0 引言

    隨著微電子和計算機(jī)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)模混合型FPGA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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(biāo)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(diǎn)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(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并可通過CAN總線將系統(tǒng)實(shí)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(jī)指令，經(jīng)微波隔離驅(qū)動模塊進(jìn)行電氣隔離后,，控制固態(tài)開關(guān)陣列完成時序點(diǎn)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(jī),，并具有應(yīng)急控制功能,；主控系統(tǒng)采用單片數(shù)模混合型FPGA處理器實(shí)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)模混合SoC處理器實(shí)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(jī)指令完成時序點(diǎn)火、配電控制,、開關(guān)量采集,、模擬量采集及實(shí)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(shí)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(yàn),，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(shí)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(yàn)子核RecCrc_Unit、發(fā)送CRC校驗(yàn)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(biāo)志,，GMII_Rx_Er為接收信號數(shù)據(jù)標(biāo)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(jī)編碼方式設(shè)計為One-Hot碼(獨(dú)熱碼),，采用三段式狀態(tài)機(jī),。控制器檢測接收信號有效時(Gmii_Rx_Dv==1),，結(jié)束閑置狀態(tài)(IDLE==0),，進(jìn)入接收進(jìn)程,。接收進(jìn)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(biāo)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(yàn)與CRC校驗(yàn)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(yàn)?zāi)康腎P是否匹配；校驗(yàn)通過后置標(biāo)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(biāo)準(zhǔn),，Gmii_Tx_Er為發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志，Gmii_Txd[7:0]為發(fā)送數(shù)據(jù)信號,。發(fā)送流程為：首先,，當(dāng)檢測到有發(fā)送數(shù)據(jù)請求時（及發(fā)送核FIFO的Empty標(biāo)志為0），狀態(tài)機(jī)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài),。先將Gmii_Tx_En標(biāo)志置1,，按照以太網(wǎng)幀格式將數(shù)據(jù)傳遞至Gmii_Txd，當(dāng)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(jìn)行發(fā)送,，最后發(fā)送幀尾的CRC校驗(yàn)值完成后，狀態(tài)機(jī)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(jī)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(biāo)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(jī)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(yàn)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(jī),。第一個狀態(tài)機(jī)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(jī)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(jī)跳轉(zhuǎn)回掃描子功能核1。第二個狀態(tài)機(jī)的功能為CRC校驗(yàn)值計算,，當(dāng)檢測到第一個狀態(tài)機(jī)已完成FIFO讀取,，該狀態(tài)機(jī)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(jī)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(jī)為數(shù)據(jù)打包發(fā)送，當(dāng)檢測到第二個狀態(tài)機(jī)已完成CRC校驗(yàn)值計算,，并處于等待狀態(tài),，則第三個狀態(tài)機(jī)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(jī)回到閑置狀態(tài),。此時，第二,、第三個狀態(tài)機(jī)同時回到閑置狀態(tài),，第一個狀態(tài)機(jī)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(shí)時工作狀態(tài)并將信息打包上傳至上位機(jī)進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(dāng)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(jìn)行設(shè)計，使用Verilog HDL完成系統(tǒng)開發(fā),，對系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行設(shè)計，使用Verilog HDL完成系統(tǒng)開發(fā),，對系統(tǒng)進(jìn)行綜合,，RTL圖如圖11所示。

4 仿真及測試

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

    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(yàn)情況。

4.1.1 以太網(wǎng)核仿真

    對以太網(wǎng)核進(jìn)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(jìn)行CRC32校驗(yàn),；校驗(yàn)通過后,，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了驗(yàn)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(jìn)行性能測試,，試驗(yàn)環(huán)境如圖18所示,。在PC運(yùn)行測試上位機(jī)軟件模擬上面級計算機(jī)進(jìn)行性能測試，運(yùn)行WireShark軟件進(jìn)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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)方法。簡要介紹了電負(fù)載管理中心的原理,，詳細(xì)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(jìn)行了驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)雙冗余光纖以太網(wǎng)通信，較傳統(tǒng)實(shí)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,。

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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)