0 引言

    隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展,，航天,、航空等領(lǐng)域電子系統(tǒng)正逐漸向著集成化、綜合化^[1],、信息化,、模塊化、智能化及通用化等方向發(fā)展,。本文以某型號商業(yè)火箭上面級電子系統(tǒng)提出的綜合化,、集成化及通用化等要求為研究背景，參考集成電路系統(tǒng)設(shè)計理念,，提出了一種基于數(shù)?；旌闲虵PGA芯片將電氣控制組合控制系統(tǒng)小型化為一個SIP系統(tǒng)的方法，使用微波隔離^[2]等平面化技術(shù)將外圍的隔離驅(qū)動電路及固態(tài)開關(guān)陣列小型化,，并在VITA-46標準的3U結(jié)構(gòu)中完成了箭上上面級電氣控制組合的設(shè)計與實現(xiàn),，體積、重量不到傳統(tǒng)設(shè)計的三分之一,，通信速率提高了近百倍,，通用性、可靠性,、安全性及測試性等性能指標有顯著提升,。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

    某型號箭上上面級綜合電子系統(tǒng)整體采用全新的模塊化概念單元(Modular Conceptual Unit，MCU)設(shè)計理念,，對系統(tǒng)中的電氣控制組合提出了高速,、小型化、輕量化及高可靠性等要求,。電氣控制組合作為上面級綜合電子系統(tǒng)中的重要功能單元,，需具有多路配電控制、數(shù)十路時序點火控制,、多路模擬信號采集,、多路開關(guān)量信號采集、應(yīng)急控制,、千兆光纖以太網(wǎng)通信及狀態(tài)信息上報等功能,，還需通過控制系統(tǒng)內(nèi)的輔助健康管理系統(tǒng)對主控系統(tǒng)等關(guān)鍵部位的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并可通過CAN總線將系統(tǒng)實時工作情況上報,。

    通過需求分析,，上面級電氣控制組合由SIP控制系統(tǒng)、電源隔離變換模塊,、微波隔離驅(qū)動模塊,、隔離放大模塊、隔離采樣模塊及固態(tài)開關(guān)陣列等模塊組成，其中SIP控制系統(tǒng)又由主控系統(tǒng)和輔助健康管理系統(tǒng)兩部分組成,。主控系統(tǒng)可通過雙冗余1000BASE-X總線接收上位機指令,，經(jīng)微波隔離驅(qū)動模塊進行電氣隔離后，控制固態(tài)開關(guān)陣列完成時序點火及用電設(shè)備配電控制輸出,，可采集調(diào)理電路輸入的電壓和開關(guān)量等信號,，通過1000BASE-X上傳上位機，并具有應(yīng)急控制功能,；主控系統(tǒng)采用單片數(shù)?；旌闲虵PGA處理器實現(xiàn)。輔助健康管理系統(tǒng)主要由溫度采集,、供電電壓采集,、主控系統(tǒng)配置狀態(tài)檢測、主控系統(tǒng)心跳檢測,、SIP模塊生命周期信息記錄（包括上電時間,，上電次數(shù)，主控系統(tǒng)軟件版本等）等軟核組成,，采用單片F(xiàn)lash架構(gòu)的數(shù)?；旌蟂oC處理器實現(xiàn)。上面級電氣控制組合原理框圖如圖1所示,。

