楊同智,周汝志

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

基于TCA的航電串行背板總線(xiàn)設(shè)計(jì)研究

楊同智,周汝志

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

為解決航天電子系統(tǒng)背板內(nèi)總線(xiàn)因采用自定義專(zhuān)用設(shè)計(jì)，繼承性較差、內(nèi)總線(xiàn)信號(hào)難以監(jiān)控測(cè)試等弊端，對(duì)基于電信計(jì)算構(gòu)架(TCA)的航天電子串行背板總線(xiàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。介紹了TCA總線(xiàn)中先進(jìn)電信構(gòu)架(ATCA)和微型電信構(gòu)架(MTCA)的類(lèi)型、分區(qū)和用途。討論了基于TCA總線(xiàn)的背板總線(xiàn)設(shè)計(jì)：按信號(hào)分為分級(jí)數(shù)據(jù)管理總線(xiàn)、數(shù)據(jù)更新接口、電源分配區(qū)、時(shí)鐘分配與觸發(fā)、自定義信號(hào)和測(cè)試6個(gè)功能區(qū)，通過(guò)背板資源的分區(qū)規(guī)范化管理、內(nèi)總線(xiàn)測(cè)試接口設(shè)計(jì)和基于交換策略的冗余設(shè)計(jì)，分別采用交換結(jié)構(gòu)和串行背板技術(shù)設(shè)計(jì)功能區(qū)。給出了一個(gè)基于TCA設(shè)計(jì)的開(kāi)放式、可擴(kuò)展、可測(cè)試、適應(yīng)不同碼率需求的通用型可靠背板內(nèi)總線(xiàn)構(gòu)架，具可靠性高、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)。研究表明TCA可作為航天電子背板總線(xiàn)設(shè)計(jì)的一種可選方案。

綜合電子； 電信計(jì)算構(gòu)架； 先進(jìn)電信構(gòu)架； 微型電信構(gòu)架； 串行背板； 交換結(jié)構(gòu)； 總線(xiàn)拓?fù)洌?可測(cè)試性

0 引言

以往航天電子系統(tǒng)采用分離式設(shè)計(jì)，單機(jī)規(guī)模小而多。為進(jìn)一步提升航天電子系統(tǒng)的模塊化與集成化水平，減輕平臺(tái)重量，國(guó)內(nèi)航天器引入了綜合電子理念，將多個(gè)單機(jī)以子板的形式集成到一個(gè)單機(jī)中，這就對(duì)背板總線(xiàn)集成能力提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的1553B，CAN總線(xiàn)，以及目前熱點(diǎn)研究SpaceWire，TTEthernet等高速總線(xiàn)主要針對(duì)單機(jī)間互聯(lián)，國(guó)內(nèi)針對(duì)背板內(nèi)總線(xiàn)的研究較少，單機(jī)內(nèi)部互聯(lián)仍采用自定義專(zhuān)用設(shè)計(jì)，每個(gè)單機(jī)的背板內(nèi)總線(xiàn)均不同，彼此間難以繼承，增加了重復(fù)設(shè)計(jì)的開(kāi)銷(xiāo)；背板內(nèi)總線(xiàn)在單機(jī)封蓋后難以監(jiān)視，有問(wèn)題必須對(duì)單機(jī)開(kāi)蓋檢測(cè)，帶來(lái)了諸多弊端[2-3]。因此，新一代航電背板總線(xiàn)應(yīng)具通用、冗余可靠與可測(cè)試等特點(diǎn)，背板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，各類(lèi)型資源豐富，滿(mǎn)足各單板的配電、時(shí)鐘分配、管理、數(shù)據(jù)通信、背板信號(hào)監(jiān)測(cè)、模擬量總線(xiàn)、自定義離散信號(hào)監(jiān)控等需求，板間通信采用多級(jí)總線(xiàn)與冗余拓?fù)湓O(shè)計(jì)，通信可靠性高。2005年NASA研究報(bào)告建議采用串行背板技術(shù)和交換構(gòu)架設(shè)計(jì)航天電子背板，可獲得較高的速率、較低的電磁干擾(EMI)和良好的可靠性[4]。在常用的背板總線(xiàn)構(gòu)架中，傳統(tǒng)緊湊型外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(CPCI)構(gòu)架采用并行總線(xiàn)構(gòu)架，較難實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)；CPCI-Serial基于串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換構(gòu)架，雖解決了冗余可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題，但背板帶寬資源受限，不適應(yīng)航天電子背板采用更高碼率的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是大載荷或數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)型的衛(wèi)星應(yīng)用[5]。2012年NASA發(fā)布的SpaceAGE和2003年ESA發(fā)布的SpaceWire也可用于背板通信，但任務(wù)延時(shí)不確定，主要用于數(shù)據(jù)傳輸，不適于背板任務(wù)管理[6-7]。TCA電信計(jì)算構(gòu)架是PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商集團(tuán)(PICMG)制定的面向高可靠高帶寬應(yīng)用的規(guī)范，采用基于交換構(gòu)架的多冗余配置管理，可承受加速度3g以上的正弦振動(dòng)與8g以上的隨機(jī)振動(dòng)。與SpaceAGE，SpaceWire等總線(xiàn)相比，該背板采用分級(jí)數(shù)據(jù)管理總線(xiàn)，兼容低速的背板任務(wù)管理和高速的背板數(shù)據(jù)傳輸功能，提供了更豐富的背板帶寬資源，具備一定的時(shí)鐘分配與自測(cè)試能力，可在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)滿(mǎn)足航天器背板總線(xiàn)資源的需求[8]。本文以TCA為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種通用型航天電子背板總線(xiàn)構(gòu)架。

