一种卫星数字接口拉偏验证系统.pdf

1、10申请公布号CN102323904A43申请公布日20120118CN102323904ACN102323904A21申请号201110244427222申请日20110823G06F11/26720060171申请人中国空间技术研究院地址100094北京市海淀区友谊路104号72发明人安卫钰李威王志富郝燕艳王雷计平74专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人安丽54发明名称一种卫星数字接口拉偏验证系统57摘要一种卫星数字接口拉偏验证系统，包括时钟模块、上位机接口模块、FPGA、星上接口模块和电源模块；电源模块为上位机接口模块、FPGA和星上接口模块提供电源，时钟模块为FPGA提供时

2、钟信号，上位机接口模块实现FPGA和上位机之间的数据交换和传输，星上接口模块实现FPGA和星上设备的数据交换和传输以及FPGA输出的时序信号上升沿和下降沿的拉偏；FPGA实现数据的交互以及时序信号的延时拉偏。本发明可实现数字信号的时序拉偏，通过FPGA产生不同数字信号之间的延迟量，测试卫星数字接口工作状况，得到时序容差值，并且可通过可变阻容网络实现信号上升沿、下降沿的实时变化。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图4页CN102323914A1/1页21一种卫星数字接口拉偏验证系统，其特征在于包括时钟模块、上位机接口模块、FPGA、星上接口模

3、块和电源模块；电源模块为上位机接口模块、FPGA和星上接口模块提供电源，时钟模块为FPGA提供时钟信号，上位机接口模块实现FPGA和上位机之间的数据交换和传输，星上接口模块实现FPGA和星上设备的数据交换和传输以及FPGA输出的时序信号上升沿和下降沿的拉偏；FPGA实现数据的交互以及时序信号的延时拉偏；所述星上接口模块包括电平转换电路、星上接口匹配电路和阻容网络；FPGA输出的信号经过电平转换电路进行电平转换，之后分成两路，一路输入到星上接口匹配电路，一路经过开关K2输入到阻容网络，星上接口匹配电路对输入的信号进行阻抗匹配之后，将输出的信号经过开关K1送入星上设备，同时还将输出的信号经过开关K

4、3送入阻容网络，阻容网络对信号进行上升沿和下降沿的调整，之后输出给星上设备；所述FPGA包括接收上位机数据模块、向上位机发送数据模块、遥测基本时序模块、星上数据采集模块、遥控基本时序模块和遥控指令发送模块；接受上位机数据模块接收上位机传输过来的数据，并将该数据中的时延信息发送给星上数据采集模块和遥控指令发送模块，将该数据中的指令信息发送给遥控指令发送模块和遥控基本时序模块；向上位机发送数据模块接收星上数据采集模块输出的星上遥测数据，并输出给上位机；遥测基本时序模块生成接收星上数据的时序，并将该时序发送给星上数据采集模块，所述接收星上数据的时序包括遥测时钟信号和遥测选通信号；星上数据采集模块根据

5、接收到的时延信息，将遥测选通信号延时；星上数据采集模块根据遥测时钟信号以及延时之后的遥测选通信号，采集星上遥测数据；所述遥控基本时序模块接收指令信息并生成指令发送时序，并将该时序发送给遥控指令发送模块，所述指令发送时序包括遥控选通信号和第一位遥控指令数据；遥控指令发送模块根据接收到的指令和时延信息，将遥控基本时序模块输出的第一位遥控指令数据进行延时处理，在接收到星上设备发送的第一个遥控移位脉冲后，根据所述时延信息延时输出第二位遥控指令数据，在接收到第二个遥控移位脉冲后，根据所述时延信息延时输出第三位遥控指令数据，以此类推，直到将遥控指令数据全部发送完毕。2根据权利要求1所述的一种卫星数字接口拉

6、偏验证系统，其特征在于所述阻容网络包括8个开关，4个电阻和4个电容，每个电阻均串联一个开关之后并联在一起，电阻并联在一起之后的电路一端连接信号输入，另一端连接信号输出；每个电容均串联一个开关之后并联在一起，电容并联在一起之后的电路一端连接信号输出，另一端接地。权利要求书CN102323904ACN102323914A1/5页3一种卫星数字接口拉偏验证系统技术领域0001本发明涉及一种卫星数字接口拉偏验证系统，适用于卫星数字接口输入输出特性的验证。背景技术0002目前，国内高轨通信卫星测控分系统中使用了较多的数字传输接口，用于不同单机间传输遥测信号和遥控指令。0003高轨通信卫星实现数字信号传输

