CN116430752A - 一种软件定义的电气综合一体化仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明针对传统仿真测试平台功能单一、通用性差、使用过程中缺乏灵活性、功能无法拓展等问题，本发明提供一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，包括上位机、CPCI总线背板、若干功能板卡及接口连接器；上位机通过CPCI总线背板将控制信号和数据传递给各个功能板卡实现所需的模拟激励信号发送，各功能板卡将采集数据通过CPCI总线传回上位机进行数据处理和显示，实现待测数据采集；接口连接器一端与各功能板卡连接，另一端与待测系统设备连接，实现数据发送和采集，完成仿真测试。

Description

一种软件定义的电气综合一体化仿真平台

技术领域

本发明涉及一种电气综合一体化仿真平台,属于电气领域。

背景技术

在航天飞行器的研制过程中，需要定制不同的测试设备，分别用于飞行器控制系统、测控系统和地面测发控系统的仿真测试，验证功能的正确性、性能的稳定性、数据传输的可靠性和实时性。

传统的仿真测试由多个设备共同完成，每台设备根据仿真对象的具体要求分别“量身定做”，通过其硬件接口连接特定设备，传输特定类型的信号；通过软件代码描述被仿真对象，从而实现对特定功能的仿真测试。经过多种不同飞行器的研制后发现，定制的仿真测试设备存在如下几个问题：设备功能单一，需要配套多个设备共同完成飞行器的仿真测试；设备无法通用，复用率不高，不同飞行器需要对该类设备进行重复设计，设备的功能和性能无法拓展，当需要增加新的功能时，需要增加硬件板卡和软件模块，导致工作量大幅增加，研制进度受影响；设备通过软件代码描述仿真对象功能需求，一旦功能调整，需要重新编写更新软件代码，缺乏灵活性。基于以上原因，研制一种综合化、通用化、拓展性强、灵活度高的电气综合一体化仿真平台具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明针对传统仿真测试平台功能单一、通用性差、使用过程中缺乏灵活性、功能无法拓展等问题，提供了一种涵盖多功能需求、通用化、拓展性强的电气综合一体化仿真平台。

本发明所采用的技术方案是：一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，包括上位机、CPCI总线背板、若干功能板卡及接口连接器；

上位机通过CPCI总线背板将控制信号和数据传递给各个功能板卡实现所需的模拟激励信号发送，各功能板卡将采集数据通过CPCI总线传回上位机进行数据处理和显示，实现待测数据采集；接口连接器一端与各功能板卡连接，另一端与待测系统设备连接，实现数据发送和采集，完成仿真测试。

进一步的，各功能板卡包括开关量卡、422接口卡、LVDS接口卡、模拟量卡。

进一步的，所述开关量卡包括PCI接口芯片、FPGA、多路继电器、多路光耦；上位机将控制指令通过CPCI总线传输给开关量卡，PCI接口芯片将上位机传给PCI总线地址的数据通过PCI总线传输到本地总线中，再将数据通过本地总线的形式发送给FPGA；FPGA的输出引脚连接继电器，将接收的上位机指令通过引脚高低电平控制继电器通断；多路继电器输出端连接平台接口连接器X1，接口连接器X1连接待测设备，实现开关量信号输出；接口连接器X2与多路光耦输入端相连，采集待测设备的开关量信号，光耦输出端接入FPGA，将开关量信号通过PCI总线上传至上位机显示，实现待测设备开关量信号采集。

进一步的，所述开关量卡采用不同型号的继电器输出不同触点容量的开关量信号：采用功率继电器OMIH-SS-105DM来实现带电触点容量28V/10A信号输出；采用电磁继电器IM03TS来实现不带电触点和带电触点28V/1A信号输出；信号常开/常闭形式由上位机提前配置。

进一步的，所述422接口卡包括PCI接口芯片、FPGA、多路422数据收发芯片；上位机通过CPCI总线将数据传输至422接口卡，FPGA接收上位机通过PCI总线发送的422数据，按照预先配置通过多路422数据收发芯片和接口连接器X3输出至待测设备，完成422模拟数据发送；采集待测设备的422模拟数据，通过接口连接器X3和多路422数据收发芯片发送至FPGA，将422模拟信号通过PCI总线上传至上位机显示，完成422模拟数据采集。