1 TCA總線(xiàn)簡(jiǎn)介

TCA包含功能全面的先進(jìn)通信計(jì)算機(jī)構(gòu)架(ATCA)和精簡(jiǎn)的微小通信計(jì)算機(jī)構(gòu)架(MTCA)，在PICMG 3.X，MTCA.X系列協(xié)議中詳細(xì)制定了機(jī)械、電源、互聯(lián)、系統(tǒng)管理等內(nèi)容，其規(guī)范化的背板結(jié)構(gòu)支持冗余配置管理，可靠性達(dá)到99.999 9%。標(biāo)準(zhǔn)ATCA為 14或16槽，其中包含Hub交換槽2個(gè)、中心控制槽2個(gè)、節(jié)點(diǎn)功能槽12或10個(gè)，此外也存在6槽等精簡(jiǎn)構(gòu)架；標(biāo)準(zhǔn)MTCA為14槽，系統(tǒng)槽與交換槽的功能合并，稱(chēng)之為微型TCA載波交換板(MCH)，其余為節(jié)點(diǎn)功能板(AMC)，此外也存在4槽、8槽等精簡(jiǎn)尺寸構(gòu)架。

ATCA有交換板、中心控制板和節(jié)點(diǎn)板三種類(lèi)型。背板用于電源分配、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)傳輸和自定義接口擴(kuò)展，分為三個(gè)區(qū)(如圖1所示)：1區(qū)用于電源分配、自測(cè)試和關(guān)鍵低速管理信號(hào)傳送；2區(qū)用于中高速數(shù)據(jù)通信，包含基本中速監(jiān)控、高級(jí)高速交換、板間數(shù)據(jù)更新、時(shí)鐘分配4類(lèi)接口；3區(qū)為自定義信號(hào)區(qū)[8]。

MTCA包含MCH載波交換板和AMC節(jié)點(diǎn)板兩種類(lèi)型板卡，MCH兼具中心控制板與交換板功能，背板資源如圖2所示。分為上下兩個(gè)區(qū)：下區(qū)至多可配置連接器4個(gè)，用于電源與時(shí)鐘分配、模塊互連、系統(tǒng)管理、聯(lián)合測(cè)試工作組(JTAG)測(cè)試等；上區(qū)為自定義信號(hào)擴(kuò)展區(qū)[9]。

