，良慶

(1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 101499; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

即插即用是指當(dāng)一個(gè)即插即用設(shè)備接入系統(tǒng)時(shí)，不需要外部配置過程，可以在運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)地由系統(tǒng)進(jìn)行檢測和配置的能力[1]。

地面即插即用的應(yīng)用主要集中在設(shè)備級，而設(shè)備接入后的系統(tǒng)應(yīng)用取決于上層應(yīng)用和人的操作。當(dāng)即插即用技術(shù)用于航天工程領(lǐng)域時(shí)，其內(nèi)涵發(fā)生了變化，從單純的設(shè)備級的識(shí)別擴(kuò)展到功能和服務(wù)的層次。這種變化主要是由于在地面使用即插即用設(shè)備時(shí)，只要設(shè)備能夠被系統(tǒng)識(shí)別和連接，后續(xù)的應(yīng)用就可以交由使用者來決定。但是航天器上層應(yīng)用的智能化程度較低，在設(shè)備連入系統(tǒng)后，其使用者只能是更高層次的應(yīng)用，以及這些應(yīng)用背后的地面用戶。因此還需要解決應(yīng)用功能和服務(wù)的即插即用問題，才能夠發(fā)揮其作用。

目前航天器系統(tǒng)主要使用接口控制文件(interface control document,ICD)的形式進(jìn)行接口描述和協(xié)調(diào)，而電子數(shù)據(jù)單(Electronical Data Sheet，EDS)技術(shù)的目的是取代這種方式，供系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別EDS描述的部件信息，并根據(jù)其完成對接入部件的自動(dòng)配置過程，從而實(shí)現(xiàn)即插即用。因此EDS的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)即插即用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

即插即用技術(shù)主要的應(yīng)用場景可以是地面系統(tǒng)集成測試過程，在軌飛行任務(wù)過程中的各組成部分的分離和對接應(yīng)用，以及空間星座、編隊(duì)、組網(wǎng)等應(yīng)用場景下的不同組成節(jié)點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)接入和撤出過程。

1 即插即用技術(shù)和EDS

EDS是一種機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)表單，可以描述一個(gè)設(shè)備、軟件組件或協(xié)議的一些細(xì)節(jié)[2]。EDS的典型代表有IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議族的變換器EDS(Transducer EDS，TEDS)，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)的航天器接口業(yè)務(wù)(Spacecraft Onboard Interface Service，SOIS)的SEDS(SOIS EDS)和美國空軍實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Laboratory, AFRL)的空間即插即用架構(gòu)(Space Plug-and-Play Architecture，SPA)的xTEDS(eXtensible TEDS)。

IEEE1451.2-1997標(biāo)準(zhǔn)[3-4]規(guī)定了關(guān)于變換器與微處理器通信協(xié)議和TEDS，介紹了智能變換器接口模塊(Smart Transducer Interface Module，STIM)的概念。變換器可以是傳感器、執(zhí)行器等，STIM是一種用于連接變換器到微處理器的數(shù)字接口，使制造商生產(chǎn)的變換器可以連接到多種網(wǎng)絡(luò)中，并具有“即插即用”特性。STIM可以連接一個(gè)單獨(dú)的傳感器或執(zhí)行器，也可以同時(shí)連接擁有眾多通道的多個(gè)變換器,描述變換器信息的TEDS保存在STIM中。

CCSDS的SOIS架構(gòu)旨在規(guī)范航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，按照分層協(xié)議的思想定義了一系列的分層業(yè)務(wù)，并采納了即插即用的設(shè)計(jì)思想，定義了SEDS，用于描述設(shè)備的元數(shù)據(jù)，設(shè)備特定功能和獲取接口、設(shè)備特定獲取協(xié)議DSAP，以及設(shè)備抽象控制程序DACP[2]。