2 SIP控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控系統(tǒng)設(shè)計

    主控系統(tǒng)主要接收上位機指令完成時序點火,、配電控制、開關(guān)量采集,、模擬量采集及實時狀態(tài)監(jiān)控等功能,。主控系統(tǒng)設(shè)計包括：主協(xié)議引擎核、千兆光纖以太網(wǎng)通信核,、模擬信號處理核,、開關(guān)反饋核、開關(guān)控制核,、緊急控制核,、信息存儲核及時間同步核，其中主協(xié)議引擎核為控制核心,，采用片內(nèi)總線完成與其他軟核間的數(shù)據(jù)交換，主控系統(tǒng)架構(gòu)邏輯框圖如圖2所示,。設(shè)計中例化了兩路相同的以太網(wǎng)通信核,，實現(xiàn)兩冗余總線通信控制，每個以太網(wǎng)核設(shè)計專用FIFO完成與主協(xié)議引擎核的數(shù)據(jù)交互,；主協(xié)議引擎核由主協(xié)議接收引擎核與主協(xié)議發(fā)送引擎核組成,，接收引擎核主要完成數(shù)據(jù)的拆包，應(yīng)用層CRC校驗，數(shù)據(jù)分配下發(fā),；發(fā)送引擎核主要完成發(fā)送數(shù)據(jù)CRC計算,，將數(shù)據(jù)打包成應(yīng)用層通信數(shù)據(jù)格式并發(fā)送至以太網(wǎng)通信核等功能；子功能核分別完成設(shè)定功能,，并行工作,，并設(shè)計專用FIFO來完成與主協(xié)議引擎核的數(shù)據(jù)交互。

2.1.1 千兆以太網(wǎng)通信核設(shè)計

    千兆以太網(wǎng)通信核架構(gòu)中包含1個UDP核,，1個接收FIFO,，1個發(fā)送FIFO；UDP核控制系統(tǒng)實現(xiàn)UDP協(xié)議通信,，包括5個子核,，分別為以太網(wǎng)接收子核IPReceiveCore_Unit、以太網(wǎng)發(fā)送子核IPSendCore_Unit,、接收CRC校驗子核RecCrc_Unit,、發(fā)送CRC校驗核SendCrc_Unit以及接收緩存RAM核RecRam。千兆以太網(wǎng)通信核主要架構(gòu)如圖3所示,。

2.1.1.1 以太網(wǎng)接收核設(shè)計 

    以太網(wǎng)接收核設(shè)計時,，定義Gmii_Rx_Dv為接收信號狀態(tài)標志，GMII_Rx_Er為接收信號數(shù)據(jù)標志,，Gmii_Rxd[7:0]為接收數(shù)據(jù)信號接口,，其他前綴為ARP的接口與以太網(wǎng)發(fā)送核相連，用于傳遞ARP信號,，接口如圖4所示,。以太網(wǎng)接收核狀態(tài)機編碼方式設(shè)計為One-Hot碼(獨熱碼)，采用三段式狀態(tài)機,?？刂破鳈z測接收信號有效時(Gmii_Rx_Dv==1)，結(jié)束閑置狀態(tài)(IDLE==0),，進入接收進程,。接收進程設(shè)計為3個階段，每個階段都有相應(yīng)長度的寄存器緩存,，其中CRC的計算從以太網(wǎng)首部的目標MAC地址開始,，直到UDP數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)束為止，接收時判斷目的IP地址,、目的端口號等信息是否匹配,。如匹配，則接收UDP數(shù)據(jù),，同時將其寫入BlockRAM中緩存,，待幀結(jié)束時所有校驗與CRC校驗都通過時,，才將BlockRAM數(shù)據(jù)寫入到接收FIFO中供主協(xié)議引擎核解析應(yīng)用數(shù)據(jù)；另外,，在接收數(shù)據(jù)的過程中判斷接收的以太網(wǎng)幀為數(shù)據(jù)幀或ARP幀,，若為ARP幀時，則判斷是否為詢問幀,，校驗?zāi)康腎P是否匹配,；校驗通過后置標志位，并通知以太網(wǎng)發(fā)送核回復(fù)ARP幀,，其流程圖如圖4所示,。

2.1.1.2 以太網(wǎng)發(fā)送核設(shè)計

    以太網(wǎng)發(fā)送核設(shè)計時，定義Gmii_Tx_En為發(fā)送信號標準,，Gmii_Tx_Er為發(fā)送數(shù)據(jù)標志,，Gmii_Txd[7:0]為發(fā)送數(shù)據(jù)信號。發(fā)送流程為：首先,，當檢測到有發(fā)送數(shù)據(jù)請求時（及發(fā)送核FIFO的Empty標志為0）,，狀態(tài)機進入發(fā)送狀態(tài)。先將Gmii_Tx_En標志置1,，按照以太網(wǎng)幀格式將數(shù)據(jù)傳遞至Gmii_Txd,，當發(fā)送UDP數(shù)據(jù)區(qū)時，連續(xù)讀出發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)進行發(fā)送,，最后發(fā)送幀尾的CRC校驗值完成后,，狀態(tài)機回到閑置狀態(tài)；對于ARP回復(fù)請求,，在確保無發(fā)送數(shù)據(jù)請求的前提下,，跳轉(zhuǎn)發(fā)送ARP回復(fù)幀。發(fā)送數(shù)據(jù)請求的優(yōu)先級高于ARP回復(fù)請求,。以太網(wǎng)發(fā)送核流程如圖5所示,。