进一步的，所述422接口卡的422通信速率、协议由上位机提前配置。

进一步的，所述LVDS接口卡包括PCI接口芯片、FPGA、LVDS通信模块，上位机按照预先配置产生模拟数据，通过CPCI总线将数据传输至LVDS接口卡；FPGA接收上位机通过PCI总线发送的数据，LVDS通信模块将数据按照配置速率通过接口连接器X4传输至待测设备，完成LVDS模拟数据发送。

进一步的，所述LVDS接口卡设置串行LVDS、并行LVDS接口实现不同种类LVDS信号模拟发送。

进一步的，所述模拟量卡包括PCI接口芯片、FPGA、模拟量输出电路和模拟量采集电路；上位机将控制指令通过CPCI总线传输给模拟量卡的FPGA控制器控制产生模拟量信号，将信号传输给模拟量输出电路；模拟量输出电路通过接口连接器X5输出直流信号，实现模拟量信号发送；

模拟量采集电路对接口连接器X5输入的模拟量信号分压转换为FPGA可采集的模拟量电平，FPGA将信号通过CPCI总线上传至上位机进行处理和显示。

进一步的，所述模拟量输出电路包括D/A芯片和运算放大器，D/A芯片完成数模转换，实现所需的直流模拟信号输出，直流模拟信号经运算放大器跟随得到最终输出的直流信号；

所述模拟量采集电路包括A/D芯片、模拟开关和分压电路，通过模拟开关的使能及地址引脚进行通道切换将分压后的模拟量信号传输给A/D芯片进行模数转换后进入FPGA。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用电气综合一体化设计。传统的仿真测试设备功能单一，需要定制不同的测试设备，分别用于飞行器控制系统、测控系统和地面测发控系统的仿真测试。本发明设计了一种集成所有测试需求于一体的电器综合仿真测试平台，效果是设计一台设备即可满足不同项目、不同系统的测试需求，提高了设备利用率和测试效率。

(2)本发明采用基于CPCI总线的通用化、模块化的硬件平台设计。传统的仿真测试平台针对特定项目、系统进行设计，不同项目、系统之间无法通用，需进行重新设计，设备的复用率低、功能和性能无法拓展，当需要增加新的功能时，需要增加硬件板卡和软件模块，导致工作量大幅增加，研制进度受影响。本发明提出通用化、模块化的仿真平台方案。调研不同项目的测试需求、接口电路、信号类型，硬件上按照功能配置最大包络，覆盖不同项目的测试需求。按功能要求划分板卡，将信号接口类型相同、相似的信号设计于同一板卡内实现模块化设计，不同信号接口设计于不同板卡，效果是设计一台设备即可满足不同飞行器的测试需求。

(3)本发明采用基于软件定义的仿真测试架构。传统的仿真测试平台基于软件代码描述仿真功能，一旦功能调整，需要重新编写更新软件代码，缺乏灵活性。本发明提出一种基于软件定义的仿真测试架构，在上位机建立参数配置表完成各个板卡的数据格式、通信协议、输出类型等配置，同样的硬件板卡加载不同的参数表，即可实现不同的仿真功能组合，实现基于软件定义满足项目测试需求，节省了研制成本。

附图说明

图1为仿真平台硬件总体框图；

图2为仿真测试平台上位机软件架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明的仿真平台包括上位机、CPCI总线背板、开关量卡、422接口卡、LVDS接口卡、模拟量卡、接口连接器X1～X5。上位机通过CPCI总线背板将控制信号和数据传递给各个功能板卡实现所需的模拟激励信号发送，各功能板卡将采集数据通过CPCI总线再传回上位机进行数据处理和显示，实现待测数据采集。接口连接器一端与各功能板卡连接，另外一端与待测系统设备连接，实现数据发送和采集从而完成仿真测试，仿真平台组成如图1所示。

