面向在轨模块更换的高级信号接口模块设计研究

杜娟+张孝君

摘  要： 针对在轨模块更换任务中接口的即插即用特性进行了分析研究，给出一种用于解决在轨模块更换任务中完成电信接口向统一的即插即用串行总线转变的高级信号接口模块设计。分析了ASIM的基本设计原理以及设计技术指标，给出ASIM的硬件结构模型以及软件结构模型，进而完成了ASIM软硬件设计。研究内容为实现航天器在轨模块接口统一、即插即用以及在轨模块更换奠定了基础。

关键词： 在轨模块更换; 即插即用; 高级信号接口模块; 航天器

中图分类号： TN911?34; V411.8                  文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2014）24?0037?04

Design study of ASIM for on?orbit module replacement

DU Juan1， ZHANG Xiao?jun2

（1. Company of Postgraduate Management， the Academy of Equipment， Beijing 101416， China;2. China Taiyuan Satellite Launch Center， Taiyuan 036301， China）

Abstract： The plug?and?play characteristics of interface for the on?orbit module replacement are analyzed and studied. The design of advanced signal interface module （ASIM） to complete the transition from telecom interface to unified plug?and?play serial bus for the task of on?orbit module replacement is introduced. The basic design principle and specifications of ASIM are analyzed in this paper. The hardware and software structure models of ASIM are given. The hardware and software designs of ASIM were completed. The research laid a foundation for realizing the unity of spacecraft on?orbit module interface， plug?and?play and on?orbit module replacement.

Keywords： on?orbit module replacement; plug?and?play; advanced signal interface module; spacecraft

0  引  言

目前，随着军事战略的不断调整和航天技术的不断进步，卫星快速组装以及模块在轨更换已经成为未来天基平台发展的一个主要方向[1?2]。由于即插即用技术在在轨模块更换、在轨组装、快速响应战术卫星等方面具有广阔应用前景，对即插即用卫星相关技术的研究已经成为各国卫星发展的重要组成部分[3]。

为使卫星模块具备即插即用特性，接口总线应当重点考虑像USB和Spacewire这样能够支持即插即用功能的总线，并且把不支持即插即用的总线（如RS 232、RS 422等）通过转换电路转成支持即插即用功能的串行总线[4?5]。对于非总线接口部分而言，目前的接口多是采用A/D、D/A、DIO、计数器等方式实现。每类可更换模块的非总线接口表现出比较大的差异性，为了保证模块之间电信接口的简单一致，需要将这些信息也都转变成即插即用串行总线输出。需要设计专门的“高级信号接口模块（Advanced Signal Interface Module，ASIM）”完成电信接口向统一的即插即用串行总线的转变。

1  ASIM设计原理及指标

1.1  ASIM设计原理

可更换模块的种类千差万别，其电信接口种类多样（如UART、I2C、数字I/O、模拟量等），没有统一规范的标准，为了最大限度地继承已有的成熟模块，在原有模块电信接口的基础上加入“高级信号接口模块”，将已有模块的电信接口转化成统一规范的即插即用串行总线。如图1所示，高级信号接口模块（ASIM）一端连接可更换模块，另一端和被服务航天器的串行总线连接。为使研究方案具体化，选用USB总线作为电信接口中的即插即用串行总线。

ASIM集成了A/D转换器和各种常用的数字接口（如UART、I2C、数字I/O、模拟量等），能够与各种不同的在轨可更换模块连接;另一端连接被服务航天器的电信接口。同时， ASIM还保留有UART测试旁路接口，能与PC机相连。进行系统测试与模块配置。

PC机串口与ASIM的测试旁路接口相连，通过上位机软件完成模块接口的配置（包括接入模块的接口数量、接口类型、速率等），将“在轨可更换模块”的相关信息注入到ASIM内的非易失性存储器，另外完成对ASIM和传感器状态的检测。

图1 高级信号接口模块（ASIM）示意图

ASIM可与多个（1～5个）模块数据接口相连，ASIM采集多个（1～5个）接口数据，缓存、编目并组帧，然后转换为USB协议及网口协议上传至PC机，利用USB HUB或网络HUB可实现多个在轨可更换模块的同时接入。