7、主要使用串行接口，数据信号按照规定的时序和电平进行传输。一种较为常用的传输形式为遥测采集端输出选通信号和时钟信号，被采集端在选通信号到来后，按照时钟信号移位输出串行遥测数据。对遥测采集端来说，需要保证选通信号和时钟信号的上升沿对齐。在实际电路中，数字脉冲信号的上升沿和下降沿的跃变总需要一定的时间，这个时间无论多短都不会是零，这就造成了每个数字电路的输出信号相对输入信号都存在一定的延迟。由于器件的差异，两个信号不会同时达到希望的逻辑状态，这就有可能使数字电路输出不应有的脉冲或电平。因此在数字接口设计阶段，在提出接口电平和时序的基础上，仍需要提出信号的容差值。0004在产品的测试阶段，需要对数字接

8、口电路进行全面的功能和性能验证。以前，数字接口验证系统主要针对单机接口进行功能测试，通过示波器和上位机界面检查数据的发送接收是否正确。但该系统主要存在以下3个问题1、不能设置多个数字信号的延时关系；2、信号的上升沿和下降沿依赖于所选用芯片的特性，不能进行调整；3、主要针对功能进行测试，无法掌握接口的容差特性。于是，在卫星的整星测试阶段，当温度或连接电缆长度变化时，接口性能便发生了变化，接口时序不匹配的现象时有发生。0005由于以前的数字接口验证系统只能完成功能测试，未对接口的性能进行全面的测试验证，所以已不能适应当前卫星平台数字接口测试验证的发展需要。发明内容0006本发明的技术解决问题是克服

9、现有技术的不足，提供了一种卫星数字接口拉偏验证系统，实现了高轨通信卫星数字接口的容差测试，增强测试的全面性和准确性。0007本发明的技术解决方案是0008一种卫星数字接口拉偏验证系统，包括时钟模块、上位机接口模块、FPGA、星上接口模块和电源模块；0009电源模块为上位机接口模块、FPGA和星上接口模块提供电源，时钟模块为FPGA提供时钟信号，上位机接口模块实现FPGA和上位机之间的数据交换和传输，星上接口模块实现FPGA和星上设备的数据交换和传输以及FPGA输出的时序信号上升沿和下降沿的拉偏；FPGA实现数据的交互以及时序信号的延时拉偏；0010所述星上接口模块包括电平转换电路、星上接口匹配

10、电路和阻容网络；FPGA输出的信号经过电平转换电路进行电平转换，之后分成两路，一路输入到星上接口匹配电路，一说明书CN102323904ACN102323914A2/5页4路经过开关K2输入到阻容网络，星上接口匹配电路对输入的信号进行阻抗匹配之后，将输出的信号经过开关K1送入星上设备，同时还将输出的信号经过开关K3送入阻容网络，阻容网络对信号进行上升沿和下降沿的调整，之后输出给星上设备；0011所述FPGA包括接收上位机数据模块、向上位机发送数据模块、遥测基本时序模块、星上数据采集模块、遥控基本时序模块和遥控指令发送模块；0012接受上位机数据模块接收上位机传输过来的数据，并将该数据中的时延信

11、息发送给星上数据采集模块和遥控指令发送模块，将该数据中的指令信息发送给遥控指令发送模块和遥控基本时序模块；0013向上位机发送数据模块接收星上数据采集模块输出的星上遥测数据，并输出给上位机；0014遥测基本时序模块生成接收星上数据的时序，并将该时序发送给星上数据采集模块，所述接收星上数据的时序包括遥测时钟信号和遥测选通信号；星上数据采集模块根据接收到的时延信息，将遥测选通信号延时；星上数据采集模块根据遥测时钟信号以及延时之后的遥测选通信号，采集星上遥测数据；0015所述遥控基本时序模块接收指令信息并生成指令发送时序，并将该时序发送给遥控指令发送模块，所述指令发送时序包括遥控选通信号和第一位遥控

12、指令数据；0016遥控指令发送模块根据接收到的指令和时延信息，将遥控基本时序模块输出的第一位遥控指令数据进行延时处理，在接收到星上设备发送的第一个遥控移位脉冲后，根据所述时延信息延时输出第二位遥控指令数据，在接收到第二个遥控移位脉冲后，根据所述时延信息延时输出第三位遥控指令数据，以此类推，直到将遥控指令数据全部发送完毕。0017所述阻容网络包括8个开关，4个电阻和4个电容，每个电阻均串联一个开关之后并联在一起，电阻并联在一起之后的电路一端连接信号输入，另一端连接信号输出；每个电容均串联一个开关之后并联在一起，电容并联在一起之后的电路一端连接信号输出，另一端接地。0018本发明与现有技术相比的有