对于开关量信号:上位机将控制指令通过CPCI总线传输给开关量卡，开关量卡包括PCI接口卡PCI9054、FPGA控制器、多路继电器、多路光耦。PCI接口卡PCI9054将上位机传给PCI总线地址的数据通过PCI总线传输到本地总线中，再将数据通过本地总线的形式发送给FPGA，FPGA作为主控芯片，将其输出引脚连接继电器，将接收的上位机指令通过引脚高低电平控制继电器通断，继电器输出端连接平台接口连接器X1，接口连接器X1连接待测设备，从而实现开关量信号输出。开关量信号采集与发送流程互逆，接口连接器X2与光耦GH302-1输入端相连，采集待测设备开关量信号，光耦输出端接入FPGA，再通过PCI总线上传至上位机显示，实现待测设备开关量信号采集。设计时采用不同型号的继电器输出不同触点容量开关量信号，采用功率继电器OMIH-SS-105DM来实现带电触点容量28V/10A信号输出，采用电磁继电器IM03TS来实现不带电触点和带电触点28V/1A信号输出；信号常开/常闭形式由上位机提前配置。

422信号传输过程：上位机通过CPCI总线将数据传输至422接口卡，422接口卡包括PCI9054接口芯片、FPGA控制器、多路422数据收发芯片ADM2682E。FPGA接收上位机通过PCI总线发送的422数据，按照预先配置通过多路422数据收发芯片和接口连接器X3输出至待测设备，完成422模拟数据发送。422模拟数据采集过程与发送过程互逆，422通信速率、协议等由上位机软件提前配置。

LVDS信号传输过程：上位机按照预先配置产生模拟数据，通过CPCI总线将数据传输至LVDS接口卡，LVDS接口卡包括PCI9054接口芯片、FPGA控制器、LVDS通信模块，LVDS接口卡中，FPGA接收上位机通过PCI总线发送的数据，LVDS通信模块将数据按照配置速率通过接口连接器X4传输至待测设备，完成LVDS模拟数据发送。LVDS接口卡设计了串行LVDS、并行LVDS接口实现不同种类LVDS信号模拟发送。

模拟信号传输过程：上位机将控制指令通过CPCI总线传输给模拟量卡的FPGA控制器控制产生模拟量信号，将信号传输给模拟量输出电路，模拟量输出电路包括D/A芯片和运算放大器(运放)，D/A芯片完成数模转换实现所需的直流模拟信号输出，然后对该信号经运放跟随得到最终输出的直流信号，通过接口连接器X5输出实现模拟量信号发送。模拟信号的采集与发送过程互逆，模拟量采集电路包括A/D芯片、模拟开关和分压电路，模拟量采集电路先对接口连接器X5输入的模拟量信号分压转换为FPGA可采集的模拟量电平，再通过模拟开关的使能及地址引脚进行通道切换将分压后的模拟量信号传输给A/D芯片进行模数转换后进入FPGA，FPGA将其通过CPCI总线上传至上位机进行处理和显示。

本发明提出一种基于软件定义板卡参数可配置的软件架构，按功能将仿真平台软件划分为开关量板卡、422板卡、LVDS板卡、模拟量板卡，所有模块组合在一起就可以实现完整的仿真平台功能，测试流程如图2所示。在系统上电软件初始化后，用户根据测试需要进行板卡选择，同时在上位机建立所需板卡的参数配置表对各个板卡的数据格式、通信协议、输出类型等参数进行配置，并下载至板卡，完成所需的模拟信号输出和采集。

本发明通过需求动态的更改配置表，同样的硬件板卡加载不同的参数表，完成不同的仿真功能，实现基于软件定义可重构满足不同项目、不同系统的测试需求，提高了设备的利用率，节省了研制成本，提升测试效率。

本发明分别梳理传统项目控制系统、测控系统、测发控等系统测试功能，整理通用仿真平台所需的接口电路、信号类型、通道数量，硬件上按照功能配置最大包络设计，将种类相同、相似的信号设计于同一板卡内实现模块化，设计了开关量卡、422接口卡、LVDS接口卡、模拟量卡。开关量卡集开关量采集和触点信号输出功能于一体，负责接收上位机通断指令并向外输出带电或不带电指令信号，采用多路不同的继电器满足不同的触点容量来实现需求中多路不同的开关量信号的输出；422接口卡采用自带隔离的ADM2682E芯片作为422数据收发芯片，实现同步422、异步422等不同协议的422数据接收和发送；LVDS接口卡模拟高速串行LVDS、并行LVDS数据发送；模拟量卡包括模拟电压输出和电压信号采集功能，输出定制格式的模拟量信号；以上板卡模块均采用FPGA+CPCI接口芯片+硬件模块实现通信，FPGA作为主控制器、CPCI接口芯片PCI9054作为桥接芯片，实现上位机和各板卡模块通信，该方式将复杂的PCI协议均集成在PCI接口芯片中，用户只需调用接口，开发简单。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，包括上位机、CPCI总线背板、若干功能板卡及接口连接器；

