共同支持盛会，共谋发展：2024国际集成电路展览会暨研讨会盛大开幕
06-06
摘要：随着航天技术的快速发展，利用数码管模拟器来模拟数码管子系统进行测试已成为一种趋势。
为了使数码管模拟器软件能够适应航天器数据管理的新变化，降低软件实现难度，根据用户需求和现有硬件平台，提出了软件设计。
本设计采用数据处理分层系统协议来降低软件实现的复杂度，采用数据包进行数据处理，采用数据帧完成数据传输。
该模拟器已经针对 h 的各种功能进行了测试。
结果表明，设计可靠、稳定，能够满足设计要求。
关键词：数控模拟器；太空技术;数据包；软件设计 数字控制子系统是航天器平台的重要支柱。
航天器数据的采集、传输、处理和利用是航天器的信息中心，是提高航天器利用效率的关键。
数字管理模拟器全面模拟航天器数字管理子系统的功能，实现与电源、姿态轨道控制、热控和有效载荷的连接，完成平台和平台的遥控、遥测、统一授时等管理。
有效负载。
随着航天器产品的数量和复杂性不断增加，在航天器研制过程中采用数码管模拟器模拟数码管子系统来测试航天器平台和有效载荷，可以有效缩短航天器测试和研制周期。
降低航天器开发成本。
航天器数据管理模拟器是航天器平台服务设备。
需要对不同来源、不同速率、不同属性的各种信息进行统一管理，形成综合的数据流，满足多种信息传输的需要，使得上下行通道能够通用于航天器平台和有效载荷的不同应用流程。
：在信息传输过程中，需要根据当前实际需要改变上下行信道传输的数据类型和数据量，从而提高数据管理系统的效率和效果；在模拟器协议的实现中，需要采用层次结构。
系统软件和应用程序任务软件分别设计。
通过在系统软件上添加/删除应用处理任务软件，可以实现不同功能的组合。
1 软硬件系统 数码管模拟器硬件平台由中央处理单元模块、遥测采集模块、开关指令等模块组成。
设备组成及与外部设备的接口如图1所示。
中央处理模块主要完成与地面控制计算机的通信，接收地面控制下发的控制命令，完成星上时间校准、间接校准等功能。
命令发送、内存下载和总线数据注入。
该模块主要模拟航天器数码管计算机的功能。
中央处理模块通过B总线与星上的其他设备进行通信。
在该总线系统中，中央处理模块作为总线的BC端，其他设备作为总线的RT端。
遥测采集模块模拟航天器远程单元的数据采集功能。
它将采集到的各种离散遥测数据进行封装，通过串口发送至中央处理模块。
开关指令模块接收来自中央处理模块的指令和数据，完成远程控制指令的分发和输出功能。
开关指令模块模拟远程单元的间接指令功能，即开关指令的驱动输出。
数码管模拟器软件包括遥测采集模块软件和中央处理器系统软件。
当数码管模拟器正常工作时，两者同时运行。
两个软件与外部设备的数据流关系如图2所示。
遥测采集模块软件负责采集校验仪上的各种模拟量和温度量，由中央控制单元系统软件定时采集，以ms为单位。
一个周期；中央控制单元系统软件还通过B总线采集星上设备数据，并成帧后通过RS总线传输到地面控制软件。
中央控制单元系统软件还接收并执行地面总控软件发送的时间校准指令、直接指令、命令组指令、存储器下载指令、总控数据注入等指令。
2 软件机制 2.1 数据包 随着航天技术的发展，航天器上下行数据信息量急剧增加，类型多样、复杂程度高，信息特征和传输要求多样。
差异是巨大的。
信息源不再是单一的信息词，而是经过处理的信息集合。
同时，多个用户源的信息需要通过同一个物理信道进行传输。
传统的PCM测控传输框架已经难以适应这些变化。
数据包是车载信息源（子系统或设备）的应用进程产生的数据包。
它包含一组观测数据和相应的辅助数据。
数据包概念的本质是航天器内运行的多个应用系统创建自己的单元数据，允许航天器上的每个数据系统通过空地通信通道传输这些数据。
数据包由航天器内的应用系统根据数据处理需要生成。
间隔和长度是固定的或可变的。
数据包允许每个应用系统优化其数据结构和长度，使得每个数据源可以独立于其他数据源定义适合自己的数据结构。
除了标识数据源和包特征的标头外，数据内容完全由航天器上的各个应用系统决定。
与传统的传输帧格式相比，基于数据包的传输帧包含应用系统和数据路由信息，数据组装能力强，数据传输灵活，采样时间间隔不需要固定。
这给航天器与地面设备之间的数据通信带来了极大的便利。
2.2 数据处理层次体系 现代数据系统主要面向数据包的源和目的地。
用户可以按照“需求驱动”的原则自主转换数据包的格式和内容，并采用分层的数据处理方法。
为用户提供更大的灵活性。
数码管模拟器采用分层数据处理系统，可以利用数据包将复杂的航天器控制过程简化为每一层平等执行的一系列简单的标准操作。
根据某些协议，层与层之间存在标准。
数据格式接口及其层次模型如图3所示。
应用进程层主要完成车载设备数据的管理和分发功能。
该层不同的应用进程组成一个系统，分别对应星上某项任务的管理以及与模拟器相连的各星上设备的数据。
产生并接收。
分封装层的业务是提供车载设备与数字管理模拟器之间端到端的用户应用数据传输。
