鄧 輝，溫 瑞

(中國(guó)人民解放軍92853部隊(duì)，遼寧 興城 125109)

0 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，航空遙測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化傳輸趨勢(shì)愈發(fā)明顯[1]。為實(shí)現(xiàn)多飛行目標(biāo)和地面接收站之間建立高碼率、網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)傳輸鏈路，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位進(jìn)行了多種嘗試，基于COFDM調(diào)制方式的NETNode無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)IP電臺(tái)傳輸方案就是其中一種[2]。該方案由無(wú)線IP電臺(tái)搭建地面與飛行目標(biāo)、飛行目標(biāo)與飛行目標(biāo)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路通道，將一臺(tái)IP電臺(tái)作為一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，多個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合成一個(gè)自組織、自愈合的無(wú)線網(wǎng)。靈活的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使節(jié)點(diǎn)之間在同一頻率上以UDP組播方式進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)中繼增加傳輸距離[3]。由于網(wǎng)內(nèi)IP電臺(tái)間以無(wú)線IP通信方式交換數(shù)據(jù)，同節(jié)點(diǎn)內(nèi)IP電臺(tái)與機(jī)載遙測(cè)信息采集編碼設(shè)備也通過(guò)TCP/IP有線通信方式交換數(shù)據(jù)包。因此需要專門(mén)設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包輸出的遙測(cè)信息采集編碼設(shè)備，以滿足無(wú)線IP電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化傳輸需求[4]。該設(shè)備是在傳統(tǒng)PCM遙測(cè)采集編碼記錄設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)完成的，不但能夠使編碼信息形成復(fù)合PCM數(shù)據(jù)流進(jìn)行本地存儲(chǔ)，而且能夠組成IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包并通過(guò)RJ45網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送至IP電臺(tái)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳輸。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于網(wǎng)絡(luò)輸出的遙測(cè)信息采集編碼器主要由硬件系統(tǒng)和嵌入軟件組成[5]。設(shè)備繼承了國(guó)內(nèi)機(jī)載遙測(cè)系統(tǒng)信息采集編碼器的部分設(shè)計(jì)成果，其中平顯視頻采集板、ARINC-429總線采集板、RS422總線采集板以及母板和電源板繼續(xù)使用了原型成果，只是在主控板基礎(chǔ)上增加IRIG-B AC時(shí)碼接收模塊和以太網(wǎng)輸出模塊，并對(duì)設(shè)備整體架構(gòu)進(jìn)行了重新布板規(guī)劃[6]。設(shè)備布板主要包括平顯視頻采集板、ARINC-429總線采集板、RS422總線采集板、模擬量采集板(集成模擬量采集模塊和熱電偶采集模塊)、頻率量和離散量采集板、主控板(集成主控模塊、PCM編碼模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、以太網(wǎng)模塊以及IRIG-B AC時(shí)碼模塊等)、母板及電源板等板卡。設(shè)備機(jī)箱插板規(guī)劃示意如圖1所示。機(jī)箱采用后出線方式，所有操作、采集、輸出接口都設(shè)計(jì)在右側(cè)面板上，機(jī)箱正視圖如圖2，對(duì)外接口如表1所示。

圖1 設(shè)備機(jī)箱插板規(guī)劃

圖2 機(jī)箱正視圖

表1 機(jī)箱對(duì)外接口

序號(hào)標(biāo)號(hào)對(duì)外功能接口1X1視頻信號(hào)采集接口2X2電源輸入接口3X3RS422、ARIN429、時(shí)碼、離散量等信號(hào)采集接口4X4模擬量、頻率量信號(hào)采集接口5X5數(shù)據(jù)下載輸出接口6X6PCM、100 M以太網(wǎng)輸出接口7X7熱電偶信號(hào)采集接口

1.2 主控板設(shè)計(jì)

設(shè)備主控板主要包括主控模塊、PCM編碼模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)下載模塊、IRIG-B AC時(shí)碼接收模塊、以太網(wǎng)輸出模塊等功能模塊。以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)輸出按照主控板PCM流的一個(gè)子幀為單位進(jìn)行打包發(fā)送，其中一包數(shù)據(jù)為一般采集參數(shù)，另一包為視頻數(shù)據(jù)。主控板設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 主控板設(shè)計(jì)原理

各模塊主要功能：

① 主控模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行管理調(diào)度，通過(guò)LVDS總線和Local BUS總線管理各功能板卡，并為各采集功能板提供參考時(shí)鐘和全局同步脈沖信號(hào)；

② PCM編碼模塊實(shí)現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)按照PCM編碼格式編排及發(fā)送；

③ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)將所有采集數(shù)據(jù)按照一定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量可達(dá)4 G；

④ 數(shù)據(jù)下載模塊實(shí)現(xiàn)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)專用通信接口下傳；

⑤ AC時(shí)碼接收模塊實(shí)現(xiàn)將AC時(shí)碼信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行解調(diào)，輸出秒脈沖信號(hào)和時(shí)碼參數(shù)；

