CN206585579U - 一种面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统，包括以太网接口部分、数据处理部分及信号控制部分，以太网接口部分包括网络接口模块和寄存器组，信号控制部分包括中频信号转换模块和模拟信号转换模块，网络接口模块分别连接资源管理系统和寄存器组，寄存器组通过并行发送的形式发送到两路并行接收模块中，一路并行接收模块解析命令后通过音频矩阵切换模块送到模拟信号转换模块，另一路并行接收模块解析命令后通过电平转换模块送到中频信号转换模块。本实用新型采用嵌入式结构设计实现不同测控设备间信号的控制切换和重构复用。

Description

一种面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种控制系统，具体是一种面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统。

背景技术

预计到2020年，我国在轨运行卫星数量将达200颗，占全球在轨卫星数量的20％。航天测控呈现出高中低轨道兼顾、多型号任务交叉并行、单目标测控向多目标测控转变、实时发射测控与在轨卫星长期管理交织重叠的局面。为应对日益繁重的任务量，实现航天测控设备的可配置可重构并行组网运行成为未来发展的必然趋势。本文针对某测控站A、B两套测控设备，研究了分系统交叉组合、全系统重构复用、组网运行的实现技术。

为了解决设备与设备之间存在信号种类多、形式复杂和物理接口不匹配、设备各分系统对工作电平要求不一致等问题，本实用新型采用嵌入式结构设计实现不同测控设备间信号的控制切换和重构复用，使用的芯片主要包括：PIC24F系列单片机、以太网控制器W5300、电平转换控制芯片SN74LVC16245和音频开关矩阵MAX4456。通过上述芯片与外围电路的协同作业，完成了中频信号和音频信号的控制切换。首先，基于以太网控制器W5300开展了硬件网络信息接口的研究，设计了综合管理系统与单片机通信的以太网控制电路，实现了综合管理系统与单片机的网络命令收发功能；其次，开展了中频信号信息处理的研究，设计了中频信号分路/切换电路模块，实现了信道与基带之间中频信号的分路控制、电平调节和转换传输，该功能主要通过单片机驱动电平转换控制芯片SN74LVC16245工作，控制芯片引脚电平的相互转换来实现；最后，开展了模拟ACU信号信息处理的研究，设计了模拟ACU信号的分路/切换电路模块，实现了基带与ACU之间角误差信号、AGC信号的交叉复用，该功能主要通过单片机控制音频开关矩阵MAX4456选择输入、输出通道来实现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统，包括以太网接口部分、数据处理部分及信号控制部分，以太网接口部分包括网络接口模块和寄存器组，信号控制部分包括中频信号转换模块和模拟信号转换模块，网络接口模块分别连接资源管理系统和寄存器组，寄存器组通过并行发送的形式发送到两路并行接收模块中，一路并行接收模块解析命令后通过音频矩阵切换模块送到模拟信号转换模块，另一路并行接收模块解析命令后通过电平转换模块送到中频信号转换模块。

作为本实用新型进一步的方案：所述太网接口部分采用以太网控制器W5300，通过内部寄存器组来接收并发送综合管理系统的状态查询命令和参数设置命令。

作为本实用新型进一步的方案：所述数据处理部分以单片机PIC24F为核心，负责接收W5300发送而来的命令并进行解析，数据解析的内容包括信源、信宿IP地址的判断、信息类别码的识别以及数据的寄存器空间存放。

作为本实用新型再进一步的方案：所述音频矩阵切换模块采用芯片MAX4456负责模拟ACU信号的转换，电平转换模块采用芯片SN74LVC16245负责上行信号、差路信号及和路信号的转换。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型采用嵌入式结构设计实现不同测控设备间信号的控制切换和重构复用。