下载数据时，打包层从应用进程层接收格式转换后的特定数据流，将其封装为标准交换数据格式，并依靠分段层的支持完成数据下载功能。
数据上传时，分包层解析分段层发送的数据，以数据包的形式发送给应用进程层。
分段层完成数码管模拟器与地面控制设备之间的数据传输。
下载数据时，提供的服务是单向的。
数据上传时，分段层接收地面控制设备信息，解析数据并以数据包的形式发送给不同的星载设备。
通道业务层是数字管理模拟器与地面控制设备之间通信的物理链路。
本模拟器采用RS总线通讯，通讯速率为。
2kb/秒。
3 软件实现 3.1 上下行信道数据帧 在新一代航天器应用中，不同应用产生的数据源数据包可能有不同的出现率和数据包长度。
这些源数据包是在源数据包之间自主、异步发生的。
数据管理模拟器需要接收并组织这些数据包，并在分段层内完成下行数据帧的组织和发送。
参考CCSDS遥测数据链路协议建议，设计下行数据帧格式，如图4所示。
下行数据帧长度固定，总共为字节。
前两个字节是数据帧的帧同步字，占用两个字节，用于区分相邻帧；板载时间总共占6个字节的长度：第一个字节是帧计数，大小0~：第9个字节到第3个字节存储源包数据。
如果源包数据小于0字节，则下行数据帧中多余部分补0。
数据域中的数据包可以是遥测采集数据包、GNC数字遥测数据包、下载内存包等 上行通道是数字管理模拟器接收地面主控设备发送的数据帧的链路。
如果采用传统的脉冲编码调制来调制上行数据，航天器需要重新设计。
这样子系统之间的远程控制接口不统一，软件通用性很低。
这与软件产品化的理念背道而驰。
数码管模拟器与地面控制设备之间的上行通道协议以数据帧的形式进行，所有数据要求遵循表1的格式。
根据数据帧的命令码，上行数据帧为分为片内时间校准数据帧（命令码8e55）、间接命令数据帧（命令码d1d1）、命令组发送数据帧（命令码5a5a）、存储器下载数据帧（指令码b2b2）和B总线数据注入数据帧（指令码b1b1）等 数据帧的帧头为EB90，用于完成帧同步。
长度字占两个字节，表示指令代码和数据字段的总长度。
因为每个协议都必须有一个指令代码，所以长度字是最小值。
对于H。
指令码用于区分数据域中数据的用途，数据域用于存储有效数据。
数字管理模拟器系统软件接收到地面控制设备发送的数据帧后，解析命令码，并根据不同的命令码完成具体操作。
3.2 数码管模拟器系统软件 系统软件每个任务执行周期为ms。
执行周期定时器通过FPGA硬件实现。
单个执行周期误差小于5ms。
时间零是 2020 年 1 月 1 日 00 小时 00 分 00 秒 00 毫秒。
系统软件通过基于时间片的轮询调度来分配处理器模块的处理资源，实现多种任务的准实时处理。
地面主控通过RS向数码管模拟器发出遥控指令。
CPU响应RS总线中断并设置串口中断有效标志。
主程序中，在处理函数中判断中断标志并执行相应的命令动作。
通过不同的命令字执行相应的操作。
系统软件流程图如图5所示。
软件开始执行时，首先初始化系统的各种资源和寄存器，清除看门狗，等待地面主控设备发送的数据帧；如果地面主控设备发送数据帧，则系统软件首先解析数据帧的指令代码，并根据指令代码内容确定本周期需要执行的任务。
系统软件只负责多任务调度和固定时间片分配，具体任务由应用进程任务软件完成。
3.3 遥测采集模块软件 遥测采集模块软件主要完成遥测板发送的传统遥测数据的接收，共6个字节的遥测数据。
遥测收集模块组织这些数据并将其以数据包的形式发送到中央处理单元。
系统软件每隔毫秒向遥测采集模块发送必要的命令。
遥测采集模块接收到系统软件发送的必要命令后，开始传统遥测的采集。
分组后的数据通过串口发送至数据处理模块。
系统软件进入串口中断后，将数据包放入下行数据帧中，等待下行数据发送任务执行完毕后，再发送下行数据帧。
4 实现与验证 数码管模拟器的CPU模块由TI公司的DSP器件TMSF和kbit RAM组成，与FPGA一起控制各种接口。
本文的软件设计采用C语言实现，使用CCS3.3软件开发环境进行开发，调试计算机采用Windows XP操作系统。
模拟器进行了长达一小时的成熟测试，期间进行了遥控指令传输、姿态轨道控制内存数据下载、星上时间校准、模拟遥测数据采集等功能测试。
测试结果表明，利用该软件设计的数码管模拟器能够可靠、稳定地完成数据管理子系统的仿真任务。
与传统的数据管理模拟器相比，基于数据包的航天器模拟器可以适应不同应用产生的不同出现率和包长度的数据源包，简化软件开发流程，提高数据有效利用率。
5 结论 在综合分析模拟器的需求后，实现了数码管模拟器的软件设计，并在系统测试中充分验证了其功能和性能。
软件设计体现了模块化设计的思想。
它采用静态循环轮换的方式实现任务调度，实现起来比较简单，有利于软件任务的正常执行。
它采用分层设计的思想，实现对不同源和宿的数据的统一管理。
，有利于软件的标准化和组件化。
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