⑥ 以太網(wǎng)輸出模塊使用FPGA內(nèi)部的高速通信收發(fā)器配合外部物理層電路實(shí)現(xiàn)10/100 Mbps的以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)通信。

1.3 模擬量采集板設(shè)計(jì)

模擬量采集板采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括電壓跟隨器、濾波電路、增益調(diào)節(jié)電路、通道選擇電路及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路等功能電路[7]，設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

板卡前端為調(diào)理電路、后端為配置電路，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)9路模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、幅值調(diào)節(jié)，使其滿足AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)輸入信號(hào)的要求，并通過(guò)FPGA完成各通道采樣率配置后，根據(jù)總線上的時(shí)序控制信號(hào)控制AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再將每次轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳送給主控板。

圖4 模擬量采集板設(shè)計(jì)原理

1.4 離散量和頻率量采集板

離散量和頻率量采集板由離散量采集模塊、SPI總線模塊(熱電偶信號(hào)采集)和頻率量采集模塊3部分組成。設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

圖5 離散量和頻率量采集板設(shè)計(jì)原理

離散量采集模塊可對(duì)12路離散量信號(hào)實(shí)時(shí)采集，并將離散量數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式配置后通過(guò)總線傳送給主控板。SPI總線模塊采用ALTERA公司成熟的IP核設(shè)計(jì)SPI總線接口。

頻率量采集模塊由信號(hào)調(diào)理、信號(hào)濾波、信號(hào)放大及施密特觸發(fā)器等部分組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)通道頻率量信號(hào)的采集。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件組成及功能

設(shè)備軟件主要包括配置信息模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、以太網(wǎng)組包模塊及發(fā)送模塊、視頻板授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)下載模塊等功能模塊[8]。主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包組包發(fā)送，并能及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄等功能。軟件同時(shí)還具有與數(shù)據(jù)下載裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互功能，能夠完成對(duì)記錄數(shù)據(jù)的下載、擦除等工作。

2.2 軟件工作流程

按照設(shè)備軟件工作內(nèi)容以及框架設(shè)計(jì)要求，主要分為系統(tǒng)初始化、工作模式選擇、數(shù)據(jù)采集模式及數(shù)據(jù)下載模式4步工作流程，如圖6所示。

圖6 軟件工作流程

軟件時(shí)序步驟如下：

① 系統(tǒng)上電；

② 配置信息模塊工作時(shí)，完成系統(tǒng)初始化(包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式讀取、設(shè)置、數(shù)據(jù)采集參數(shù)配置以及記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理更新等)；

③ 工作模式選擇時(shí)，完成系統(tǒng)工作模式選擇；

④ 數(shù)據(jù)采集模式工作時(shí)，完成數(shù)據(jù)采集、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)記錄等；

⑤ 數(shù)據(jù)下載模式工作時(shí)，完成與外部數(shù)據(jù)下載裝置的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)擦除等工作；

⑥ 數(shù)據(jù)采集工作模式選定并開(kāi)始工作時(shí)，采集系統(tǒng)按照配置好的工作模式開(kāi)始工作，工作過(guò)程中模式不可變。

2.3 數(shù)據(jù)包輸出及存儲(chǔ)格式

設(shè)備輸出的IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包以PCM流的一個(gè)子幀為單位進(jìn)行組包，其中一包數(shù)據(jù)為一般采集參數(shù)，另一包為視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)端口和視頻端口分別輸出。數(shù)據(jù)包格式定義如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)包格式定義圖

源端，目端：各占2 Byte，高字節(jié)表示類別編碼，低字節(jié)表示編碼。編號(hào)從1開(kāi)始，依次編排。如2號(hào)機(jī)遙測(cè)采集編碼設(shè)備編碼高字節(jié)為001(0X65)，低字節(jié)為2(0X02)，其系統(tǒng)編碼為0X6502；

長(zhǎng)度：長(zhǎng)度字段指示了數(shù)據(jù)正文的字節(jié)數(shù)，為無(wú)符號(hào)整形，占2 Byte；

保留字：預(yù)留2 Byte的保留字，以后擴(kuò)充；

信息分類：001(0X65)；

LABLE：信息標(biāo)簽，0X13；

SN：序列號(hào)，1～65 535，每發(fā)送一個(gè)報(bào)文序列號(hào)加1，到65 535回到1；

RN：機(jī)載采集記錄設(shè)備編號(hào)；

FN：航空器號(hào)，4 Byte；

ST：飛行架次，整型數(shù)，2 Byte；

偏移量標(biāo)記：當(dāng)偏移量標(biāo)記為1時(shí)，下面的PARi部分為視頻數(shù)據(jù)；

PARi：第i個(gè)參數(shù)，整型數(shù)，4 Byte，共80個(gè)參數(shù)，內(nèi)容為-999為無(wú)效數(shù)據(jù)；

T：發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的絕對(duì)時(shí)間：24 Byte，字符類型表示方式為：YYYY-MM-DD hh：mm：dd.ffff。

