基于阻抗分析的可靠性数据回收装置设计_栗媛.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .收稿日期：修改日期：，（，；，）：，（），（），：；：基于阻抗分析的可靠性数据回收装置设计栗 媛，李北国，焦新泉（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原；中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室，北京）摘 要：针对弹载飞行结束后，极端环境的作用下，存储器内部状态不明无法读数的情况，设计了一种集阻抗测试与数据回读于一体的数据回收装置。该装置能够对存储器进行精确阻抗分析，误差控制在 之内，结果反馈至上位机。并且，针对由于以太网硬件电路跨时钟域设计造成的实地数据回读时约 的误码率，设计了重传协议。目前，该设备能够实现 误码率将数据回读。综合多次实地炮击试验现场读数的结果表明，该装置阻抗测试效果好，数据回读可靠性强，系统可以稳定运行。关键词：数据回收；阻抗分析；重传协议中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着航天飞行技术的不断发展，对数据传输可靠性的要求也越来越高。目前，在飞行过程中地面测控台负责收集飞行阶段的各类实时参数，以实时监测的方式将数据通过以太网反馈至上位机。但是，实时监测对更新速率要求较高且存在丢数的问题，数据并不可靠，不能作为分析处理的依据。飞行结束后，需要有设备在确保存储器硬件电路状态良好的基础上独立可靠地将其内部的数据进行系统性回读。本文设计并且实现了一种基于 的集阻抗分析和数据回收于一体的航天配套装置。通过该装置，可以实现在保护存储器的前提下，将数据可靠回读。系统硬件设计 系统设计飞行结束后，存储器硬件电路状态不明。在数据回读前，必须要对存储器各供电线路的负载电阻进行正向与反向测量，确保各供电接口可以正常工作，内部无开路短路现象。阻抗测试时，上位机软件发出相应指令至数据回读装置，根据指令内容控制开关切换到测试通道，完成一次自动测量，测试结果通过以太网接口回传至上位机。阻抗分析完成后，存储器测试正常，即可进入下一阶段的数据回收。回读系统由回收读数装置、存储器和计算机组成，链路分为指令传输链路和数据传输链路，其主要工作流程是：上位机通过以太网接口下发读数指令至回收读数装置，响应后回收读数装置通过 接口发出相应指令至存储器。若指令有效，存储器将内部数据通过 总线经串化器串化发出，回收读数装置接收 数据后解串缓存。上位机通过以太网将数据由回收读数装置读回，完成一次数据的回读。系统总体设计框图如图 所示。第 期栗 媛，李北国等：基于阻抗分析的可靠性数据回收装置设计 图 总体设计框图 阻抗测试电路：飞行器内各供电负载在外部电源输入后，常常会接入保护二极管以及滤波电容，之后会进行电压转换，其静态等效模型如图 所示，从外部供电端口接入总电阻为。图 静态等效模型图以上模型中，二极管是非线性器件，经过的电流不同时，其两端的电阻也会发生变化。除此之外，要想得到准确的电阻值，必须要等待电容充满电。目前，对于阻抗测试的方法主要有两种，分别是指针式万用表测试和数字式万用表测试。指针式万用表测量以上海第四表厂的指针万用表 为例，其内部等效电路如图 所示。万用表内部电阻挡由 电流表头、电池及分流电阻组成。图 指针表电阻挡测试原理图电路中的电流计算式为：（）（）式中：为分流电阻，为总内阻，为被测电阻，为调零电阻；当 时，调整，使 ，即电流值满偏 ，指针指向 。当 时，指针指向表盘中间位置。数字式万用表测量以 公司的 为例，其内部使用恒流源输出进行测试，等效原理图如图 所示。通过测试被测负载两端的电压，即可计算得到对应的阻值；数字表量程与输出电流的对应关系如表 所示。