AFRL在2004年發(fā)起了一套新的航天器標(biāo)準(zhǔn)的合作開發(fā)，把計(jì)算機(jī)工業(yè)中所擁有的即插即用技術(shù)應(yīng)用于航天工程。AFRL在2007年公布了空間即插即用電子設(shè)備(space plug and play avionics, SPA)標(biāo)準(zhǔn)[5]。SPA網(wǎng)絡(luò)一般由星載計(jì)算機(jī)、 嵌入式傳感器接口模塊(Appliqué Sensor Interface Modules , ASIMs)和路由器等組成[6]，如圖1所示。

圖1 SPA網(wǎng)絡(luò)模型

USB標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域廣泛采用。一個(gè)完整的USB設(shè)備是集成了USB接口芯片和其它離散組件的一塊印制線路板。借鑒USB標(biāo)準(zhǔn)，AFRL對SPA ASIM設(shè)備的定義是：帶有SPA接口的，集成了陀螺儀、推進(jìn)器或反作用飛輪等航天器部件的一塊印制線路板[7]。

xTEDS是SPA參考IEEE 1451的TEDS概念而提出的。在一個(gè)SPA系統(tǒng)中所使用的每一個(gè)硬件設(shè)備或軟件應(yīng)用都必須攜帶一個(gè)自我描述的xTEDS，這個(gè)xTEDS能夠完整地把組件(設(shè)備或應(yīng)用程序)解釋給系統(tǒng)[8]。ASIM將描述設(shè)備的xTEDS存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，當(dāng)即插即用設(shè)備插入到SPA網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，ASIM將xTEDS上傳給系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

2 龍芯1F芯片通用接口設(shè)計(jì)

龍芯1F(LS1F)[9]是龍芯1E處理器的配套IO橋芯片，其上集成了航天領(lǐng)域常用的測控接口和外圍接口以替代FPGA的使用，滿足了航天領(lǐng)域?qū)诵男酒灾骰男枨?，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示 。

圖2 增加SPA接口的LS1F體系結(jié)構(gòu)

LS1F分為PCI總線設(shè)備模式、ISA總線設(shè)備模式、自主模式、1553B總線簡易終端設(shè)備模式，分別表示連入系統(tǒng)主機(jī)的接口方式。可以橋接的設(shè)備端接口包括：CAN接口、AD接口、OC接口、PCM測控接口、脈沖計(jì)數(shù)器PPC、PWM接口、UART、GPIO等。

MIL-STD-1553B是數(shù)字式時(shí)分命令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線美國軍方標(biāo)準(zhǔn)。1553B總線包括總線控制器(Bus Controller, BC),總線監(jiān)視器(Bus Monitor，BM),遠(yuǎn)程終端(Remote Terminal, RT)3種類型的通信終端。1553B總線簡易終端模式下，1553B總線控制器通過總線通信方式可以對LS1F內(nèi)部的寄存器進(jìn)行直接配置。

參考文獻(xiàn)[9]的研究工作主要是1553B簡易終端和測控接口的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。RT通過接收子地址9接收BC傳來的一個(gè)數(shù)據(jù)字，依之選擇并讀取一個(gè)接口的寄存器值，然后再通過RT發(fā)送子地址9發(fā)送給BC。例如當(dāng)數(shù)據(jù)字為0時(shí)，表示讀取AD的寄存器。數(shù)據(jù)字取值與各個(gè)接口的對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 接收子地址9數(shù)據(jù)字與各個(gè)接口的對應(yīng)關(guān)系

RT通過不同接收子地址接收BC傳來的數(shù)據(jù)字，對各個(gè)接口控制邏輯進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置。例如通過接收子地址10對AD采集控制邏輯的初始化參數(shù)設(shè)置，如表2所示，包括預(yù)分頻系數(shù)(fdiv_para)、本次采集所用的通道數(shù)(channel_amount)、輸出信號(hào)的周期(period)等共計(jì)11個(gè)寄存器。

