一種基于FPGA的遠程加電系統設計與實(shí)現

衛星發(fā)射基地測控系統在武器試驗及航天器發(fā)射任務(wù)中主要承擔目標跟蹤、測量、控制任務(wù)。隨著(zhù)近年來(lái)試驗任務(wù)呈現常態(tài)化、高密度的態(tài)勢，對測控設備的遠程操控能力及信息化方面均提出了更高的要求，眾多學(xué)者也在進(jìn)行相關(guān)研究。文獻論述了我國航天發(fā)射任務(wù)的組織體制和指揮模式，提出了我國航天發(fā)射場(chǎng)組織指揮模式發(fā)展需求。文獻通過(guò)加強網(wǎng)絡(luò )硬件建設、數據標準化建設和數據環(huán)境重建，實(shí)現了靶場(chǎng)各陣地間信息的互聯(lián)互通。文獻探討了新型遠程監控模式，初步設計了物理結構、監控體制和信息交換方式，文獻分析了新一代測控站遠程監控系統應具有的優(yōu)勢及特點(diǎn)，并探討了適合我國國情的測控站遠程監控技術(shù)。

設備遠程加電是實(shí)現遠程操控的基本功能之一。本文主要闡述了集串口收發(fā)、狀態(tài)異常處理、指令代碼處理和時(shí)鐘產(chǎn)生功能于一體的加電控制板設計思路及實(shí)現方法，以加電控制板為核心設計加電控制終端，并由加電控制終端、加電控制單元和加電控制軟件形成了遠程加電系統。

1 遠程加電系統設計思想

遠程加電系統主要由位于遠程操控機房的遠控計算機、位于測控設備機房?jì)鹊募与娭骺貦C箱及設備各機柜端的加電單元組成。在遠程控制計算機上運行遠程加電應用軟件，遠程控制計算機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與控制機箱進(jìn)行命令交互，向控制機箱發(fā)送加電及斷電指令，并控制加電單元進(jìn)行加斷電動(dòng)作，同時(shí)接收控制機箱上報的各加電單元的加電狀態(tài)。加電單元繼電器通過(guò)控制機箱24 V輸出電壓控制220 V電源的通斷，從而實(shí)現機柜的加斷電功能。遠程加電系統的原理如圖1所示。

2 遠程加電系統設計與實(shí)現

2.1 加/斷電交互協(xié)議設計

控制板通過(guò)專(zhuān)用的RS-232接口芯片經(jīng)NPORT與控制計算機通信，根據收到的加斷電指令輸出相應的“高、低”電平信號，來(lái)控制接口板上的繼電器通斷狀態(tài)，使接口板輸出24 V直流信號。接口板主要由繼電器驅動(dòng)電路、狀態(tài)檢測接口電路等組成，根據控制板輸送的控制信號狀態(tài)，接通或斷開(kāi)24 V輸出電壓信號，進(jìn)而控制加電單元的加電狀態(tài)，同時(shí)根據加電單元反饋的狀態(tài)，轉換成控制板可接收處理的電平，并送入控制板處理。

控制計算機發(fā)出的加/斷電指令PowerONorOFF分為單個(gè)加/斷電指令和選擇加/斷電指令。例如“00000001”表示對第1路繼電器進(jìn)行加電;“00001000”表示對第4路繼電器進(jìn)行加電;“00000101”表示連續對第1路和第3路繼電器進(jìn)行加電;“10001000”表示連續對第4路和第8路繼電器進(jìn)行加電。一鍵加電/斷電可看做選擇加/斷電的特殊情況，執行此命令時(shí)控制板將根據繼電器的地址，由低往高，依次加載指令，每個(gè)加載過(guò)程之間的相隔時(shí)間由控制板來(lái)控制，間隔為2 s，共需16 s即可執行完畢。

加/斷電操作時(shí)首先由控制計算機軟件按需選擇繼電器，經(jīng)加電軟件產(chǎn)生相應的指令代碼C1和C2，其中C1是C2的反代碼。然后分別發(fā)送C1和C2，其之間需要一定的時(shí)間間隔。指令代碼C1取反后再發(fā)送的目的是為了提高數據傳輸的可靠性，避免一些線(xiàn)路上的固定故障?？刂瓢褰邮盏街噶詈?，對C1和C2進(jìn)行故障檢驗，若C1是C2的反代碼，則寄存接收指令，更新指令寄存器，否則判定出現異常。在接收指令的同時(shí)，控制板將當前的繼電器狀態(tài)定時(shí)返回至主機，時(shí)間間隔為1 s?？刂瓢咫娐放c控制計算機的數據交互過(guò)程，如圖2所示。

若控制板上報的狀態(tài)與指令狀態(tài)不符，則有3種故障情況：(1)指令接收有錯。(2)指令接收正確，但繼電器加載失敗。(3)指令接收正確，但繼電器加載成功，狀態(tài)上報出現故障。若是第二種故障，則需檢查控制子板與繼電器的運行情況。而其他情況，則可通過(guò)重新發(fā)送指令進(jìn)行糾正。