图 数字表负载测试原理图表 数字万用表量程和电流关系序号量程测试电流产生压降 分别使用两种表测试不同阻值的纯电阻，所测阻值相近；考虑到在测试二极管阻抗时，如果二极管处于轻微漏电状态，会产生较大的压降，导致数字万用表认定其阻抗为无穷大。该情况下，无法区别二极管是处于轻微漏电状态还是完全不导通状态，不利于硬件电路故障的检测。经过比较，阻抗分析测试电路选用恒压源串联电阻的形式，串联电阻根据被测电阻的值自动切换，矩阵开关通过 控制实现被测负载的切换。电压采集电路用于采集负载电阻两端的电压，经过计算可以得到对应的电阻值，原理框图如图 所示。以测试负载电阻 为例，当上位机发出“正向”测试指令，控制、闭合，电流从负载电阻 的 端流向 端，负载电阻两端产生电压，通过采集对应电压可以得到正向电阻值；当上位机发出“反向”测试指令，控制、闭合，电流从负载电阻 的 端流向 端，同样可以得到反向电阻值。简化的电路模型如图 所示。根据分压原理计算出被测负载的阻值为：电 子 器 件第 卷图 阻抗测试原理框图图 负载电阻测试原理图（）（）式中：为被测负载，为串联电阻，为电压源输出电压，为被测负载两端电压。采用分压法进行阻抗测试时，测试结果的精度与被测电阻与分压电阻的差值密不可分。电压源输出 电压，假设采集精度为，电路中分别串联 、和 四种分压电阻，通过数值分析法确定，若要保证测试结果精度在 以内，各量程对应的测试电阻范围分别为：，、。数据回读电路回读系统由 发送电路，接收电路，以太 网 收 发 电 路 组 成。电 路 选 用 芯片，发送时驱动器将 信号转化为 差分信号进行输出，增强了系统的抗干扰能力。接收电路选用 芯片，考虑到传统 只能满足短距离的高速数据传输条件，在设计中用到了自适应均衡器 来增强信号的驱动能力和补偿能力。另外，为保证数据传输中的直流平衡，特加入了 编解码技术。以太网电路选用 作为数据收发芯片，其主要功能是负责建立上位机和数据回收装置之间的通信。信号经网络变压器 网络接口隔离后输出，有效地抑制了噪声的干扰。接口电路图如图 所示。但是，由于以太网硬件系统跨时钟域架构的设计，导致在线速条件下长时间的测试会出现丢包现象。对于 通信接口，侧和 侧没有使用相同的参考时钟，侧采用发送时钟，侧采用接收时钟。如果来自线路上的数据时钟比本地时钟快，接收侧的 就会慢慢被填满溢出，造成丢包现象，这与可靠性的设计理念相悖。在软件设计时，通过加入重传协议来规避这一缺点，实现对以太网设计的优化。图 以太网接口示意图 系统软件设计阻抗测试功能主要由四部分功能组成：以太网接口通信控制、继电器阵列切换控制、采集模块控制、量程自动切换控制，软件设计流程图如图 所示。数据回收装置接收到上位机下发的“负载测试”指令后，继电器阵列切换至对应负载接点接入。采集通道切换至阻抗测试通道，开启 采集，根据测试结果选择合适的量程，并将准确的导通测试阻值发送至上位机。数据回读时 内部被设计为四大模块，分别是复位模块、时钟模块、千兆以太网模块和控制模块，其内部设计框图如图 所示。考虑到指令存在误判现象，出于对系统可靠性的考量，发送端指令连发三次，存储器 接收端使用 判 的方式进行判别，若没有识别到有效指令，则不进行数据的传送。系统处于通电状态且上位机并未下达开始读数指令时，发送端下发备用读数指令。上位机下达开始读数指令后，发送端会根据 的存储容量进行发送指令的选择。当 满标志有效后，下发忙指令，存储器停止数据发送。当 满标志无效时，仍有第 期栗 媛，李北国等：基于阻抗分析的可靠性数据回收装置设计 余量，下发闲指令，存储器数据可以通过 总线正常发送。发送端指令内容如表 所示。接口时序仿真结果如图 所示。图 阻抗测试软件流程图图 数据回读 内部设计框图表 发送指令内容序号指令名称 取值备用读数忙闲 以太网模块的主要功能有两个，包括下发读数指令和数据回传，考虑到以太网硬件电路造成的跨时钟域速率不匹配导致会有 溢出。