2.1.2 主協(xié)議引擎核設(shè)計

    主協(xié)議引擎核分為主協(xié)議接收引擎核與主協(xié)議發(fā)送引擎核兩個子核，兩個子核的對外接口操作同為對FIFO端口操作,，且兩個模塊間沒有數(shù)據(jù)交互,，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬓浴?/p>

2.1.2.1 主協(xié)議接收引擎核設(shè)計

    主協(xié)議接收引擎核主要完成判斷以太網(wǎng)FIFO是否接收到數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)通信核的接收FIFO中讀出等功能。由于主控系統(tǒng)雙冗余,，以太網(wǎng)總線同一時刻只有一路在線,，因此總線為閑置狀態(tài)時，主協(xié)議接收引擎核檢測兩個以太網(wǎng)接收FIFO是否為空,；若某一接收FIFO不為空,，則表明該路接收到數(shù)據(jù)，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn),，并從該路接收FIFO中讀取數(shù)據(jù),；主協(xié)議接收引擎核完成一幀數(shù)據(jù)讀取后，則跳轉(zhuǎn)到CRC計算,，若CRC計算通過時,，置標志CrcChecked為1，

否則為0,；主協(xié)議接收引擎核將數(shù)據(jù)寫入子功能核FIFO中,，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)至閑置狀態(tài)。主協(xié)議接收引擎核的狀態(tài)圖如圖6所示,。系統(tǒng)通信采用特定幀格式,，包含2字節(jié)幀頭，1字節(jié)命令類型,，1字節(jié)收發(fā)指示,，1字節(jié)錯誤次數(shù)，對應(yīng)長度的數(shù)據(jù)內(nèi)容,，2字節(jié)Crc校驗值,，2字節(jié)幀尾，如表1所示,。

2.1.2.2 主協(xié)議發(fā)送引擎核設(shè)計

    設(shè)計時,，將整個主協(xié)議發(fā)送引擎核分為三個狀態(tài)機。第一個狀態(tài)機的功能是從對應(yīng)的子功能核中讀出需要上報的數(shù)據(jù),，采用輪詢指針的方式,，掃描子功能核1到子功能核N中FIFO是否為空；如某一子功能核FIFO不為空,，則將數(shù)據(jù)讀出至發(fā)送引擎核的寄存器組中,，然后等待第三個狀態(tài)機完成發(fā)送，發(fā)送完成后,，則掃描下一個子功能核的FIFO,；若該子功能核的FIFO為空，則掃描下一子功能核,；完成輪詢后,，第一個狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)回掃描子功能核1。第二個狀態(tài)機的功能為CRC校驗值計算,，當檢測到第一個狀態(tài)機已完成FIFO讀取,，該狀態(tài)機離開閑置狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至計算對應(yīng)數(shù)據(jù)幀的CRC值,；計算完成后等待第三個狀態(tài)機完成數(shù)據(jù)幀發(fā)送,并跳轉(zhuǎn)至閑置狀態(tài),。第三個狀態(tài)機為數(shù)據(jù)打包發(fā)送，當檢測到第二個狀態(tài)機已完成CRC校驗值計算,，并處于等待狀態(tài),，則第三個狀態(tài)機離開閑置狀態(tài),，將數(shù)據(jù)打包成相應(yīng)幀格式寫入到對應(yīng)的以太網(wǎng)通信核的發(fā)送FIFO中；完成后第三個狀態(tài)機回到閑置狀態(tài),。此時,，第二、第三個狀態(tài)機同時回到閑置狀態(tài),，第一個狀態(tài)機則繼續(xù)掃描,。主協(xié)議發(fā)送引擎核的狀態(tài)圖如圖7所示。