在没有可更换模块的场合，PC机可虚拟可更换模块的数据，通过ASIM的测试旁路接口输入，然后由ASIM转换为USB协议及网络协议上传至PC机，完成对ASIM的功能验证。

1.2  ASIM设计指标

根据常用的卫星部件接口特性，设计了对应的ASIM接口指标为：

可更换模块接口：一路数字I/O、一路I2C、两路UART（RS 232/422）、一路模拟;可更换模块UART接口速率：2 400～115 200 b/s自适应;可更换模块UART接口电平：232电平、422电平;I2C接口电平：TTL电平;数字I/O接口电平：TTL电平;A/D转换量程：峰峰值1 V;USB版本：USB 2.0;测试旁路接口波特率：115 200 b/s;测试旁路接口电平：232电平。

2 ASIM软硬件设计

2.1  硬件设计

下面从两个方面设计ASIM的硬件：一是硬件组成框图及各个结构的接口设计;二是对硬件组成框图中涉及到的芯片进行选型。

（1） 硬件组成及结构接口设计

高级信号接口模块主要通过FPGA加以实现，根据其基本原理以及技术指标，可得出其硬件组成框图如图2所示。高级信号接口模块的各个结构的接口设计为：

电路板尺寸：不大于110 mm×80 mm，四周有固定孔（不接地）;传感器接口插座：32（或大于32）针（封装自选，要求导线尽量粗，以便于和各种传感器接线），信号如表1所示，电路板上对每一种接口都需有标记;

SMA座：模拟信号的另一输入端，信号与传感器接口插座的1口相连，地与传感器接口插座的2口相连;

隔离电阻：50 Ω电阻或排阻;

JTAG插座：DIP（2.54），10针;

电源插座：防插反SIP，4针;

USB插座：Mini USB插座;

网口插座：RJ45插座;

1PPS插座：SIP（2.54），2针;

串口插座：SIP（2.54），3针;

跳线及LED灯：4个拨码开关（封装尽量小）、4个LED灯（0805）;

电阻、电容等尽量选择0805封装，面积受限时可用0603封装。其中，可更换模块接口包括了四种类型的接口，32针具体分配如表1所示。

表1 针接口分配表

图2 高级信号接口模块（ASIM）的硬件组成框图

（2） 芯片选型

芯片选型应该与高级信号接口模块的设计要求相一致，使得所选择的器件在满足接口模块功能需求的同时，应具有尽量低的体积、重量、功耗等指标：

FPGA芯片：选用工业级的Cyclone 4 EP4CE55芯片，采用F484封装;

EPC芯片：选择EPCS16芯片，EPCS16属于Altera的串行配置器件系列，是可编程逻辑工业领域中最低成本的配置器件。其具有包括在系统可编程（ISP）、FLAH存储器访问接口、节省单板空间的小外形集成电路（SOIC）封装等高级特征，使得串行配置器件成为CycloneⅡ和Cyclone FPGA系列产品在大容量及价格敏感的应用环境下的完美补充;

SDRAM：选用MT48LC2M32B2TG?7芯片;

FLASH：选用AM29LV128MH123R芯片;

晶振：选用40 MHz晶振，稳定度不低于10 ppm;

A/D转换器：采用AD9236芯片;

放大器：AD8132，通过电阻比例实现信号幅度调理;

232?TTL：选用MAX3232芯片;

422?TLL：MAX3091;

USB芯片：选用Cypress公司的CY7C68013A芯片[6];

网络芯片：选用LAN91C111芯片;

电源转换组合：将28 V转换为FPGA的管脚电压V1、核电压V2、锁相电压V3;

传感器：四种不同接口的传感器：有，数字I/O，利用FPGA模拟出该信号;I2C，光照传感器TSL2561;UART，无盲区超声波测距模块传感器SDM?UART?300;模拟，压力传感器MD?PS002。

