0 引言
    遥测舱是导弹研制中不可缺少的关键测试部件，它为导弹系统的顺利研制提供了重要保证。为了提高安全性和可靠性，遥测舱产品使用前必须通过检测和调试。遥测舱信号源是根据测试要求向待测产品实时地发送各种激励，以此来模拟导弹遥测舱实际测量到的信号，遥测舱产品会对收到的激励信号做相应的处理，然后从其输出端输出数据，这些数据将被采集到遥测舱内部，通过地面接收系统软件的分析，就可以判断遥测舱产品有无故障。由此可见，信号源是遥测舱检测系统中非常重要的组成部分，本文主要针对此信号源的设计与实现展开论述。

1 设计要求
    该信号源需要为遥测舱提供串行图像数据、并行数据、串行RS 422数据、模拟信号，这些信号可单独或者组合输出。模拟信号可输出幅值为-10～+10 V，频率为100～40 kHz的脉冲信号。
    目前市场上的信号发生器一般都用来产生较为简单的信号，不能够满足本系统的需求。因此，将针对本系统的特殊要求设计一个可编程的信号源。

2 设计方案
    采用数字信号源的设计方法，主要以FPGA可编程芯片为核心，辅以必要的电平转换电路，构成可编程信号源。控制逻辑由FPGA可编程芯片来实现。FPGA通过内部逻辑，主要实现三个功能：产生模拟信号所需的频率基准信号；产生并行数据和图像数据的伴随信号，产生并行数据和串行RS 422数据和串行图像数据。模拟信号由功率放大电路进行幅值调节。数字信号经过接口芯片进行电平转换。
    信号源电路板由电源转换模块、可编程逻辑器件、LVDS接口芯片、RS 422接口芯片、运算放大器和总线驱动器等组成。硬件电路原理框图如图1所示。

    FPGA采用Altera公司的Cyclone系列EP1C6。Cyclone FPGA是目前市场上性价比最优且价格最低的FPGA。容量为5 980个逻辑单元，具有多达92 160位嵌入RAM。支持各种单端I／O标准如LVTTL，LVCMOS，PCI和SSTL-2／3。FPGA的I／O端口多达185个，可通过VHDL语言编程来自由支配、定义其接口功能，方便PCB版图设计时的布局布线，而且FPGA硬件的速度是纳秒级的，VHDL程序内部对各功能模块的处理是按并行方式进行的，这样既很好地解决了信号通路多的问题，又能实时、快速地传输处理高速数据流。同时，借助EDA工具软件Quartus直接进行代码编写、功能仿真和时序仿真，简单易行地完成硬件功能的验证、添加和修改。配置器件采用Altera公司的串行配置器件EPCS1，工业级低成本，提供在系统编程(ISP)和多次编程能力，这种能力是一次性可编程器件所不具备的，但其成本甚至低于一次性可编程器件，是Cyclone系列器件最完美的补充。存储容量的范围为1 Mb，使其更容易配合FPGA构造所需的最佳解决方案。

3 设计与实现
3．1 串行图像数据
    整帧传输时间为10 ms(包括帧头和所有有效数据位)；在每帧数据开始发送时，先发送两个帧头校验字FAF3EB90，其中每个字宽度不大于200 ns(校验字每帧发送一次，所以每组校验字之间间距为10 ms)，然后再发送16 384(128行，128列)个字的原始图像数据，每个数据字宽度同样不大于200 ns，字的内容为0000～4000循环发送；原始图像数据发送完毕后，还需发送256个字的数字量，前两个字为校验字050C146 F，202个字为有效数字量信息，字的内容为0100～0000循环发送，其余信息字填零。
    信号时序图见图2。