2.1.3 子功能核設(shè)計

    子功能核設(shè)計為兩種架構(gòu),，第一種為帶有收發(fā)FIFO的子功能核,，第二種為帶有雙口RAM的子功能核。第一種架構(gòu)的工作模式為檢測接收FIFO是否不為空,，若不為空則跳轉(zhuǎn)讀出數(shù)據(jù),，完成后跳轉(zhuǎn)一周期執(zhí)行，再跳轉(zhuǎn)到將數(shù)據(jù)寫入本模塊發(fā)送FIFO,；第二種架構(gòu)的工作模式與第一組相似,，其判斷條件為Received信號為1時，開始接收執(zhí)行功能流程,。開關(guān)反饋核,、開關(guān)控制核、緊急控制核,、信息存儲核及時間同步核采用第一種架構(gòu)設(shè)計,，模擬信號采集核采用第二種架構(gòu)設(shè)計，如圖8所示,。

2.2 輔助健康管理系統(tǒng)設(shè)計

    輔助健康管理系統(tǒng)(Assist Health Management,，AHM）功能為監(jiān)測主控系統(tǒng)的實時工作狀態(tài)并將信息打包上傳至上位機進行處理。AHM系統(tǒng)中使用集成ARM硬核的FPGA處理器完成系統(tǒng)管理,，搭建CoreGPIO軟核實現(xiàn)溫度采集,、主控系統(tǒng)配置狀態(tài)檢測功能，搭建CoreSPI軟核實現(xiàn)供電電壓采集,，SIP控制系統(tǒng)生命周期信息記錄功能,，搭建CoreUART實現(xiàn)主控系統(tǒng)心跳檢測，獲取主控系統(tǒng)軟件版本功能,。

    輔助健康管理系統(tǒng)的工作流程為：上電后首先初始化,，由于FPGA芯片為Flash架構(gòu)，初始化時間快于主控系統(tǒng),，初始化完成后將SIP控制系統(tǒng)上次的工作狀態(tài)信息從FRAM中讀出,，檢查主控系統(tǒng)的FPGA的配置狀態(tài)，掃描主控系統(tǒng)的FPGA工作電壓采集模塊是否采集完成,，若采集完成則讀取主控系統(tǒng)溫度傳感器溫度值,，掃描主控系統(tǒng)心跳包,，將SIP模塊數(shù)據(jù)更新存入FRAM中，完成一次工作循環(huán),，返回到檢測FPGA配置狀態(tài),。上報數(shù)據(jù)是通過CAN模塊中斷，當有上報需求時,，將對應(yīng)數(shù)據(jù)打包上報。輔助健康管理系統(tǒng)的工作流程圖如圖9所示,。

3 綜合及布線

    主控系統(tǒng)使用Xilinx公司的Vivado開發(fā)環(huán)境進行設(shè)計,，使用Verilog HDL完成系統(tǒng)開發(fā)，對系統(tǒng)進行綜合,，生成的主控系統(tǒng)邏輯層次圖如圖10所示,。左上角為兩路以太網(wǎng)通信核EthernetMacCore_Unit1和EthernetMacCore_Unit2，右上角為主協(xié)議引擎核的發(fā)送與接收模塊,，前綴都為MainCommander,，左下角為開關(guān)控制核，右下角則為其他子功能核,。

    輔助健康管理系統(tǒng)采用Microsemi公司的Libreo Soc開發(fā)環(huán)境進行設(shè)計,，使用Verilog HDL完成系統(tǒng)開發(fā)，對系統(tǒng)進行綜合,，RTL圖如圖11所示,。

4 仿真及測試

4.1 仿真實驗

    使用Verilog HDL完成各功能核設(shè)計后，通過編寫TestBench完成各功能核的邏輯正確性測試及仿真,，以下是電氣控制組合SIP控制系統(tǒng)主要IP核的仿真試驗情況,。