上位机通过CPCI总线背板将控制信号和数据传递给各个功能板卡实现所需的模拟激励信号发送，各功能板卡将采集数据通过CPCI总线传回上位机进行数据处理和显示，实现待测数据采集；接口连接器一端与各功能板卡连接，另一端与待测系统设备连接，实现数据发送和采集，完成仿真测试。

2.根据权利要求1所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，各功能板卡包括开关量卡、422接口卡、LVDS接口卡、模拟量卡。

3.根据权利要求2所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，所述开关量卡包括PCI接口芯片、FPGA、多路继电器、多路光耦；上位机将控制指令通过CPCI总线传输给开关量卡，PCI接口芯片将上位机传给PCI总线地址的数据通过PCI总线传输到本地总线中，再将数据通过本地总线的形式发送给FPGA；FPGA的输出引脚连接继电器，将接收的上位机指令通过引脚高低电平控制继电器通断；多路继电器输出端连接平台接口连接器X1，接口连接器X1连接待测设备，实现开关量信号输出；接口连接器X2与多路光耦输入端相连，采集待测设备的开关量信号，光耦输出端接入FPGA，将开关量信号通过PCI总线上传至上位机显示，实现待测设备开关量信号采集。

4.根据权利要求3所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，所述开关量卡采用不同型号的继电器输出不同触点容量的开关量信号：采用功率继电器OMIH-SS-105DM来实现带电触点容量28V/10A信号输出；采用电磁继电器IM03TS来实现不带电触点和带电触点28V/1A信号输出；信号常开/常闭形式由上位机提前配置。

5.根据权利要求2所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，所述422接口卡包括PCI接口芯片、FPGA、多路422数据收发芯片；上位机通过CPCI总线将数据传输至422接口卡，FPGA接收上位机通过PCI总线发送的422数据，按照预先配置通过多路422数据收发芯片和接口连接器X3输出至待测设备，完成422模拟数据发送；采集待测设备的422模拟数据，通过接口连接器X3和多路422数据收发芯片发送至FPGA，将422模拟信号通过PCI总线上传至上位机显示，完成422模拟数据采集。

6.根据权利要求5所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，所述422接口卡的422通信速率、协议由上位机提前配置。

7.根据权利要求2所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，所述LVDS接口卡包括PCI接口芯片、FPGA、LVDS通信模块，上位机按照预先配置产生模拟数据，通过CPCI总线将数据传输至LVDS接口卡；FPGA接收上位机通过PCI总线发送的数据，LVDS通信模块将数据按照配置速率通过接口连接器X4传输至待测设备，完成LVDS模拟数据发送。

8.根据权利要求7所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，所述LVDS接口卡设置串行LVDS、并行LVDS接口实现不同种类LVDS信号模拟发送。

9.根据权利要求2所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，所述模拟量卡包括PCI接口芯片、FPGA、模拟量输出电路和模拟量采集电路；上位机将控制指令通过CPCI总线传输给模拟量卡的FPGA控制器控制产生模拟量信号，将信号传输给模拟量输出电路；模拟量输出电路通过接口连接器X5输出直流信号，实现模拟量信号发送；

模拟量采集电路对接口连接器X5输入的模拟量信号分压转换为FPGA可采集的模拟量电平，FPGA将信号通过CPCI总线上传至上位机进行处理和显示。

10.根据权利要求9所述的一种软件定义的电气综合一体化仿真平台，其特征在于，所述模拟量输出电路包括D/A芯片和运算放大器，D/A芯片完成数模转换，实现所需的直流模拟信号输出，直流模拟信号经运算放大器跟随得到最终输出的直流信号；

所述模拟量采集电路包括A/D芯片、模拟开关和分压电路，通过模拟开关的使能及地址引脚进行通道切换将分压后的模拟量信号传输给A/D芯片进行模数转换后进入FPGA。

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