附图说明

图1为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统的结构示意图。

图2为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中信号控制部分原理框图。

图3为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中W5300与PIC24F单片机接口电路。

图4为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中W5300读写时序图。

图5为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中W5300的网络通信流程。

图6为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中SN74LVC16245与单片机电路连接图。

图7为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中SN74LVC16245控制电平软件流程图。

图8为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中MAX4456与单片机电路连接图。

图9为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中MAX4456切换数据设置时序图。

图10为面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统中单片机控制开关矩阵切换流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1～10，本实用新型实施例中，一种面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统，包括以太网接口部分、数据处理部分及信号控制部分，以太网接口部分包括网络接口模块和寄存器组，信号控制部分包括中频信号转换模块和模拟信号转换模块，网络接口模块分别连接资源管理系统和寄存器组，寄存器组通过并行发送的形式发送到两路并行接收模块中，一路并行接收模块解析命令后通过音频矩阵切换模块送到模拟信号转换模块，另一路并行接收模块解析命令后通过电平转换模块送到中频信号转换模块；所述太网接口部分采用以太网控制器W5300，通过内部寄存器组来接收并发送综合管理系统的状态查询命令和参数设置命令；所述数据处理部分以单片机PIC24F为核心，负责接收W5300发送而来的命令并进行解析，数据解析的内容包括信源、信宿IP地址的判断、信息类别码的识别以及数据的寄存器空间存放；所述音频矩阵切换模块采用芯片MAX4456负责模拟ACU信号的转换，电平转换模块采用芯片SN74LVC16245负责上行信号、差路信号及和路信号的转换。

由于参与并行组网的两套测控设备信号复杂，其中包括12路中频(70MHz)信号和8路角误差信号(视频信号)。为了实现对上述各种信号的切换控制，对信号控制系统的硬件电路进行了优化设计。系统由供电电源、AMS1117、LM7805、LM7905等电源管理模块、W5300网络通信模块、SN47ALC164245电平转换模块、MAX4456音频信号切换模块以及PIC24F单片机控制电路组成，控制原理框图如图2所示。

PIC24F系列单片机是16位精简指令集微控制器，具有工作电压低、功耗低、速度高、强大的输出驱动能力和外设功能、抗干扰性强、成本低等特点。PIC24F系列单片机能够满足8位单片机难以满足的性能要求，又能替代数字信号处理器等高性能的嵌入式应用。课题采用单片机型号为PIC24F系列中的PIC24FJ256GB108，其芯片特点是：指令执行速度可达16MIPS(百万条指令/秒)；8MHz内部振荡器，锁相环可达4倍频，并具有多个倍频选项；程序存储器寻址空间可达12MB；数据存储器寻址空间可达64KB；支持JTAG边界扫描和编程；并行主/从端口，支持8位或16位数据，支持16条地址线；共有7个16位的I/O口，可用的可重映射引脚共40个；具有5个外部中断源，37个用于中断控制器的寄存器，可通过中断控制寄存器将5个外部中断配置成上升或下降沿中断。

以太网控制器W5300内部集成了10/100M以太网控制器，具有强大的内存空间和数据处理能力，且使用方便、稳定可靠、成本低，同时，该芯片适用于全硬件通信协议技术，如TCP、UDP、IPv4、ICMP、IGMP、ARP和PPPoE等。

使用W5300不需要单片机编写复杂的TCP/IP等协议，大大降低了产品的开发难度，能够实现稳定可靠的远程数据通信系统。其芯片特点是：通信数据存储器可扩展到128字节，支持8位和16位数据总线，可以使用8个独立的端口进行高速数据通信；具有100个引脚，主要包括模式(MR)寄存器、通用(COMMON)寄存器、端口(SOCKET)寄存器，可以采用直接、间接两种方式的地址模式；W5300与单片机的硬件接口采用总线连接方式，通信数据可以通过每个端口的TX/RX FIFO寄存器进行访问。

电平转换控制芯片SN74LVC16245采用48脚封装结构，能够在2.5V、3.3V与5V电压节点之间进行灵活地双向电平转换，非常适用于便携式消费类电子产品、网络、数据通信以及计算机应用领域。该型的双电源电平转换器件能够在保持信号完整性及速度不变的情况下，在接口电压完全不同的两个设备之间进行通信。SN74LVC16245具有用于电平转换的两列端口，除了支持低电压向高电压的转换，该芯片支持反向转换。