4.1.1 以太網(wǎng)核仿真

    對以太網(wǎng)核進行仿真時，模擬一幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收,，在接收的同時將數(shù)據(jù)寫入緩存RAM中,；接收完成后，進行CRC32校驗,；校驗通過后,，進行端口號以及IP號等匹配，并將數(shù)據(jù)從緩存RAM中讀出,，然后寫入以太網(wǎng)接收核的FIFO中,。仿真結(jié)果如圖12、圖13所示,，滿足要求,。

4.1.2 主協(xié)議引擎核仿真

    分別對主協(xié)議引擎核中的接收引擎子核和發(fā)送引擎子核進行數(shù)據(jù)流控制仿真，測試工作流程是否與圖6及圖7相符,，仿真結(jié)果如圖14和圖15所示,，滿足要求,。

4.1.3 子功能核仿真

    子功能核仿真時，選取帶FIFO的開關(guān)控制核進行仿真,。在接收完數(shù)據(jù)后,，Control_Enable信號為1，驅(qū)動開關(guān)信號進程,，一個時鐘后,，將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送FIFO中，仿真結(jié)果如圖16所示,，滿足要求,。

4.2 性能測試

    在Xilinx的Artix7系列的FPGA芯片平臺及MicroSemi SmartFusion2系列SOC芯片平臺上分別對主控系統(tǒng)及輔助健康管理系統(tǒng)設(shè)計在進行了驗證，功能滿足設(shè)計要求,。將SIP控制系統(tǒng)封裝成模塊(如圖17所示),，并在某型號上面級電氣控制組合進行性能測試，試驗環(huán)境如圖18所示,。在PC運行測試上位機軟件模擬上面級計算機進行性能測試,，運行WireShark軟件進行抓包測試。測試結(jié)果如圖19～圖21所示,，其中圖19為上位機控制界面,，圖20為使用WireShark捕捉的通信建立時發(fā)送ARP幀，圖21為PC在通信建立前后MAC表的變化,，圖22為WireShark捕捉到的正常通信數(shù)據(jù),。測試結(jié)果表明設(shè)計滿足要求。

5 結(jié)論

    本文開展了基于SIP理念的箭上上面級電氣控制組合設(shè)計與實現(xiàn)方法研究,，并著重介紹了電氣控制組合內(nèi)部SIP控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法,。簡要介紹了電負載管理中心的原理，詳細介紹了其SIP控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及重要IP核設(shè)計,，在Xilinx及Microsemi FPGA芯片平臺上進行了驗證,，并應(yīng)用于某型商業(yè)火箭上面級綜合電子系統(tǒng)。該方法在很小的體積內(nèi)實現(xiàn)了電氣控制組合主控系統(tǒng),、輔助健康管理系統(tǒng),，并實現(xiàn)雙冗余光纖以太網(wǎng)通信，較傳統(tǒng)實現(xiàn)方法在體積,、重量,、性能、通信速率及成本等方面均有較大優(yōu)勢,，具有較好的推廣價值,。

參考文獻

[1] HU X，LIANG Q.Research on digital simulation of satellite integrated electronic system[C].IEEE International Conference on Control & Automation.IEEE，2014.

[2] 陸玉芳,，黃敏,，陳春海，等.微波隔離固態(tài)繼電器及其運行方法：中國,，CN106067802A[P].2016-11-02.

[3] 孫兆偉,，邢雷，徐國棟,，等.基于可重構(gòu)技術(shù)的上面級航天器綜合電子系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,，2012，20(2)：296-304.

[4] 朱源,，韓峰,，楊超.運載火箭上面級供配電一體化設(shè)計[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2017,，45(6).

[5] Xilinx Corporation.UltraFast design methodology guide for the vivado design suite[Z].2017.

[6] Xilinx Corporation.7 Series  FPGAs GTP transceivers user guide[Z].2017.

[7] Microsemi Corporation.IGLOO2 and SmartFusion2 SoC FPGA datasheet[Z].2017.

[8] Microsemi Corporation.SmartFusion2 SoC FPGA product brief[Z].2017.

作者信息:

陸玉芳1，2,，莊奕琪1,，吳旋輝2

(1.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安710071,；2.桂林航天電子有限公司,，廣西 桂林541002)