2.3 參數(shù)配置

參數(shù)配置文件是采集編碼設(shè)備賴以運(yùn)行的依據(jù)，需要用戶在地面通過(guò)維護(hù)軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。配置文件要求設(shè)備與IP電臺(tái)、地面系統(tǒng)計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)設(shè)備在同一IP網(wǎng)段下配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，規(guī)劃相應(yīng)的IP地址、組播地址及數(shù)據(jù)端口和視頻端口號(hào)。文件腳本在系統(tǒng)維護(hù)軟件“configfile”文件夾下的“tracknet.xml”文件中，通過(guò)編輯“net”節(jié)點(diǎn)設(shè)置完成。設(shè)備參數(shù)配置完成后，設(shè)備軟件會(huì)根據(jù)存儲(chǔ)的配置文件自動(dòng)運(yùn)行。

3 測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試方法

信息采集編碼器設(shè)備通過(guò)采用機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)和內(nèi)場(chǎng)綜合自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(IATE)相配合方法完成測(cè)試性設(shè)計(jì)。BIT可對(duì)設(shè)備機(jī)內(nèi)各板卡進(jìn)行工作狀態(tài)檢測(cè)，并通過(guò)機(jī)箱上的狀態(tài)指示燈顯示[9]。由于僅僅依靠BIT無(wú)法檢測(cè)和隔離接口電路、電纜、導(dǎo)線以及連接器等器件故障，因此又配備了IATE以完成對(duì)設(shè)備功能、性能測(cè)試及故障診斷隔離。

IATE設(shè)備采用閉環(huán)測(cè)試方法完成測(cè)試過(guò)程，即將事先配置好的模擬信息源輸送給信息采集編碼器的同時(shí)，又接收以太網(wǎng)接口輸出的數(shù)據(jù)包信息，再利用軟件對(duì)接收的數(shù)據(jù)包信息進(jìn)行分析和檢測(cè)，得出信息采集編碼器功能、性能測(cè)試結(jié)果；也可使用數(shù)據(jù)下載器下載信息采集編碼器存儲(chǔ)的PCM流數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)IATE軟件對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息與輸入模擬信息源信息進(jìn)行比對(duì)分析，判斷信息采集編碼器是否有故障[10]。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

3.2.1 單向傳輸速率測(cè)試

IATE設(shè)備分10組連續(xù)給信息采集編碼器輸送1 MB模擬信息源數(shù)據(jù)[11]，再通過(guò)IATE軟件檢測(cè)信息采集編碼器以太網(wǎng)接口和PCM下載接口的輸出速率和丟包情況，結(jié)果如下：

① PCM下載輸出接口碼速率為1 Mbps；

② 以太網(wǎng)輸出接口碼速率為15.35 Mbps；

③ 通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行故障診斷與分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)捕獲的10組數(shù)據(jù)包中網(wǎng)絡(luò)丟包小于0.01%。

3.2.2 功能及性能測(cè)試

通過(guò)IATE軟件對(duì)接收的2種數(shù)據(jù)包進(jìn)行導(dǎo)入提取、轉(zhuǎn)換及解算處理等工作后，分離解析出了完整的以PCM流子幀為單位的編碼信息。模擬的信息量包括：

① 4路ARINC-429信息；② 4路RS422信息；③ 11路模擬量信息；④ 4路頻率量信息；⑤ 12路離散量信息；⑥ 1路平顯視頻信息；⑦ 1路IRIG-B AC時(shí)碼信息。

上述分離出的編碼信息檢測(cè)結(jié)果顯示：輸入的各路模擬信息源得到了正確采集，信息解碼恢復(fù)的模擬參數(shù)能夠反映飛機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

信息采集編碼設(shè)備是無(wú)線電機(jī)載遙測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一[12]。為了適應(yīng)遙測(cè)信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)男枨?，在?duì)傳統(tǒng)PCM遙測(cè)采集編碼設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用基于網(wǎng)絡(luò)輸出的信息采集編碼方案，實(shí)現(xiàn)了以PCM流一個(gè)子幀為單位進(jìn)行組包發(fā)送的以太網(wǎng)格式，為遙測(cè)信息的高碼率、網(wǎng)絡(luò)化傳輸創(chuàng)造了條件[13]。在設(shè)備研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)備以太網(wǎng)輸出模塊內(nèi)嵌的高速通信收發(fā)器自帶的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(Vxworks Network Stack，VNS)單向網(wǎng)絡(luò)傳輸速率只能到達(dá)15 Mbps左右，滿足不了高采樣網(wǎng)絡(luò)速率的需求[14]。近年出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)底層發(fā)包技術(shù)跳過(guò)了VNS的多層打包和多次數(shù)據(jù)復(fù)制緩存的過(guò)程，直接調(diào)用網(wǎng)絡(luò)芯片底層驅(qū)動(dòng)將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，可以明顯的提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率[15]，解決了網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題。