一种基于FPGA构架的星务分系统测试设备的制作方法与工艺

本发明是一种应用于小卫星星务分系统的测试设备，尤其涉及一种基于FPGA构架的星务分系统测试设备，属于测试技术领域。

背景技术：
星务分系统负责整星数据的调度、管理，是卫星正常工作必不可少的组成部分。星务分系统的好坏，直接关系到整星是否能正常工作。测试与评估星务分系统的性能，对整星在轨正常工作有重大意义。目前，在小卫星星务分系统设备测试中，所用的星务测试系统都是采用彼此独立的若干个机箱设备组成。系统组成如图1所示，系统工作时，需要各设备相互连接使用，并需多台电脑及配套软件相配合，方可运行。该系统在实际应用中，具有如下问题：该系统在使用时，连线复杂，操作繁琐，各设备相互配合使用，难以做到无缝连接，隐患多，容易出故障；设备众多，携带、搬运极为不便；整套系统功能单一，兼容性差，基本上不具备升级能力，每一次星务设备的改变，都需更换相应监测设备，成本高，周期长；各设备相对独立，对星务分系统的指令发送、状态模拟和遥测采集分别使用不同的设备处理，割裂了星务分系统激励与响应之间的关系，导致自动化测试无法实施。综上所述，现有的星务设备测试系统不仅操作复杂、携带不便，还具有兼容性差、升级困难等问题，不适于在小卫星测试过程中的进一步深入应用。随着小卫星技术的不断发展，星务分系统设计日趋复杂，对星务设备的测试工作也越来越深入、测试内容也越来越复杂。设计一套符合星务设备测试需求的测试系统，对提高整星性能，具有重大的意义。

