TLK2711高速串行传输芯片的有效载荷设备进行地面测试，其特征在于，所述系统包括采集与传输子系统和部署在上位机的处理模块；其中，
所述采集与传输子系统，用于根据处理模块配置的参数进行接口速率和传输协议的设置，用于接收并缓存处理模块发送的模拟数据，再通过TLK2711接口发送至有效载荷设备；还用于接收有效载荷设备发送的载荷数据，解析缓存并发送至处理模块；
所述处理模块，用于根据有效载荷设备的接口速率和传输协议对采集与传输子系统进行参数配置，用于读取预先存储的模拟数据文件，按照一定规则进行组帧并发送至采集与传输子系统，用于接收采集与传输子系统缓存的载荷数据并存储，还用于接收采集与传输子系统的实时状态。
2.根据权利要求1所述的适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，其特征在于，所述采集与传输子系统包括FPGA单元、DDR缓存模块、时钟管理模块、TLK2711接口模块和PCIE控制模块；其中，
所述FPGA单元，用于控制PXIE总线以DMA方式与处理模块进行高速数据传输，用于根据处理模块配置的参数对TLK2711接口模块进行接口传输协议设置，用于解析处理通过TLK2711接口模块接收的载荷数据并缓存至DDR缓存模块，用于控制TLK2711接口模块将DDR缓存模块缓存的模拟数据发送至有效载荷设备，还用于通过控制I2C配置时钟管理模块产生不同频率的时钟；
所述DDR缓存模块，用于缓存待发送至采集与传输子系统的模拟数据，还用于缓存有效载荷设备发送的载荷数据；
所述TLK2711接口模块，用于根据处理模块配置的参数对TLK2711高速串行传输芯片进行接口传输协议设置，用于通过TLK2711高速串行传输芯片接收有效载荷设备发送的载荷数据并传输至FPGA单元，还用于通过TLK2711高速串行传输芯片向有效载荷设备发送DDR缓存的模拟数据；
所述时钟管理模块，用于生成两个相同的高稳低相噪时钟信号，分别供给FPGA单元和TLK2711接口模块。
3.根据权利要求2所述的适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，其特征在于，所述时钟管理模块包括：10MHz高稳时钟晶振和Si5338C时钟发生器；其中，
所述10MHz高稳时钟晶振，用于向Si5338C时钟发生器提供精度不超过±1ppm，相位抖动不超过0.75ps的高稳时钟源；
所述Si5338C时钟发生器，用于依据不同载荷设备数据的传输频率，通过设置处理模块相应的接口工作时钟参数，控制FPGA的I2C接口，动态配置Si5338C芯片，生成与载荷数据传输频率相对应的两个相同的时钟信号，分别给FPGA单元和TLK2711高速串行传输芯片提供高稳低相噪时钟。
4.根据权利要求2所述的适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，其特征在于，所述配置存储模块采用QSPIFLASH芯片。
5.根据权利要求2所述的适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，其特征在于，所述采集与传输子系统还包括电源管理模块，用于为所述系统提供多种具有严格上电顺序的电压类型。
6.根据权利要求1所述的适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，其特征在于，所述处理模块包括参数配置单元、数据收发单元和状态接收单元，其中，
所述参数配置单元，用于对采集与传输子系统的TLK2711高速串行传输芯片进行参数配置，具体包括：查找与选择工作板卡、配置传输协议，设置帧头、帧尾、控制信息、预加重模式、接口芯片工作时钟、同步码、帧长度、帧间隔、行长度、行间隔和模拟发送次数；
所述数据收发单元，用于读取预先存储的模拟数据文件，按照一定规则组帧通过PXIE总线以DMA方式传输至采集与传输子系统，用于接收并处理采集与传输子系统缓存的有效载荷数据并存储在NVME大容量存储硬盘中；
所述状态接收单元，用于接收采集与传输子系统的实时收发状态相关信息，并转发至上位机进行显示。
7.根据权利要求6所述的适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，其特征在于，所述采集与传输子系统部署在PXIE机箱中。
8.根据权利要求7所述的适用于有效载荷高速数据采集与传输的地面测试系统，其特征在于，所述NVME大容量存储硬盘设置在PXIE机箱中。
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