2 基于TCA總線(xiàn)的背板總線(xiàn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有航天電子背板信號(hào)類(lèi)型見(jiàn)表1。除具可承

表1 航天電子系統(tǒng)背板總線(xiàn)信號(hào)類(lèi)型

受航天器振動(dòng)與噪聲沖擊的堅(jiān)固機(jī)械機(jī)構(gòu)、良好的配電與熱控能力、板間直接信息交互、支持冗余配置管理和良好的電氣可靠度等傳統(tǒng)特性外，背板總線(xiàn)構(gòu)架還應(yīng)有以下優(yōu)點(diǎn)。

a)具備良好的通用性與可繼承性，對(duì)背板資源分區(qū)規(guī)范化管理，保留自定義信號(hào)區(qū)，既滿(mǎn)足差異化設(shè)計(jì)需求，又提高背板通用性。

b)可適應(yīng)不同碼率應(yīng)用需求，將背板數(shù)據(jù)管理總線(xiàn)分為三級(jí)：關(guān)鍵的低速監(jiān)控總線(xiàn)、基本的中速監(jiān)控總線(xiàn)、高級(jí)的高速數(shù)據(jù)流總線(xiàn)。

c)具備冗余時(shí)鐘分配與觸發(fā)同步能力，用于系統(tǒng)時(shí)序節(jié)拍統(tǒng)一。

d)具備一定的可測(cè)試性，具備內(nèi)總線(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)視、板卡內(nèi)建測(cè)試能力。

根據(jù)表1，將背板按信號(hào)類(lèi)型分為6個(gè)功能區(qū)。參考TCA，分別對(duì)每個(gè)功能區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 分級(jí)數(shù)據(jù)管理總線(xiàn)區(qū)

背板總線(xiàn)中，數(shù)據(jù)管理總線(xiàn)占據(jù)背板最大資源，為適應(yīng)不同碼率應(yīng)用，此功能區(qū)分為三級(jí)：關(guān)鍵的低速監(jiān)控總線(xiàn)、基本的中速監(jiān)控總線(xiàn)和高級(jí)的高速數(shù)據(jù)流總線(xiàn)。設(shè)計(jì)涉及拓?fù)?、物理層接口和協(xié)議。

2.1.1 拓?fù)?/p>

航天電子系統(tǒng)背板要求具備冗余能力。在標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)中，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行交換構(gòu)架便于實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。不同的總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，冗余度與設(shè)計(jì)復(fù)雜度各異。常用的背板總線(xiàn)拓?fù)淙鐖D3所示，冗余可靠度從圖3(a)到圖3(e)依次增大，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也相應(yīng)上升。參考TCA設(shè)計(jì)，關(guān)鍵低速監(jiān)控總線(xiàn)拓?fù)淇蔀锳TCA采用的雙總線(xiàn)式或MTCA采用的雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本中速監(jiān)控總線(xiàn)拓?fù)錇锳TCA與MTCA均采用的雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高級(jí)高速數(shù)據(jù)流總線(xiàn)拓?fù)淇蔀锳TCA采用的全網(wǎng)型或MTCA采用的雙星型拓?fù)洌W(wǎng)型拓?fù)湎蛳录嫒蓦p星型、雙雙星型和多層中心節(jié)點(diǎn)型，冗余性好，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高[8]。

2.1.2 物理層接口

低速總線(xiàn)面向兆級(jí)碼率的健康安全管理應(yīng)用需求，可采用TTL，CMOS，RS422等電平形式。參考TCA構(gòu)架，采用TTL電平的I2C電氣協(xié)議總線(xiàn)接口。I2C具備強(qiáng)大管理能力，美國(guó)推進(jìn)噴氣實(shí)驗(yàn)室(JPL)的深空系統(tǒng)技術(shù)計(jì)劃(X2000)將I2C列為低功耗總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)[10]。

