基于SoC 的通用化卫星电气接口仿真平台设计

王强，蔡先军，刘廷玉

（上海卫星工程研究所，上海，201109）

0 引言

卫星电气接口仿真技术用于模拟星上电气接口的数据传输与数据处理过程，为卫星各电单机的接口设计提供仿真验证参考，是重要的设计和测试辅助技术。传统的电气接口仿真平台只针对单一接口类型进行数据收发仿真与信号电平测试，通用化程度低，仿真验证效果与数据分析处理能力较弱。通用化的接口仿真平台可高保真地模拟多种电气接口、多个分系统之间的信息交互过程，对其进行实时监控、记录，并在事后进行有效的分析和处理，汇总形成设计参考数据库与故障模式数据库，分别为设计研发和故障排查提供参考依据。研究通用化的卫星电气接口仿真技术，对卫星的设计和测试均具有重要意义。

星上的电气接口通常由ASIC 芯片进行控制，若地面接口仿真平台采用与星上相同的ASIC 芯片设计，不仅成本高、开发难度大，且难以实现通用化[1]。片上系统（System on Chip,SoC）是一类在单芯片上集成高密集数据处理电路、模拟电路、各类输入输出通信接口及专用算法的片上控制微系统[2]，能够满足电气接口的收发控制与数据处理功能。采用成熟的商用SoC 架构设计卫星电气接口仿真平台，开发周期短、研制成本低，且控制功能丰富，能够满足多类电气接口的通用化仿真需求。

1 基于SoC 的硬件系统设计

本文设计的卫星电气接口仿真平台主要针对卫星常用的1553b 总线接口、RS-422 接口、LVDS 接口、TLK2711 接口进行仿真验证。平台由基于SoC 的硬件系统和上位机软件系统两部分组成。基于SoC 的硬件系统主要完成多类电气接口的数据收发与仿真验证，上位机软件系统对硬件平台进行参数配置与管理，完成电气接口的传输特性分析及总线数据的实时上注与综合分析。

仿真平台设计时用SoC 芯片代替ASIC 对电气接口进行控制，不但降低了板级系统复杂度，而且通过软硬件协调设计[3]，在接口特性模拟时可以灵活使用软件对硬件进行配置，提高了仿真平台的通用化程度；后端采用上位机软件系统代替星务计算机或数传下位机对总线数据及高速接口数据进行处理，提升数据处理效率的同时，能对各类电气接口的故障模式与传输性能进行深入模拟与分析。

■1.1 系统硬件设计

卫星电气接口具有低时延、高动态的特点，用来模拟卫星电气接口的系统需要具备较强的运算处理能力、较宽的带宽及能实现大范围的频率变化。鉴于以上要求，系统硬件平台采用“底板+Zynq 核心板+功能模块”的结构设计[4]。其中，底板负责板卡供电，同时负责Zynq 核心板与各功能模块之间的连接；Zynq 核心板负责接口控制与信号处理；功能模块包含1553b 总线仿真模块、测控接口仿真模块和高速接口仿真模块，分别用于模拟卫星的1553b 总线、RS-422、LVDS 和TLK2711 接口，功能模块的收发芯片型号与星上产品相同，以保证地面仿真验证的精确度。基于SoC的卫星电气接口仿真平台硬件结构如图1 所示。

图1 基于SoC 的卫星电气接口仿真平台硬件结构

Zynq 核心板选用Zynq7000 系列的SoC，该型号SoC常用于摄像机、医疗设备、路由器等商用产品，包含两个ARM9 内核（Processing System,PS 模块）与FPGA 模块（Programmable Logic,PL 模块）。该型SoC 设计成熟，处理性能强，可编程逻辑资源丰富，接口种类多，实现了信号处理、逻辑控制、数据传输和用户二次开发等功能的良好统一[5]。

SoC 平台的PS 模块含有嵌入式实时系统、数据库及1553b 总线监测软件，PL 模块包含各个接口的逻辑控制电路，负责接口芯片的控制及数据收发，PS 模块与PL 模块通过AXI 总线通信。系统底板主要包含电源系统、电气接口外围电路及状态监测电路。电源系统由稳压转换模块、保护电路、数字电源模块等模块组成，数字电源可实现0～8V 的电压调节功能，用于模拟接口芯片的供电电压拉偏、地势电压拉偏状态；电气接口外围电路可以调节接口的匹配阻抗等各项参数，也可模拟接口的传输时的开路、短路等故障；状态监测电路负责向SoC 提供状态模拟量，用于监测平台运行状况。功能模块分为三类，1553b 总线仿真模块、测控接口仿真模块（包含RS-422 接口）和高速接口仿真模块（包含LVDS 接口与TLK2711 接口）。