13、益效果是00191本发明可实现数字信号的时序拉偏，通过FPGA产生不同数字信号之间的延迟量，测试不同情况下卫星数字接口的工作状况，得到接口的时序容差值。00202本发明通过可变阻容网络实现信号上升沿、下降沿的实时变化。通过开关控制接入接口电路中的电阻和电容值，实现大范围的信号沿特性变化。00213本发明可实现接口拉偏值的实时变化和数据的实时监视，通过上位机和FPGA之间的通信协议，在上位机中设置接口的拉偏值，FPGA进行实时响应，对接口输出逻辑进行变换，进行数字接口的实时测试，并将测试得到的数据传回上位机进行存储和显示。附图说明0022图1为本发明系统架构示意图；0023图2为本发明FPGA模

14、块功能实现框图；0024图3为本发明星上接口模块示意图；0025图4为本发明阻容网络示意图；0026图5为本发明上位机工作流程图。说明书CN102323904ACN102323914A3/5页50027图6为本发明遥测接口时序关系图；0028图7为本发明遥控接口时序关系图。具体实施方式0029下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。0030本发明提供了一种卫星数字接口拉偏验证系统，用于在地面测试时，给星上设备输入的信号人为拉偏，使得能够在地面上测试出星上接口的容差特性。如图1所示为本发明的系统组成，主要由以下模块组成时钟模块、上位机接口模块、FPGA、星上接口模块和电源模块；0

15、031本发明中FPGA使用XILINX公司的350万门芯片VERTEX4TMXC4VSX35，相应的配置FLASH为XCF32PVO48C，容量为32MBIT，封装为VO48。FPGA与FLASH的配置方式为最基本主串行配置模式，FPGA的时钟由50M晶振给出。0032FPGA实现的功能为0033A、通过UART接口与上位机通信，实现寄存器的读写和遥测数据的传输；0034B、遥控指令输出，向星上设备发送遥控数据指令；0035C、遥测数据接收，采集星上设备的数字量遥测信息；0036D、接口信号时序拉偏，以40NS的精度将遥控、遥测接口信号时序拉偏。0037电源模块为上位机接口模块、FPGA和星上

16、接口模块提供电源，时钟模块为FPGA提供时钟信号，上位机接口模块实现FPGA和上位机之间的数据交换和传输，星上接口模块实现FPGA和星上设备的数据交换和传输以及FPGA输出的时序信号上升沿和下降沿的拉偏；FPGA实现数据的交互以及时序信号的延时拉偏；0038本发明中，上位机接口模块将FPGA输出给上位机的信号由33V变换为RS232电平；将上位机输出给FPGA的信号由RS232电平变换为33V。时钟模块由晶振产生50MHZ信号，供FPGA使用。FPGA使用通用异步传输接口UART接口与上位机实现数据的接收与发送。0039如图3所示，星上接口模块包括电平转换电路、星上接口匹配电路和阻容网络；FP

17、GA输出的信号经过电平转换电路进行电平转换，之后分成两路，一路输入到星上接口匹配电路，一路经过开关K2输入到阻容网络，星上接口匹配电路对输入的信号进行阻抗匹配之后，将输出的信号经过开关K1送入星上设备，同时还将输出的信号经过开关K3送入阻容网络，阻容网络对信号进行上升沿和下降沿的调整，之后输出给星上设备；0040星上接口模块有3种可配置模式，可以实现三种状况的验证。0041模式1闭合开关K1，断开K2、K3。FPGA输出信号经过电平转换电路转换为12V，进行接口匹配后，输出到星上设备。0042模式2闭合开关K2，断开K1、K3。FPGA输出信号电平转换后，通过阻容网络进行上升沿/下降沿拉偏，输

18、出到星上设备。0043模式3闭合开关K3，断开K1、K2。FPGA输出信号经过电平转换电路、接口匹配电路和阻容网络后，输出到星上设备。0044电平转换电路使用CD4504芯片将FPGA输出的逻辑电压33V转换为与星上电路相匹配的12V电压。通过调节CD4504芯片输出端的供电电压，可以进行信号电平的拉偏，说明书CN102323904ACN102323914A4/5页6拉偏范围为5V15V，拉偏精度为01V。星上接口匹配电路完成本发明拉偏验证系统与星上设备接口的阻抗匹配，进行相应的保护，防止验证设备对星上设备造成损伤。0045如图4所示，阻容网络包括8个开关，4个电阻和4个电容，每个电阻均串联一

19、个开关之后并联在一起，电阻并联在一起之后的电路一端连接信号输入，另一端连接信号输出；每个电容均串联一个开关之后并联在一起，电容并联在一起之后的电路一端连接信号输出，另一端接地。通过8个开关的通断，选择接入电路中的电阻和电容，得到不同的信号的上升和下降时间。0046本发明中，电阻R1100，R21000，R310K，R4100K，C101NF，C21NF，C310NF，C4100NF，这样设置电路参数可以实现较大范围的信号沿上升沿和下降沿特性变化。0047如图2所示，FPGA包括接收上位机数据模块、向上位机发送数据模块、遥测基本时序模块、星上数据采集模块、遥控基本时序模块和遥控指令发送模块；00