中高速總線(xiàn)常用接口主要有射極耦合邏輯(ECL)、低電壓差分信號(hào)(LVDS)、電流模式邏輯(CML)三類(lèi)。ECL最高碼率可達(dá)10 Gb/s，但功耗

較高，EMI較大；CML是PCI-E 3.0，RapidIO，SATA等總線(xiàn)的物理層接口，最高碼率可達(dá)10 Gb/s，接口類(lèi)似ECL，但更簡(jiǎn)單，是碼率4 Gb/s乃至10 Gb/s以上常用的接口，只支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連，功耗適中，但傳輸距離較短；LVDS是TCA，SpaceWire，SpaceAGE，PCI-E 2.0，DisplayPort等總線(xiàn)的物理層接口，最高碼率可達(dá)3.125 b/s，EMI最小，功耗最低，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多分支、多點(diǎn)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，在航天中應(yīng)用較廣泛。綜合比較，LVDS碼率適中，EMI最小，在航天中應(yīng)用較廣泛，CML的優(yōu)點(diǎn)是碼率較高[11]。因此，中速總線(xiàn)采用單通道LVDS接口，高速總線(xiàn)采用4通道的LVDS接口或CML接口，可獲得更大帶寬。

串行化反串行化、數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)(CDR)、8B/10B編碼和前向糾錯(cuò)編碼是串行背板接口的關(guān)鍵技術(shù)，高速背板對(duì)PCB布線(xiàn)、接口連接器的抖動(dòng)、串?dāng)_、偏斜等信號(hào)完整性提出了更高要求。建議可用同步高速接口代替異步串行接口，以耗費(fèi)接口通道資源為代價(jià)，降低接口設(shè)計(jì)難度。

2.1.3 協(xié)議

低速總線(xiàn)協(xié)議采用基于雙路冗余I2C接口的智能平臺(tái)管理總線(xiàn)(IPMB)，通過(guò)背板連接器連接至各單板，完成基本的關(guān)鍵特性管理控制。參考MTCA構(gòu)架，采用雙總線(xiàn)式的IPMB-0總線(xiàn)協(xié)議與雙星型的IPMB-L總線(xiàn)協(xié)議并存的混合模式，獲得更高的關(guān)鍵低速控制接口可靠度。IPMB采用Request/Response消息機(jī)制，IPMB消息傳輸?shù)刂奉?lèi)型有4種：硬件地址(通過(guò)1區(qū)中的引腳獲取)、IPMB總線(xiàn)地址、物理地址(單機(jī)中的板卡位置)、機(jī)架地址(多個(gè)單機(jī)互訪時(shí)，區(qū)分單機(jī)來(lái)源)[8]。

與TCA，SpaceAGE總線(xiàn)未明確規(guī)定高速總線(xiàn)協(xié)議，各子板背板協(xié)議可根據(jù)用戶(hù)需求靈活定制相同，設(shè)計(jì)的中速總線(xiàn)可采用IP，TTEthernet，SpaceWire等協(xié)議，高速總線(xiàn)可采用PCI-E，RapidIO，SATA等總線(xiàn)協(xié)議[8]。

本文對(duì)數(shù)據(jù)管理總線(xiàn)采用分級(jí)設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足不同碼率應(yīng)用需求，同時(shí)各檔總線(xiàn)使用冗余拓?fù)湓O(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性，各級(jí)總線(xiàn)的特性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

2.2 數(shù)據(jù)更新接口區(qū)

數(shù)據(jù)更新接口區(qū)用于建立鄰近板卡間的直接數(shù)據(jù)通道，參考TCA更新接口設(shè)計(jì)，采用LVDS接口建立鄰近板卡間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連，為相鄰板卡通信提供更簡(jiǎn)單可靠的直接通道。另外，通過(guò)菊花鏈多跳的方法可實(shí)現(xiàn)從一塊板卡與其余板卡間的通信，能以此作為數(shù)據(jù)管理總線(xiàn)故障后的一種備份通信方式。對(duì)需要進(jìn)行主備切換的應(yīng)用，中心控制器A、B機(jī)(如MTCA的MCH1，MCH2間)可通過(guò)更新通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時(shí)更新通道還提供了呼叫奪權(quán)策略的實(shí)現(xiàn)接口。