■1.2 芯片选型与仿真模式

为保证仿真平台接口的收发特性与星上电气接口收发特性一致，选用卫星使用的军品级芯片作为平台功能接口模块的接口芯片。其中，1553b 总线接口芯片选用DDC 公司的BU-65170（RT）和BU-61585（BC）；RS-422 接口芯片选用INTERSIL公司的HS-26C31（接收端）和HS-26C32（发送端）；LVDS 接口芯片选用INTERSIL 公司的HS9-26CLV31RH-8（接收端）和HS9-26CLV31RH-8（发送端）；TLK2711 接口芯片选用TI 公司的TLK2711HFGQMLV。

卫星总线特性模拟方面，1553b 总线仿真模块可模拟一个BC 及多个RT 组成的总线系统，并通过上位机软件系统实时上注总线数据模型，模拟星上各分系统之间的通信状态。测控接口模拟方面，RS-422 接口的外围电路可以模拟差分信号发送端、接收端的开路、短路故障状态，同时可验证芯片供电拉偏和共模干扰情况下的芯片传输性能，通过调整外围电路，可以对RS-422 接口的一对多、冷备份等不同的端接设计方式进行验证。高速数据接口模拟方面，通过调节上位机软件系统的数据配置及底板的高速数据收发模块外围电路，可以模拟不同传输时钟频率、匹配阻抗情况下LVDS 与TLK2711 接口的传输特性，并用示波器通过底板预留的示波器接口记录眼图数据，同时将数据接收情况反馈至上位机，对误码率进行统计分析。

2 软件系统设计

卫星电气接口仿真平台的上位机软件设计主要分为三层：设备驱动层、数据处理层和人机交互层。设备驱动层负责上位机与SoC 平台的数据交互；数据处理层连接设备驱动层与人机交互层，并负责对仿真数据进行处理与分析；人机交互层负责软件与SoC 平台的参数配置、SoC 平台及各个模块的图形化显示。软件系统原理框图如图2 所示。

图2 上位机软件系统原理图

系统的仿真验证流程如下：

（1）1553b 总线仿真验证流程：上位机软件系统生成卫星总线数据模型，通过1553b 板卡实时上注至SoC 的PS 模块，经过总线仿真验证环节后，采集至上位机软件系统进行事后分析与综合呈现；

（2）测控接口仿真验证流程：上位机软件生成RS-422接口数据，经网卡传输至SoC 平台的PS 模块，PS 模块控制PL 模块进行数据的收发仿真验证后，将接收芯片采集的数据经由网口传至上位机软件系统进行分析与呈现；

（3）高速接口仿真验证流程：上位机软件将高速数据配置信息经网卡传输至SoC 平台的PS 模块，由PS 模块生成伪随机码，控制PL 模块进行数据收发仿真验证，再通过光纤卡将接收芯片收到的数据送至上位机软件系统进行误码率统计。

卫星电气接口仿真平台的工作原理如图3 所示。

图3 仿真平台工作原理图

3 结束语

开发通用、快捷、高精度的地面仿真设备，有助于对星上设计进行早期验证，降低开发成本，缩短开发周期。SoC的特点是将ARM 与FPGA 集成在一块芯片中，开发周期短、成本低，同一个SoC 平台能够在多领域应用，通用化程度高。SoC 平台能够满足卫星地面仿真设备的集成化、小型化、高性能、低功耗要求，借助成熟的SoC 平台，可以快速构建卫星电气接口设计方案的虚拟原型，对电气接口的设计、总线数据处理进行高保真的仿真验证。本文提出的基于SoC 平台构建卫星电气接口地面仿真系统的方法，在兼顾卫星电气接口特性的基础上，充分利用了SoC 平台集成度高、开发便捷的特点，能够对多种卫星电气接口进行仿真验证与综合分析。同时，本文提出的SoC 结合军品元器件的设计思路也可应用于卫星综合电子、数传等分系统的地面仿真测试设备开发。