20、48接受上位机数据模块接收上位机传输过来的数据，并将该数据中的时延信息发送给星上数据采集模块和遥控指令发送模块，将该数据中的指令信息发送给遥控指令发送模块和遥控基本时序模块；0049向上位机发送数据模块接收星上数据采集模块输出的星上遥测数据，并输出给上位机；0050遥测基本时序模块生成接收星上数据的时序，并将该时序发送给星上数据采集模块，所述接收星上数据的时序包括遥测时钟信号和遥测选通信号；星上数据采集模块根据接收到的时延信息，将遥测选通信号延时；星上数据采集模块根据遥测时钟信号以及延时之后的遥测选通信号，采集星上遥测数据；0051生成接收星上数据的时序的方法如下使用计数器将50MHZ的输入时

21、钟时钟模块提供进行分频，得到频率为FMHZ的遥测时钟信号F10，分频数为50/F。遥测选通信号为高电平的时候可以采集数据，为低电平的时候不能采集数据。当需要采集N个数据时，遥测选通信号在遥测时钟信号的上升沿由低变为高，开始采集数据，同时对遥测时钟信号进行计数，N个时钟后，遥测选通信号由高变为低，即采集了N个数据。0052所述遥控基本时序模块接收指令信息并生成指令发送时序，并将该时序发送给遥控指令发送模块，所述指令发送时序包括遥控选通信号和第一位遥控指令数据；0053遥控指令发送模块根据接收到的指令和时延信息，将遥控基本时序模块输出的第一位遥控指令数据进行延时处理，在接收到星上设备发送的第一个遥

22、控移位脉冲后，根据所述时延信息延时输出第二位遥控指令数据，在接收到第二个遥控移位脉冲后，根据所述时延信息延时输出第三位遥控指令数据，以此类推，直到将遥控指令数据全部发送完毕。发送完毕后，遥控选通信号由高变为低。0054上位机工作流程如图5所示。0055上位机可以工作在配置和工作模式。具体流程为上位机首先进行初始化，将所有拉偏值设置为一个初始值。接着根据选择进入配置模式或者工作模式。当系统进入配置模式后，首先由上位机进行时序延时的拉偏值设置，并发送给FPGA，FPGA接收到拉偏设置值后，进行响应，返回收到的数据，上位机对数据进行判断。当数据正确时给FPGA发送执行指令，FPGA进入工作模式；当数

23、据错误时，上位机返回到初始配置模式，重新进行拉偏值的设说明书CN102323904ACN102323914A5/5页7置。当系统进入工作配置模式后，可同时接收显示FPGA传来的遥测数据和向FPGA发送指令数据，在上位机上输入遥控指令数据并发送给FPGA，FPGA接收到遥控指令数据后，返回收到的数据，上位机对数据进行判断。当数据正确时给FPGA发送执行指令，FPGA向星上设备发送指令，并接收遥测数据；当数据错误时，上位机返回，重新输入遥控指令数据。工作模式和配置模式可以相互转换。0056本发明拉偏验证系统模拟星上遥测采集设备与星上设备之间的接口。接口时序图如图6所示。0057T1为遥测选通信号滞

24、后遥测时钟信号的时间，理想值为0，拉偏值为100US100US，拉偏精度为40NS；T2为遥测选通信号上升沿时间，理想值为0，拉偏值为25NS25US；T3为遥测时钟信号上升沿时间，理想值为0，拉偏值为25NS25US；所有信号电平幅值理想值为12V，拉偏范围为515V，精度为01V。0058拉偏验证系统模拟星上指令发送设备与星上指令接收设备之间的接口。接口时序图如图7所示。0059拉偏验证系统输出遥控选通信号和遥控指令数据，星上设备输出遥控移位脉冲，当遥控移位脉冲由低变高时，代表拉偏验证系统可以送出下一位遥控指令数据，T1为第一位遥控指令数据滞后遥控选通信号的时间，理想值为0，拉偏值为100

25、US100US，拉偏精度为40NS；T2为第二位遥控指令数据滞后第一个遥控移位脉冲上升沿时间，理想值为0，拉偏值为100US100US，拉偏精度为40NS；T3为遥控选通信号上升沿时间，理想值为0，拉偏值为25NS25US；T4为遥控指令数据上升沿时间，理想值为0，拉偏值为25NS25US；所有信号电平幅值理想值为12V，拉偏范围为515V，精度为01V。0060本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。说明书CN102323904ACN102323914A1/4页8图1图2说明书附图CN102323904ACN102323914A2/4页9图3图4说明书附图CN102323904ACN102323914A3/4页10图5图6说明书附图CN102323904ACN102323914A4/4页11图7说明书附图CN102323904A