音频开关矩阵芯片MAX4456速度很快，并且每个缓冲器具有稳定的增益，能驱动400欧姆的负载并具有35MHz的频带宽度。由于该芯片具有高阻抗输出功能，可较为方便的组成更大的切换矩阵。MAX4456芯片与单片机接口简单，控制方便。片内含有两行寄存器和译码器，寄存器用于输入数据和锁存控制码，译码器再将控制码译码去控制对应的矩阵开关使之接通或关断。控制数据的输入、输出可以有两种方式供选择，即并行方式和串行方式。

W5300与PIC24F接口电路如图3所示。在设计时主要使用W5300芯片的地址脚A3-A0、数据脚D7-D0、读写信号脚RD和WR。单片机的I/O口分别与这些引脚相连，在单片机的控制下进行地址和数据的读写工作，最终实现单片机与综合管理系统的数据传输。系统以全双工模式工作，W5300采用8位数据传输模式，并选用端口寄存器SOCKET0进行TCP协议通信。综合管理系统发出命令后，通过网口RJ45发送给W5300，W5300在PIC24F的驱动下将接收到的以太网帧解封，去掉以太网帧头和帧尾后得到TCP数据包。TCP数据包首先进入W5300接收缓冲寄存器S0_RX_FIFOR，然后被写入到W5300控制器继而发送给PIC24F。PIC24F将对TCP数据包的包头进行处理，得到控制命令的数据域。

W5300的读写时序如图4所示，W5300的数据读写方式将按照时序图进行。

图5所示为W5300的网络通信流程.系统上电复位后将对主机接口、网络信息和分配TX/RX存储器进行初始化设置，SOCKET0建立端口侦听后即可进行数据通信。

当W5300接收数据时，首先读取接收字节长度寄存器S0_RX_RSR，若其值大于0，则表示W5300接收到了数据。这些数据存放在接收缓冲器S0_RX_FIFOR中，PIC24F通过访问S0_RX_FIFOR对接收存储器RX进行读操作，并将接收到的数据存放在文件寄存器中，完成数据接收。此时可通过查看文件寄存器内的值来判断PIC24F是否接收到了数据。

当W5300向外发送数据时，PIC24F首先读取发送字节长度寄存器S0_TX_FSR的值。若大于0，待发送的数据将通过S0_TX_FIFOR依次写入到发送存储器TX中，数据字节数写入S0_TX_WRSR中，PIC24F通过执行SEND命令来执行数据发送工作。若要结束数据通信，应将S0_CR的值置为“0x10”，此时端口寄存器SOCKET0将关闭，否则将重新开始数据收发工作。

以太网控制器W5300接收数据后，将数据存放于PIC24F单片机的文件存储器中，每一类数据占用16字节的存储空间。根据信息帧格式的设计方案，将数据存放于地址0x2000～0x2050的文件存储器空间内。同时，单片机还需对开关状态定期进行采集，软件设计PIC24F每隔10s读取一次开关状态信息，并将采集到的信息存放在以地址0x2080开始的文件存储器空间内，以备发送状态查询命令响应。

SN74LVC16245与单片机PIC24F的电路连接方式如图6所示。由于系统的控制开关需要5V电平才能进行切换，而单片机能够为芯片提供3.3V电压，因此在设计时应实现3.3V电压向5V电压的转换。单片机RB15、RD15、RF5、RF8、RA14和RD8作为I/O口分别与SN74LVC16245的1A1-1A6脚相连，同时，由于音频开关矩阵芯片MAX4456的WR、LATCH及EDGE信号也需要5V电压来驱动工作，所以将单片机RB2、RD0和RD10分别与2A1、2A2和2A3相连，以实现2B1、2B2和2B3管脚的5V电压输出。下表所示为SN74LVC16245与接线端子对应关系：