技术实现要素：
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA构架的星务分系统测试设备，采用FPGA统一调度各测试模块，提高了星务设备测试的效率和测试稳定性，降低了测试风险。本发明的技术解决方案：一种基于FPGA构架的星务分系统测试设备，该系统包括主控模块、TM与TC模块、电源模块、直接指令模块、控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块，主控模块、TM与TC模块、电源模块和直接指令模块安装在主机箱内用于完成单机设备的测试，控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块安装在副机箱内用于与主机箱配合完成分系统级的测试；主控模块由FPGA、USB模块、CAN模块和SRAM模块组成，FPGA接收TM与TC模块发送的遥测中断信号，并通过第一串行总线与TM与TC模块进行通信，通过第二串行总线与电源模块、直接指令模块、控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块进行通信；USB模块实现FPGA与上位机的数据交换；CAN模块负责FPGA与星务设备的CAN接口通信；SRAM模块采用双缓冲设计，分别存放上位机指令和测试数据。TM与TC模块，产生遥测中断信号发送给主控模块、控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块，通过第一串行总线向FPGA发送遥测数据，通过第一串行总线接收FPGA发送的遥控执行并转发至星务设备；直接指令模块，通过第二串行总线接收FPGA转发的上位机指令；电源模块通过第二串行总线为主控模块、直接指令模块、控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块提供电源；控温监测模块，接收TM与TC模块发送的遥测中断信号，将星务设备的加热状态和温度变化响应情况通过第二串行总线发送给FPGA；OC指令监测模块，接收TM与TC模块发送的遥测中断信号，将星务设备发出的OC指令脉冲通过第二串行总线发送给FPGA；模拟量测量模块，接收TM与TC模块发送的遥测中断信号，通过第二串行总线接收FPGA发出的温度、电压、电流及电平状态等模拟量激励信号并转发给星务设备，将星务设备的模拟量测试结果通过第二串行总线发送给FPGA。还包括扩展模块，该扩展模块通过第一串行总线与FPGA进行通信。本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的所有硬件模块可集成在主、副双箱体内，主箱体可独立应用于单机的测试，副箱体配合主箱体测试，用于完成星务分系统的测试，采用一套主控模块统一调度各模块工作，测试中只需一台电脑设备，实现了各设备的无缝连接，相对于现有的测试系统，减少了设备数量，降低了连线复杂度，提高测试稳定性、安全性、操作性，同时，更加符合便携性的设计要求。另外本发明的主控模块与其他各模块之间采用串行总线方式通信，各功能模块相对独立，可根据测试情况对各模块进行独立更新并升级，更适应未来新的测试需求，具有更好的兼容性和升级性。附图说明图1为传统星务测试系统的组成示意图；图2为本发明的接口组成示意图；图3为本发明的系统组成原理图；图4为本发明的主控模块的电路结构图；图5为本发明的的TM、TC模块电路结构图；图6为本发明的的OC指令监视模块电路结构图；图7为本发明的的控温监视模块的电路结构图；图8为本发明的模拟量模块的电路结构图；图9为本发明的系统任务调度流程图。具体实施方式如图2所示，该系统可产生星务分系统所需的各种激励信号，并解析星务分系统产生的各种响应信号，该系统与上位机之间采用USB通信。如图3所示，本系统针对星务设备测试的特点，采用主、副双箱体结构设计，以适应星务测试的需求。硬件电路系统采用模块化设计，以FPGA为核心，统一调度各模块工作，各个模块之间采用串行总线连接在一个系统中，其中串行总线1用于传输星务的遥测信号及星务遥控指令，串行总线2用于传输星务设备的响应信号及模块激励生成指令。通过串行总线，各模块间有机结合又相互独立，可根据将来的需求方便挂接新的模块。具体设计方案如下：该系统包括主控模块、TM与TC模块、电源模块、直接指令模块、控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块，主控模块、TM与TC模块、电源模块和直接指令模块安装在主机箱内用于完成单机设备的测试，控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块安装在副机箱内用于与主机箱配合完成分系统级的测试；如图4所示，主控模块由FPGA、USB模块、CAN模块和SRAM模块组成，FPGA接收TM与TC模块发送的遥测中断信号，并通过第一串行总线与TM与TC模块进行通信，通过第二串行总线与电源模块、直接指令模块、控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块进行通信；USB模块实现FPGA与上位机的数据交换；CAN模块负责FPGA与星务设备的CAN接口通信；SRAM模块采用双缓冲设计，分别存放上位机指令和测试数据。FPGA与USB模块、CAN模块和SRAM模块采用三总线方式连接，使用地址读写方式与三个模块实现数据交换；FPGA与其他模块采用串行总线方式连接，实现数据交换；FPGA连有一条遥测中断触发信号线，用于激活FPGA的任务调度。如图5所示，硬件电路的TM与TC模块与扩展模块采用相同的电路设计，TM与TC模块的接口支持现有的星务成熟平台；扩展模块的接口支持在研的星务平台。两模块的电路主要包括单片机、指令上注模块和遥测解码模块，单片机用于实现对遥控、遥测模块的控制；遥测解码模块用于解析星务设备的遥测信号并生成遥测中断信号；指令上注模块用于实现间接指令的注入。TM与TC模块，产生遥测中断信号发送给主控模块、控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块，通过第一串行总线向FPGA发送遥测数据，通过第一串行总线接收FPGA发送的遥控执行并转发至星务设备；直接指令模块，通过第二串行总线接收FPGA转发的上位机指令；电源模块通过第二串行总线为主控模块、直接指令模块、控温监测模块、OC指令监测模块和模拟量模块提供电源；如图6所示，OC指令监视模块采用CPLD设计，通过电平转换电路，与星务设备的OC指令接口相连，CPLD用于检测OC指令的脉冲宽度。OC指令监测模块，接收TM与TC模块发送的遥测中断信号，将星务设备发出的OC指令脉冲通过第二串行总线发送给FPGA；如图7所示，控温监视模块采用CPLD设计，通过电平转换电路，与星务设备的控温电路接口相连，CPLD用于检测控温状态。控温监测模块，接收TM与TC模块发送的遥测中断信号，将星务设备的加热状态和温度变化响应情况通过第二串行总线发送给FPGA；如图8所示，模拟量生成模块，主要包括CPLD、数字电位器、数模转换器，CPLD通过控制数字电位器、数模转换器分别生成星务设备所需的温度量、模拟量和电平状态，作为星务设备的激励源。模拟量测量模块，接收TM与TC模块发送的遥测中断信号，通过第二串行总线接收FPGA发出的温度、电压、电流及电平状态等模拟量激励信号并转发给星务设备，将星务设备的模拟量测试结果通过第二串行总线发送给FPGA。还包括扩展模块，该扩展模块通过第一串行总线与FPGA进行通信。如图9所示，系统以一次TM中断为一次任务起点，调度系统工作。中断信号主要完成两个方面的触发：一是触发主控模块的FPGA，FPGA激活后，并行处理上位机指令任务、各模块的遥测及响应信号任务、CAN总线模块任务，之后，将指令任务传给各模块，将收集的遥测及响应信号、CAN总线数据流传给上位机；二是触发其他各模块，校准各模块的时间，统一系统时间，并与星上时间系统相统一，杜绝因时钟频率误差引起的各种问题。本发明未详细描述的内容属于本领域技术人员公知技术。