2.2  软件设计

ASIM软件功能模块组成如图3（a）所示，包括ORU接口模块、SoPC模块、上位机接口模块、USB接口模块、网络接口模块以及上位机软件。ORU接口模块通过相应接口采集ORU（1～5个）的数据并缓存、编目、组帧，然后由SoPC通过Avalon总线读取数据帧并转换为USB及网络协议，通过USB接口模块和网络接口模块上传至上位机;上位机软件一方面接收USB接口和网口数据，完成数据解帧、区分和显示;另一方面通过UART口向ASIM发送控制和探寻指令，上位机接口模块通过UART口接收指令并缓存，由SoPC通过Avalon总线读取、执行并通过上位机接口模块向PC机回复，以完成ASIM传感器接口的选取、ASIM工作状态的检测、传感器属性数据以及虚拟传感器数据的注入。各个接口功能的实现需要进行反复的调试才能最终满足设计要求（如图3（b）所示）。

图3 高级信号接口模块（ASIM）软件功能及调试示意图

（1） 上位机软件。上位机软件须用VC编写，运行在Windows环境下，包括状态控制和数据处理两个部分。状态控制部分通过UART口与ASIM进行交互，主要功能包括：

① 选定ASIM接口，从模拟、UART（232）、UART（422）、I2C、数字I/O中选择1～5种;

② 监测ASIM工作状态，包括各路是否打开、各路是否接收到传感器数据;

③ 写入传感器属性数据，将器件数据表单写入FLASH;

④ 注入虚拟的传感器数据，在没有传感器的条件下模拟传感器数据，以验证ASIM的功能;

⑤ 数据处理部分负责USB或网口数据的接收、解帧、区分和显示;

⑥ 所有指令均为一次握手，即上位机将指令发送至ASIM，ASIM需回复一次，上位机进行检查，如果某一帧传输出错，则自动重新传输。指令格式参考表2所示。

表2 帧指令格式参考表

（2） SoPC模块。SoPC模块为整个ASIM的核心模块，由Nios Ⅱ搭建，须运行在μC/OS?Ⅱ操作系统上，对整个ASIM起主控的作用，包括传感器数据的调度以及协议转换、USB和网络数据处理、传感器即插即用、上位机指令执行和状态查询。软件任务划分参考图4。可划分为四个任务：USB数据处理任务、网络数据处理任务、ORU数据处理任务和上位机指令处理任务。ORU数据处理任务由传感器中断Sensor_ISR或串口中断UART_ISR启动，完成传感器数据的采集、缓存。USB数据处理任务可由ORU数据处理任务启动，完成数据的USB传输;也可在ASIM的USB接口插入PC机时（即USB设备枚举时）由软件中断启动，完成传感器的即插即用（PC机读取ASIM上的非易失性存储器，获取传感器的种类、ID号、厂家等属性）。网络数据处理任务可由ORU数据处理任务启动，完成数据的网络传输;也可在ASIM的网接口插入PC机时由软件中断启动，完成ORU的即插即用（PC机读取ASIM上的非易失性存储器，获取ORU的种类、ID号、厂家等属性）。上位机指令处理任务由串口中断UART_ISR启动，进行上位机指令的解析、执行和回复，实现ORU端接口类型与速率的选择、ASIM工作状态的查询、ORU属性数据的注入。

图4 SoPC软件任务划分参考图

（3） USB接口模块。SoPC模块的Avalon总线与外部CY7C68013A芯片之间的逻辑匹配模块，由硬件描述语言实现。

（4） 网络接口模块。SoPC模块的Avalon总线与外部LAN91C111芯片之间的逻辑匹配模块，由硬件描述语言实现。

（5） ORU接口模块。集成UART（速率自适应）、I2C、数字I/O以及A/D采样子模块，在上位机的控制下，接口种类、数据率可选。采集的数据存入FIFO，再经FIFO接口模块转换为Avalon总线协议由SoPC模块读取。如图5所示。

图5 ORU接口模块功能框图

3  结  语

本文主要面向在轨模块更换任务，为了完成电信接口向统一的即插即用串行总线的转变，而对实现高级信号接口模块（ASIM）进行了软硬件设计研究。在分析了ASIM的基本设计原理以及技术指标的基础上，得到了ASIM的硬件结构模型以及软件结构模型。研究内容为实现模块接口统一，即插即用以及在轨模块更换奠定了基础。

参考文献

[1] 陈小前，袁建平，姚雯，等.航天器在轨服务技术[M].北京：中国宇航出版社，2009.