2.3 電源分配區(qū)

電源分配區(qū)用于完成電源板一次、二次母線(xiàn)供電分配，ATCA采用雙冗余一次母線(xiàn)供電，1區(qū)大功率接插件可提供200 W功率承受能力；MTCA采用12，5 V二次母線(xiàn)供電。根據(jù)實(shí)際使用需求，電源分配區(qū)應(yīng)提供豐富的42，28 V等一次電源與12，5 V等二次電源資源，滿(mǎn)足航天器實(shí)際電源使用需求。

TCA采用智能配電管理策略，中心控制器可自動(dòng)切斷節(jié)點(diǎn)板的負(fù)載供電，保證節(jié)點(diǎn)板負(fù)載安全。TCA支持熱插拔，定義供電長(zhǎng)短針結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足加斷電時(shí)序要求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可替換單元(FRU)功能[9]。在使用中可根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)行剪裁應(yīng)用。

2.4 時(shí)鐘分配與觸發(fā)區(qū)

此功能區(qū)用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘分配、板卡間時(shí)間統(tǒng)一和同步觸發(fā)等。

板卡間時(shí)鐘分配：各板卡可選用外參考時(shí)鐘作為本地時(shí)鐘的一種備份，同時(shí)一定程度保證各板卡時(shí)鐘共源，滿(mǎn)足時(shí)鐘共源類(lèi)型的應(yīng)用需求。同步時(shí)鐘接口提供一組時(shí)鐘總線(xiàn)，用于板間的時(shí)間同步，時(shí)鐘分配采用總線(xiàn)廣播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種方式。ATCA多采用基于雙M-LVDS總線(xiàn)廣播式，節(jié)省背板資源，但可靠度與信號(hào)質(zhì)量會(huì)受一定影響。仿真分析發(fā)現(xiàn)，總線(xiàn)廣播式時(shí)鐘源應(yīng)處于中間板卡位置，向兩側(cè)廣播，由此可較好地保證信號(hào)質(zhì)量；MTCA較多采用雙星型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式，占用較多背板資源，但因采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)，鏈路阻抗較匹配，信號(hào)質(zhì)量較好[9]。本文總線(xiàn)時(shí)鐘區(qū)以MTCA的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)鐘分配為主，保留部分雙M-LVDS總線(xiàn)廣播時(shí)鐘，組成混合時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)。

表2 分級(jí)數(shù)據(jù)管理總線(xiàn)特性

板卡間時(shí)間統(tǒng)一：在TCA背板3區(qū)中定義IRIG-B碼與對(duì)時(shí)秒脈沖，實(shí)現(xiàn)1 μs量級(jí)時(shí)統(tǒng)，滿(mǎn)足高精度時(shí)統(tǒng)需求。

板卡間同步觸發(fā)：基于TCA，測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域推出了儀器與測(cè)試高級(jí)TCA擴(kuò)展(AXIe)測(cè)量背板標(biāo)準(zhǔn)，與PCI改進(jìn)的PXI體系構(gòu)架相比，其帶寬更大，更能適應(yīng)大數(shù)據(jù)量測(cè)試測(cè)量的需求。AXIe較TCA引進(jìn)了觸發(fā)總線(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn)板卡間的快速同步觸發(fā)。因此，參考AXIe，在TCA背板3區(qū)增加觸發(fā)總線(xiàn)，用于板卡間時(shí)序節(jié)拍同步[12]。

2.5 自定義信號(hào)區(qū)與測(cè)試功能區(qū)