    YLVDSD：发送16位数据，传送系统给图像采集设备的所有数据，每个数据位宽度与时钟的半个周期等宽；
    YLVDSS：发送同步信号，每字同步，与首数据最高位同时发出，宽度为半个时钟；
    YLVDSC：时钟信号，始终保持。
    所有的数据以行时间为基准，即每62．5μs发送一组128个数据(以同步信号为基准计数)。共发送130行，其中正程128行发送图像数据，逆程两行发送信息字。
    采用VHDL语言编写程序，使FPGA输出固定时序的LVTTL电平的3路信号，经过一片LVDS接口芯片后，转为LVDS信号。
    LVDS接口芯片采用National Semiconductor公司的DS90C031，它是四路LVDS线驱动器，单电源5 V供电。
3．2 并行数据
    并行数据是以信息帧的形式沿字节多路转换通道发送。信息更新周期为10 ms，每个更新周期传送128个信息字。这些信息字分成2个子帧，每帧64个字，每5 ms发送一子帧。信息字为24位，包括8位地址、16位数据，这样，并行数据的数字遥测信息速率为307．2 Kb／s。
    并行数据的数字遥测信息字的结构如图3所示。

    并行数据采用8位并行传输，每个信息字的三个字节分三次沿8位总线分时发送。伴随信号CS1，CS2的不同组合构成地址字节、高位数据字节和低位数据字节的区分标志，信号WR表明信息的发送。地址按00～7F循环发送，数据按0000～9FFF循环发送，8位总线信号、伴随信号和写信号传输均由245作驱动，由这些信号的信号线电压的变化形式表示的信息传输时序如图4所示。

    从图4可以看出，一个信息字节的传输时间是2μs，一个信息字的传输时间是6μs。相邻两个信息字之间的间隔时间是10μs。
    并行数据信息在5 ms周期内完成后发送，每个周期发送信息的时间大约为640μs。
    采用VHDL语言编写程序，使FPGA输出固定时序的LVTTL电平的3路信号，经过2片总线驱动器后，转为TTL电平的并行数据信号。
3．3 串行RS 422数据
    串行RS 422数据共有3路。通过FPGA的VHDL程序产生符合RS 422协议的LVTTL电平数据，经过RS 422接口芯片进行电平转换。
    RS 422接口芯片采用Maxim公司的MAX1484，它是1收1发驱动器，全双工。
    (1)第一路DF422
    波特率为500 Kb／s，每帧2．5 ms，帧长9个字节。
    (2)第二路ZW422
    波特率为240 Kb／s，每帧1 ms，帧长12个字，8 b／字。
    数据格式是：
    1位起始位+8位数据+1位停止位+10位空闲位其中：8位数据是低位在前，高位在后。
    (3)第三路YX422
    波特率为200 Kb／s，消息块更新频率为400 Hz，每个消息块6个字，每字11位：
    1位起始位+8位数据+1位奇偶校验位+1位停止位
3．4 模拟信号
    通过对48 MHz的外部时钟分频产生固定频率的脉冲方波，幅度为0～3．3 V，采用高速运算放大器产生线性比例放大电路对幅度进行调节。
    运算放大器采用AD公司的AD824，支持单电源供电，是低功耗的场效应晶体管输入操作放大器。
3．5 电路设计
    在设计中采取了多种措施以保证信号源在各种情况下的正常工作。
    (1)采用4层PCB板设计，避免使用过多分立器件，减小设备体积，缩短引线，提高可靠性；
    (2)电源和器件电源管脚加滤波电容，减小电源噪声对器件和电路板的影响；
    (3)印制板合理布局、布线，减小各种信号间的相互干扰；
    (4)差分信号线d+和d-到接口不超过30 mm，两信号线长度差控制在2 mm以内，确保满足LVDS数据传输带宽的要求；
    (5)电路设计中，采取措施尽量提高系统对各种干扰的隔离以及突发大信号的抑制，保护系统可靠工作。输出电路串接保护电阻，在输出短路时确保电路完好。

4 结论
    综上所述，主要介绍了遥测舱多路可编程信号源的设计与实现，着重对设计中的几个关键技术做了较为详细的研究论证。通过采用FPGA作为设计核心，编写VHDL程序产生主要逻辑功能，附加外围电平转换芯片实现各种类型信号输出。实践证明，此信号源完全能够模拟遥测舱测量到的信号，符合设计要求。