[2] 林来兴.小卫星技术发展和应用前景：兼谈卫星设计思想演变[J].航天器工程，2006，15（3）：14?18.

[3] 赵亚雄，李新洪，郝大功.基于XML的卫星即插即用接口模块设计[J].装备学院学报，2012，23（2）：68?71.

[4] CANNON Scott. Responsive space plug & play with the satellite data model [C]// 7th International Energy Conversion Engineering Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 1?6.

[5] LANZA Denise， VICK Robert， LYKE J C. The space plug?and?play avionics common data dictionary： constructing the language of SPA [C]// Aerospace of AIAA Infotech 2010 Conference. Atlanta， Georgia： AIAA， 2010： 20?30.

[6] PREDKO Myke. PC接口技术内幕[M].北京：中国电力出版社，2002.

③ 写入传感器属性数据，将器件数据表单写入FLASH;

④ 注入虚拟的传感器数据，在没有传感器的条件下模拟传感器数据，以验证ASIM的功能;

⑤ 数据处理部分负责USB或网口数据的接收、解帧、区分和显示;

⑥ 所有指令均为一次握手，即上位机将指令发送至ASIM，ASIM需回复一次，上位机进行检查，如果某一帧传输出错，则自动重新传输。指令格式参考表2所示。

表2 帧指令格式参考表

（2） SoPC模块。SoPC模块为整个ASIM的核心模块，由Nios Ⅱ搭建，须运行在μC/OS?Ⅱ操作系统上，对整个ASIM起主控的作用，包括传感器数据的调度以及协议转换、USB和网络数据处理、传感器即插即用、上位机指令执行和状态查询。软件任务划分参考图4。可划分为四个任务：USB数据处理任务、网络数据处理任务、ORU数据处理任务和上位机指令处理任务。ORU数据处理任务由传感器中断Sensor_ISR或串口中断UART_ISR启动，完成传感器数据的采集、缓存。USB数据处理任务可由ORU数据处理任务启动，完成数据的USB传输;也可在ASIM的USB接口插入PC机时（即USB设备枚举时）由软件中断启动，完成传感器的即插即用（PC机读取ASIM上的非易失性存储器，获取传感器的种类、ID号、厂家等属性）。网络数据处理任务可由ORU数据处理任务启动，完成数据的网络传输;也可在ASIM的网接口插入PC机时由软件中断启动，完成ORU的即插即用（PC机读取ASIM上的非易失性存储器，获取ORU的种类、ID号、厂家等属性）。上位机指令处理任务由串口中断UART_ISR启动，进行上位机指令的解析、执行和回复，实现ORU端接口类型与速率的选择、ASIM工作状态的查询、ORU属性数据的注入。

图4 SoPC软件任务划分参考图

（3） USB接口模块。SoPC模块的Avalon总线与外部CY7C68013A芯片之间的逻辑匹配模块，由硬件描述语言实现。

（4） 网络接口模块。SoPC模块的Avalon总线与外部LAN91C111芯片之间的逻辑匹配模块，由硬件描述语言实现。

（5） ORU接口模块。集成UART（速率自适应）、I2C、数字I/O以及A/D采样子模块，在上位机的控制下，接口种类、数据率可选。采集的数据存入FIFO，再经FIFO接口模块转换为Avalon总线协议由SoPC模块读取。如图5所示。

图5 ORU接口模块功能框图

3  结  语

本文主要面向在轨模块更换任务，为了完成电信接口向统一的即插即用串行总线的转变，而对实现高级信号接口模块（ASIM）进行了软硬件设计研究。在分析了ASIM的基本设计原理以及技术指标的基础上，得到了ASIM的硬件结构模型以及软件结构模型。研究内容为实现模块接口统一，即插即用以及在轨模块更换奠定了基础。

参考文献

[1] 陈小前，袁建平，姚雯，等.航天器在轨服务技术[M].北京：中国宇航出版社，2009.