自定義信號(hào)區(qū)：為滿(mǎn)足差異化設(shè)計(jì)需求，提供了信號(hào)定制區(qū)，用于滿(mǎn)足不同航天器的專(zhuān)用需求，ATCA，MTCA的3區(qū)用于自定義信號(hào)擴(kuò)展，用戶(hù)可在此區(qū)定義離散的狀態(tài)信號(hào)，如權(quán)狀態(tài)、部分離散遙測(cè)與遙控等，滿(mǎn)足不同單機(jī)的特性需求。此外，可參考SpaceAGE總線(xiàn)，在各節(jié)點(diǎn)板與中心交換板間定義模擬量總線(xiàn)。中心交換板具備AD采集功能，可控制各節(jié)點(diǎn)板的多路復(fù)用開(kāi)關(guān)，完成對(duì)各子板模擬遙測(cè)量的采集[13]。

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)測(cè)試：參考TCA構(gòu)架的JTAG IEEE 1149.1測(cè)試接口，測(cè)試功能區(qū)采用JTAG-Switch交換構(gòu)架點(diǎn)對(duì)點(diǎn)完成JTAG測(cè)試。菊花鏈?zhǔn)絁TAG構(gòu)架雖然簡(jiǎn)單并節(jié)省資源，但JTAG-Switch交換構(gòu)架更可靠便利[9]。

內(nèi)總線(xiàn)數(shù)據(jù)流監(jiān)控：?jiǎn)螜C(jī)不需開(kāi)蓋即可完成內(nèi)總線(xiàn)數(shù)據(jù)流分析，這對(duì)航天器集成測(cè)試非常重要，基于交換構(gòu)架的背板總線(xiàn)設(shè)計(jì)為內(nèi)部數(shù)據(jù)流監(jiān)視提供了便利條件。參考SpaceWire總線(xiàn)測(cè)試設(shè)備，通過(guò)可接入TCA交換板的外圍測(cè)試設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部總線(xiàn)數(shù)據(jù)流的監(jiān)視[14]。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與展望

基于TCA設(shè)計(jì)的通用型背板總線(xiàn)分區(qū)如圖4所示，豎列為各子板槽位，包含中心控制交換板與節(jié)點(diǎn)板兩種類(lèi)型，橫行為6個(gè)分區(qū)，各分區(qū)特性見(jiàn)表3。自定義擴(kuò)展區(qū)用于定制化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足航天器的差異化設(shè)計(jì)需求，其余各區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化，提高了背板設(shè)計(jì)的通用性與可繼承性；分級(jí)總線(xiàn)與冗余拓?fù)湓O(shè)計(jì)保障板間管理控制與數(shù)據(jù)通信的可靠性，通過(guò)背板測(cè)試功能區(qū)設(shè)計(jì)，提高板卡內(nèi)建測(cè)試和內(nèi)總線(xiàn)數(shù)據(jù)流監(jiān)測(cè)能力。功能全面的ATCA背板帶寬可大于2 TB/s，精簡(jiǎn)的MTCA，AXIe背板帶寬可大于40 GB/s，本背板的信號(hào)完整性、背板帶寬等電氣特性遵循TCA規(guī)范，能滿(mǎn)足航天電子系統(tǒng)背板資源需求。