SN74LVC16245芯片与单片机的连接主要用于实现中频信号的切换。RB15、RD15分别与SN74LVC16245芯片的1A1、1A2相连，用于控制设备A和设备B的上行信号；RF5、RF8分别与1A3、1A4连接，主要控制设备A和设备B的差路信号；RA14与RD8分别与1A5、1A6连接，负责和路信号的电平切换。在软件设计时，首先需对RB15、RD15、RF5、RF8、RA14与RD8的I/O端口类型进行设置，由于这些端口与SN74LVC16245芯片直接相连，它们将作为输出电压方提供给SN74LVC16245芯片，因此端口应设置为输出端口。根据SN74LVC16245芯片的工作机理，若要在1B1～1B6获得5V驱动电压，1A1～1A6端应有3.3V的电压输入，所以在电平转换时只需将对应的RB15、RD15、RF5、RF8、RA14、RD8引脚输出高电平即可。软件设计流程如图7所示。

采用音频开关矩阵芯片MAX4456作为设备A、设备B设备角误差信号的输入输出通道切换器，切换方式受单片机PIC24F控制。图8所示为MAX4456与单片机电路连接图。

MAX4456采用并行控制方式工作，因此将接地设置为低电平。输出通道A2～A0、输入通道D3～D0均与单片机直接相连。由于MAX4456需要+5V电压驱动以保证正常工作，因此在电路设计时，通过电平转换控制芯片SN74LVC16245将MAX4456芯片的低电平控制端、锁存端LATCH和写入端与单片机间接相连。并行控制方式下，MAX4456切换数据设置的时序如图9所示。

该工作时序图中可以看出，首先应将设置数据送到设置端口上，设置数据包括输入选择(A2～A0)和输出选择(D3～D0)，输入选择从8路输入信号中选择一路作为信号的输入通道；输出选择则确定要将该路信号输出到哪一路去，之所以采用4位编码模式，是因为输出还应该考虑禁止模式。锁存信号在一般情况下总是处在高电平，设置数据准备好后将锁存信号置为低电平。延时一定间隔即可将写信号置为低电平，设置数据将被送入芯片内部，并且执行交换操作，然后按照相同的顺序依次将锁存信号和写信号置为高电平，即可进行下一次的切换数据设置操作，设置方式与前次相同。根据MAX4456的工作时序，软件设计的流程如10所示。

单片机在切换通道之前，首先应读取参数设置命令中模拟ACU信号的值。根据数据格式约定规则，若模拟ACU信号的值为10H，则表示输入通道为设备B、设备A的角误差信号，分别输出给设备A、设备B的输出通道；若模拟ACU信号的值为01H，则表示输入通道为设备A的角误差信号给设备A输出通道，输入通道为设备B的角误差信号给设备B输出通道。

本实用新型针对并行组网运行的航天测控设备间信号选择控制、电平调节等现实问题，提出了基于嵌入式的信号控制方法。首先，基于SNMP协议设计了嵌入式网络管理控制系统，利用以太网控制器W530实现了综合管理系统与单片机通信的控制电路。然后，基于嵌入式芯片的信号切换处理系统，实现对中频信号和模拟信号控制插箱的网络管理；其中，基于电平转换控制芯片SN74LVC16245实现了中频信号分路切换控制。最后，设计并实现了基基于电平转换控制芯片SN74LVC16245的中频信号控制模块。该方法有效地实现了信道与基带之间中频信号以及基带与ACU之间角误差信号的分路控制、电平调节和转换，为测控设备的并行组网运行奠定了基础，大大增强了系统的鲁棒性。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统，包括以太网接口部分、数据处理部分及信号控制部分，其特征在于，以太网接口部分包括网络接口模块和寄存器组，信号控制部分包括中频信号转换模块和模拟信号转换模块，网络接口模块分别连接资源管理系统和寄存器组，寄存器组通过并行发送的形式发送到两路并行接收模块中，一路并行接收模块解析命令后通过音频矩阵切换模块送到模拟信号转换模块，另一路并行接收模块解析命令后通过电平转换模块送到中频信号转换模块。

2.根据权利要求1所述的面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统，其特征在于，所述太网接口部分采用以太网控制器W5300。

3.根据权利要求1所述的面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统，其特征在于，所述数据处理部分以单片机PIC24F为核心。

4.根据权利要求1所述的面向航天测控设备并行组网运行的信号控制系统，其特征在于，所述音频矩阵切换模块采用芯片MAX4456负责模拟ACU信号的转换，电平转换模块采用芯片SN74LVC16245负责上行信号、差路信号及和路信号的转换。