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[5] LANZA Denise， VICK Robert， LYKE J C. The space plug?and?play avionics common data dictionary： constructing the language of SPA [C]// Aerospace of AIAA Infotech 2010 Conference. Atlanta， Georgia： AIAA， 2010： 20?30.

[6] PREDKO Myke. PC接口技术内幕[M].北京：中国电力出版社，2002.

③ 写入传感器属性数据，将器件数据表单写入FLASH;

④ 注入虚拟的传感器数据，在没有传感器的条件下模拟传感器数据，以验证ASIM的功能;

⑤ 数据处理部分负责USB或网口数据的接收、解帧、区分和显示;

⑥ 所有指令均为一次握手，即上位机将指令发送至ASIM，ASIM需回复一次，上位机进行检查，如果某一帧传输出错，则自动重新传输。指令格式参考表2所示。

表2 帧指令格式参考表

（2） SoPC模块。SoPC模块为整个ASIM的核心模块，由Nios Ⅱ搭建，须运行在μC/OS?Ⅱ操作系统上，对整个ASIM起主控的作用，包括传感器数据的调度以及协议转换、USB和网络数据处理、传感器即插即用、上位机指令执行和状态查询。软件任务划分参考图4。可划分为四个任务：USB数据处理任务、网络数据处理任务、ORU数据处理任务和上位机指令处理任务。ORU数据处理任务由传感器中断Sensor_ISR或串口中断UART_ISR启动，完成传感器数据的采集、缓存。USB数据处理任务可由ORU数据处理任务启动，完成数据的USB传输;也可在ASIM的USB接口插入PC机时（即USB设备枚举时）由软件中断启动，完成传感器的即插即用（PC机读取ASIM上的非易失性存储器，获取传感器的种类、ID号、厂家等属性）。网络数据处理任务可由ORU数据处理任务启动，完成数据的网络传输;也可在ASIM的网接口插入PC机时由软件中断启动，完成ORU的即插即用（PC机读取ASIM上的非易失性存储器，获取ORU的种类、ID号、厂家等属性）。上位机指令处理任务由串口中断UART_ISR启动，进行上位机指令的解析、执行和回复，实现ORU端接口类型与速率的选择、ASIM工作状态的查询、ORU属性数据的注入。

图4 SoPC软件任务划分参考图

（3） USB接口模块。SoPC模块的Avalon总线与外部CY7C68013A芯片之间的逻辑匹配模块，由硬件描述语言实现。

（4） 网络接口模块。SoPC模块的Avalon总线与外部LAN91C111芯片之间的逻辑匹配模块，由硬件描述语言实现。

（5） ORU接口模块。集成UART（速率自适应）、I2C、数字I/O以及A/D采样子模块，在上位机的控制下，接口种类、数据率可选。采集的数据存入FIFO，再经FIFO接口模块转换为Avalon总线协议由SoPC模块读取。如图5所示。

图5 ORU接口模块功能框图

3  结  语

本文主要面向在轨模块更换任务，为了完成电信接口向统一的即插即用串行总线的转变，而对实现高级信号接口模块（ASIM）进行了软硬件设计研究。在分析了ASIM的基本设计原理以及技术指标的基础上，得到了ASIM的硬件结构模型以及软件结构模型。研究内容为实现模块接口统一，即插即用以及在轨模块更换奠定了基础。

参考文献

[1] 陈小前，袁建平，姚雯，等.航天器在轨服务技术[M].北京：中国宇航出版社，2009.

[2] 林来兴.小卫星技术发展和应用前景：兼谈卫星设计思想演变[J].航天器工程，2006，15（3）：14?18.

[3] 赵亚雄，李新洪，郝大功.基于XML的卫星即插即用接口模块设计[J].装备学院学报，2012，23（2）：68?71.

[4] CANNON Scott. Responsive space plug & play with the satellite data model [C]// 7th International Energy Conversion Engineering Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 1?6.

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[6] PREDKO Myke. PC接口技术内幕[M].北京：中国电力出版社，2002.