基于TCA的背板總線(xiàn)與1553B，CAN等常用總線(xiàn)比較見(jiàn)表4。

表3 背板總線(xiàn)各功能區(qū)特性

項(xiàng)目TCA1553B/CANFlexRaySpaceWireTTEthernet總線(xiàn)分級(jí) 低、中、高三級(jí)總線(xiàn)，適應(yīng)管理與數(shù)據(jù)通信的不同需求單一總線(xiàn)單一總線(xiàn)單一總線(xiàn)單一總線(xiàn)碼速率 分級(jí)：兆級(jí)、兆級(jí)至吉級(jí)、吉級(jí)至太級(jí)1Mb/s級(jí)10Mb/s級(jí)兆級(jí)至吉級(jí)兆級(jí)至吉級(jí)總線(xiàn)拓?fù)?雙總線(xiàn)式、雙星型、全網(wǎng)型等多種拓?fù)潆p總線(xiàn)式雙總線(xiàn)式雙星型雙星型電源分配有無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)時(shí)鐘分配有無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)自測(cè)試強(qiáng)一般一般一般一般模擬量總線(xiàn)模擬量采集總線(xiàn)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)自定義自定義板間離散信號(hào)、數(shù)據(jù)通信無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)功能定位 機(jī)內(nèi)板間互連、成套背板解決方案 單機(jī)間互連、板間互連的部分功能組件 單機(jī)間互連、板間互連的部分功能組件 單機(jī)間互連、板間互連的部分功能組件 單機(jī)間互連、板間互連的部分功能組件

傳統(tǒng)的1553B，CAN，SpaceWire以及熱點(diǎn)研究的TTEthernet，F(xiàn)lexRay等總線(xiàn)主要定位于單機(jī)間互連，總線(xiàn)單一、未分級(jí)，且不具備電源分配、時(shí)鐘分配與觸發(fā)資源，自測(cè)試能力也較弱，不適于作為機(jī)內(nèi)互連的背板總線(xiàn)，只能作為背板總線(xiàn)的某個(gè)功能區(qū)單元?；赥CA的背板總線(xiàn)采用分區(qū)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)通信、電源分配、時(shí)鐘分配、觸發(fā)、自測(cè)試、模擬量總線(xiàn)與自定義等不同需求，面向功能管理、數(shù)據(jù)交換等不同需求的任務(wù)，采用分級(jí)總線(xiàn)(低、中、高碼速率三級(jí)總線(xiàn))與多冗余拓?fù)湓O(shè)計(jì)，保障板件管理與數(shù)據(jù)通信的可靠性，提供了成套的機(jī)內(nèi)板卡背板互連解決方案，有助于改善目前綜電單機(jī)機(jī)內(nèi)互連自定義設(shè)計(jì)、通用性差、單機(jī)內(nèi)部背板信號(hào)監(jiān)測(cè)能力差(需開(kāi)蓋測(cè)量)的不足，建立一種開(kāi)放式、可擴(kuò)展、可測(cè)試、適應(yīng)不同碼率需求的通用型可靠背板內(nèi)總線(xiàn)構(gòu)架。TCA在電信領(lǐng)域獲得了大量應(yīng)用，移動(dòng)、電信、聯(lián)通等運(yùn)營(yíng)商希望以開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的TCA等平臺(tái)替代目前私有的平臺(tái)，達(dá)到降低成本、保護(hù)投資、加快業(yè)務(wù)部署的目的，華為、摩托羅拉、西門(mén)子、HP等供應(yīng)商在TCA基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了交換中心、計(jì)算中心、存儲(chǔ)中心、寬帶/窄帶軟件無(wú)線(xiàn)電信號(hào)處理、基帶信號(hào)處理等功能應(yīng)用，已廣泛用于電信市場(chǎng)。在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，安捷倫等公司也基于高級(jí)TCA擴(kuò)展(AXIe)測(cè)量背板標(biāo)準(zhǔn)，推出了M819x系列等大帶寬高碼率測(cè)試測(cè)量?jī)x器，滿(mǎn)足雷達(dá)、軟件無(wú)線(xiàn)電偵查等測(cè)試測(cè)量要求。PICMG 2.x制定的PCI簇標(biāo)準(zhǔn)已廣泛用于航天航空、國(guó)防、測(cè)試測(cè)量、電信等領(lǐng)域，在通信能力要求越來(lái)越高的今天，作為新一代PICMG 3.x制定的TCA簇標(biāo)準(zhǔn)將在航天航空、國(guó)防、測(cè)試測(cè)量、電信等領(lǐng)域占有重要地位?；赥CA探索設(shè)計(jì)通用開(kāi)放式航電串行背板總線(xiàn)對(duì)衛(wèi)星電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)自定義航天電子背板內(nèi)總線(xiàn)的繼承性較差、內(nèi)總線(xiàn)信號(hào)難以監(jiān)控測(cè)試等弊端，本文在繼承TCA構(gòu)架高帶寬和良好的電氣可靠性的基礎(chǔ)上，通過(guò)信號(hào)類(lèi)型的功能分區(qū)管理，采用串行背板技術(shù)和交換式結(jié)構(gòu)，對(duì)一種通用型背板內(nèi)總線(xiàn)構(gòu)架進(jìn)行了研究。與NASA的SpaceAGE總線(xiàn)相比，該通用型背板內(nèi)總線(xiàn)構(gòu)架具更多的通道節(jié)點(diǎn)、更大的帶寬和更豐富的時(shí)鐘及測(cè)試資源，可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足航電系統(tǒng)背板通信的需求，對(duì)降低航電產(chǎn)品的重復(fù)開(kāi)發(fā)成本、提高航電系統(tǒng)的產(chǎn)品化和通用化水平有重要意義。雖然TCA在電信和測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域已有眾多成功應(yīng)用參考，但為使該背板構(gòu)架更好地用于工程，后續(xù)還需對(duì)高速背板的信號(hào)完整性、高速串口技術(shù)、可靠的交換協(xié)議和智能的安全管理等進(jìn)行研究。傳統(tǒng)航電背板采用的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)與門(mén)控的異步時(shí)序接口已不能滿(mǎn)足該背板的通信需求，該背板應(yīng)用基于串行化反串行化、數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)(CDR)、8B/10B編碼和前向糾錯(cuò)編碼等技術(shù)的串行通信接口，對(duì)背板PCB的布線(xiàn)質(zhì)量、串行接口芯片的選用和串行接口邏輯的設(shè)計(jì)提出了更高要求。冗余拓?fù)錁?gòu)架的設(shè)計(jì)是新式背板設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與核心，常用拓?fù)浒p總線(xiàn)式、雙星型、3層中心節(jié)點(diǎn)型、全網(wǎng)型等拓?fù)洌虼丝蓞⒖糞paceWire，TCA等總線(xiàn)，設(shè)計(jì)傳輸可靠、通信速率高、支持多冗余動(dòng)態(tài)切換的交換構(gòu)架。該背板總線(xiàn)通過(guò)IPMB進(jìn)行整個(gè)背板狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制與故障管理。IPMB已在民用電信市場(chǎng)有較多應(yīng)用，功能較強(qiáng)大，但將其應(yīng)用于航電系統(tǒng)，還需要進(jìn)行相應(yīng)的裁剪與適配性設(shè)計(jì)。