2.2 遠程加電系統控制板設計

2.2.1 硬件設計環(huán)境

在對芯片性能充分了解的基礎上，根據項目的實(shí)際需求選定X3CS200芯片進(jìn)行設計。Xilinx公司生產(chǎn)的Spartan 3系列FPGA性?xún)r(jià)比高、性能穩定，該系列FPGA結構包括可配置邏輯塊、輸入/輸出模塊、BlockRAM模塊、乘法器模塊以及數字時(shí)鐘管理模塊，其可廣泛應用于各種電子設計。Xilinx X3CS200擁有20萬(wàn)門(mén)電路、30 kbit的分布式RAM容量、216 kbil，的Block RAM容量。

設計中使用的ISE開(kāi)發(fā)工具為ISE7.1，綜合工具為Synplify/Synplify Pro，利用仿真工具M(jìn)odelsim進(jìn)行行為級仿真和時(shí)序仿真、調試工具為ChipScope Pro。

2.2.2 遠程加電系統控制板關(guān)鍵模塊設計

遠程加電機箱的核心是加電控制板，加電控制板可分為串口收發(fā)模塊、狀態(tài)異常處理模塊、指令代碼處理模塊、LED顯示模塊、按鍵模塊和時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，其電路結構如圖3所示。

指令處理模塊主要完成加/斷電指令的識別、延遲和輸出處理等工作。指令輸入Rsin為8 bit，每位對應一路繼電器的加/斷電開(kāi)關(guān)，“1”表示加電，“0”表示斷電。

在接收到指令經(jīng)判斷指令無(wú)誤后，使能信號CheckRight有效，從最低位開(kāi)始對指令進(jìn)行掃描加載。首先延遲2 s后，將Rsin(0)輸出到PowerONorOFF(0)，然后間隔2 s，輸出Rsin(1)到PowerONorOFF(1)，對第二路進(jìn)行加/斷電操作，依此類(lèi)推，直到8路繼電器的加/斷電操作完成，輸出掃描結束標示位Smark有效，使指令處理模塊回復等待狀態(tài)后，再將清零掃描結束標示位Smark。指令處理模塊的指令處理流程，如圖4所示。

指令處理模塊電路結構中，LSB表示D寄存器輸出的最低位，MSB表示D寄存器輸出的最高位。圖中省略了D寄存器的時(shí)鐘信號和復位信號的輸入，信號sel由2 s控制器產(chǎn)生，用于D寄存器的使能信號。其中，2 s控制器是該模塊的核心部分，指令處理模塊電路如圖5所示。

2 s控制器的電路結構如圖6所示，該控制器主要包含計數器和移位寄存器兩部分。計數器的輸入時(shí)鐘為1 kHz，計數范圍0～1 999。因此，在使能信號Counter有效的情況下，計數器每隔2 000×0.001=2 s，輸出一個(gè)高電平脈沖en2s，脈沖寬度為0.001 s。信號en2s既是清零計數器，又是使能移位寄存器，且還作為選擇信號，控制寫(xiě)入移位寄存器的值。移位寄存器包含8個(gè)1位寄存器，初始值為00h，Smark=0，信號en2s每產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，移位寄存器即移位一次，并寫(xiě)入1個(gè)1。

從時(shí)序圖如圖7所示，當移位8次后，移位寄存器的值sel為FFh，信號Smark=1，同時(shí)拉低信號counten和checkright，拉高信號Den，在Smark的作用下，移位寄存器依次寫(xiě)入0，經(jīng)8個(gè)周期后，回復控制器的等待狀態(tài)，然后Smark=0。當時(shí)鐘頻率為1 kHz時(shí)，完成一次加/斷電指令的加載，需8×2+8×0.001≈16 s，在這16 s時(shí)間內，指令處理模塊處于忙狀態(tài)，不再響應其他請求。

2.3 遠程加電系統軟件設計

采用Visual C++面向對象的方法設計了遠程加電軟件，實(shí)現了加電狀態(tài)監視和遠程控制功能。遠程加電軟件界面循環(huán)刷新并監視人機交互動(dòng)作，檢測到加電指令后首先判斷對應機柜當前的加/斷電狀態(tài)。若已加電則給出了提示信息;若未加電則發(fā)送加電指令在2 s后并檢測加電狀態(tài);若仍處于未加電狀態(tài)，則循環(huán)發(fā)送加電指令直至加電成功。斷電指令采取相同的處理策略。

為了避免對設備進(jìn)行誤動(dòng)作意外加電或斷電，在加電開(kāi)關(guān)上部有一個(gè)加電使能選擇框，選擇后才能進(jìn)行加電和斷電操作，否則加斷電按鈕不使能。一鍵加斷電命令下達后由控制板控制對所有分機依次加斷電操作。遠程加電控制軟件流程，如圖8所示。

2. 4 系統測試

遠程加電系實(shí)現后對其進(jìn)行了測試，測試環(huán)境溫度為20～22 ℃，相對濕度為50%～54%，每套加電系統的8個(gè)加電單元功率負載均約8 kW。遠程加電系統每個(gè)單元從下達指令至加電單元執行后狀態(tài)上報的最大響應時(shí)間為2 s，最小響應時(shí)間為1.5 s，指令響應平均時(shí)間為1.737 s。故滿(mǎn)足響應時(shí)間2 s的指標要求。

3 結束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的基于FPGA航天測控設備遠程加電系統設計緊湊、硬件結構簡(jiǎn)單可靠。PC機軟件采用Visual C++6.0編制，人機接口友善，且操作方便。因此，本系統具有較強的使用價(jià)值，已在部分遙測設備和光測設備上得到了應用。