软件设计时，在标准的 通信协议之上，再设计一层数据重传协议，通过与上位机的交互来规避丢数现象。图 接口时序仿真图 上位机下发“开始读数”指令的状态下，每下发一次数据请求，回读数据量为，数据由 读出写入，通过以太网接口将数据读回。上位机采取抓包的方式进行数据判断，每抓取到 数据对帧计数进行一次校验。如果校验失败，则触发重传机制，此时重传指令 有效，重新在 中读取 数据再次校验，若仍旧不连续，则继续触发重传机制，连续十次重传校验失败，立即停止下载数据。如果数据校验正常，则进行下一次数据请求，继续读 数据，完成一次数据请求将 标志位拉高一次。与此同时，在 数据读取的过程中，每回读 判断一次是否还在开始读数状态，若指令无效，则停止读数，等待上位机下达下一次开始读数指令。系统测试为验证阻抗测试方案的可行性，按照图 所示搭建电路，按照分压原理测试 两端电压，另外使用指针万用表直接测试 两端的电阻，通过调节滑动变阻器进行多组测试，具体测试结果如表 和表 所示。图 测试电路电 子 器 件第 卷表 较小负载电阻比对测试结果序号值 测试分压测试 表 较大负载电阻比对测试结果序号值 测试分压测试 比对测试结果：测试条件：，。测试条件：，换用另一只同型号二极管。由测试结果看来，选用不同型号的二极管分别采用分压法测试与指针万用表 进行测试，结果相差不大。这足以说明，分压法测试方法的可靠性。读数测试时，将存储器、回收读数装置以及电脑连接。点击上位机界面“开始读数”按钮，上位机界面如图 所示。图 上位机界面为了能够验证读回数据的准确性，存储器内部预先存储好递增数。在以太网未设计重传协议前，进行数据回读时，每回读 数据，总会有约 数据丢失，误码率约为。加入重传协议后，将数据下载回读，回读数据部分片段如图 所示。进行进一步的分包处理。通过对数据帧格式、帧计数的校验，多次读取存储器内的数据，数据结构均相同，不存在误码丢帧的情况。由此可得出，加入重传协议后回读系统可靠性大大提升。图 回读数据 结论本文将阻抗分析与数据回读相结合，并针对以太网丢数的现象加以改进，设计了重传协议。多次现场对存储器进行阻抗分析和数据回读结果表明，该装置对存储器硬件电路状态分析准确，并且回收读数可靠性高。目前，该回收读数装置已经在现代航天飞行领域中作为配套装置使用。参考文献：穆远祥以太网交换不达线速问题分析 电子世界，（）：郑瑞，肖顺文，王涌 基于 的千兆以太网实时图像采集与传输系统设计 西华师范大学学报（自然科学版），（）：文丰，韩雨龙 千兆以太网 控制器软核设计电子测量技术，（）：丁辉，张会新，董钧港 以太网传输错误重传机制 控制器设计 电子设计工程，（）：，赵冬青，逯宏超，储成群 嵌入式多功能阻抗测试仪的设计与校准 实验室研究与探索，（）：何宴辉，彭博 弹载计算机通用阻抗测试仪设计计算机测量与控制，（）：王达，王化祥，崔自强，等 一种集成式阻抗谱测量系统 传感器与微系统，（）：，张岩，文丰，贾兴中 数据传输链路的数字量通信模块设计 单片机与嵌入式系统应用，（）：，孙宇伟，王怀侠，郭燕红，等 基于以太网的高可靠性综合控制技术研究 电子技术与软件工程，第 期栗 媛，李北国等：基于阻抗分析的可靠性数据回收装置设计（）：韩雨龙 基于千兆以太网的记录器单元测试设备设计与实现 太原：中北大学，吴惑，刘一清 基于 的万兆以太网 协议处理架构 电子设计工程，（）：张克功，李和平，高鑫 基于千兆以太网的雷达数据可靠传输系统设计 自动化与仪表，（）：栗 媛（），女，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电路与系统设计，；李北国（），男，汉族，高级工程师，主要研究方向为遥外测系统和电气系统设计，；焦新泉（），男，汉族，教授，主要研究方向为微纳米器件及测试技术，。