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StudyonSerialBackplaneBusDesigninAdvancedAvionicsArchitecturesBasedonTCA

YANG Tong-zhi, ZHOU Ru-zhi

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

To solve the disadvantages of poor inheritance and difficulty in bus signal monitoring and testing because of custom designed backplane bus, the deign of serial backplane bus in electronic system of astronautics was studied based on telecom computing architecture (TCA) in this paper. The type, zoning and usage of advanced TCA and micro TCA in TCA were introduced. The design of backplane bus based on TCA bus was discussed. The backplane was divided into 6 functional zones which were grading data management bus, data renewing joint, power distribution, clock distribution and triggering, custom signal and testing. The functional zones were designed by exchange structure and serial backplane through the subarea management of backplane resources, test interface design and redundancy design on the basis of exchange strategy. A designed sample of backplane bus architecture for common use was given out, which was an open, extensible, testable and suitable to various code rate and had advantages of high reliability and big bandwidth. It proved that TCA would be served as a possible scheme of backplane bus design in the electronic system of astronautics.

avionics; telecom computing architecture (TCA); advanced TCA; micro TCA; serial backplane; switch fabric; bus topology; testability

2016-01-09；

2016-03-30

楊同智(1987—)，男，碩士，主要從事衛(wèi)星綜合集成測(cè)試。

1006-1630(2017)06-0083-07

TN492

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.06.013