表2 AD采集接口初始化參數(shù)列表

采用同樣的方法，可實(shí)現(xiàn)對OC、PWM、PPC、PCM控制邏輯等接口的配置。

3 SPA接口與應(yīng)用EDS的設(shè)計(jì)

3.1 增加SPA即插即用接口的設(shè)計(jì)思路

上節(jié)介紹的LS1F芯片通用接口在應(yīng)用時(shí)，可以由BC直接通過RT對接入設(shè)備進(jìn)行訪問和控制，從而簡化和實(shí)現(xiàn)了RT的標(biāo)準(zhǔn)化接口功能的設(shè)計(jì)。但是這種設(shè)計(jì)需要BC對RT的設(shè)置，以及通過RT接入的設(shè)備使用的接口配置事先已知，從即插即用角度看，屬于需要BC“全知全能”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，仍然需要BC與RT以及接入設(shè)備之間事先的接口協(xié)調(diào)過程。

為了增強(qiáng)即插即用的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)配置的特征，借鑒SPA的ASIM將描述設(shè)備的xTEDS存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器的思路，對LS1F芯片通用接口增加了SPA接口設(shè)計(jì)(見圖2)。在LS1F片外增加EEPROM，用于存儲(chǔ)xTEDS，SPA接口負(fù)責(zé)讀取，其內(nèi)部功能框圖參見圖3。SPA接口需要解決2個(gè)問題，一是xTEDS的應(yīng)用設(shè)計(jì)，二是xTEDS的實(shí)例化設(shè)計(jì)。

圖3 SPA接口功能框圖

xTEDS的應(yīng)用設(shè)計(jì)方面，各個(gè)接口的配置信息形成的xTEDS事先存儲(chǔ)在EEPROM中，內(nèi)容包括1553B簡易終端配置EDS和應(yīng)用接口EDS。在上電初始化時(shí)，SPA接口模塊將xTEDS讀出，并依之完成對LS1F各個(gè)接口以及1553B簡易終端接口的配置。再通過各個(gè)配置寄存器讀取配置的結(jié)果，將其組織成1553B EDS和應(yīng)用EDS。然后按照1553B總線即插即用通信協(xié)議的握手關(guān)系，先將1553B EDS發(fā)送給BC，由BC負(fù)責(zé)自動(dòng)完成對RT 1553B總線通信的配置，并建立正常的通信關(guān)系。如果需要，RT再將應(yīng)用EDS傳給BC，從而實(shí)現(xiàn)BC對RT及其接入設(shè)備的功能級的接口自動(dòng)識(shí)別和應(yīng)用。

按照這一應(yīng)用設(shè)計(jì)，SPA接口完成的工作包括如下過程：

1)從EEPROM中讀取xTEDS數(shù)據(jù)；

2)根據(jù)xTEDS數(shù)據(jù)配置各測控接口；

3)讀取測控接口各寄存器配置完成后的值；

4)生成應(yīng)用EDS和1553B通信層EDS；

5)按照1553B總線即插即用協(xié)議將EDS發(fā)送給BC，由BC完成系統(tǒng)級配置過程。

xTEDS的實(shí)例化設(shè)計(jì)方面，每一個(gè)接口都有若干寄存器需要配置，將這些寄存器劃分為名稱、地址、數(shù)據(jù)類型和數(shù)值4種屬性，使用可擴(kuò)展標(biāo)示語言(eXtensive Markup Language，XML)進(jìn)行描述。

3.2 1553B遠(yuǎn)程終端xTEDS文檔結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中的“標(biāo)準(zhǔn)xTEDS文檔結(jié)構(gòu)圖”，結(jié)合參考文獻(xiàn)[9]，提出“1553B遠(yuǎn)程終端xTEDS文檔結(jié)構(gòu)圖”，如圖4所示。

圖4 1553B遠(yuǎn)程終端xTEDS文檔結(jié)構(gòu)圖

其中Interface元素描述了1553B遠(yuǎn)程終端需要什么數(shù)據(jù)以及可以提供什么數(shù)據(jù)。Interface元素包括三個(gè)子元素：Notification元素、Command元素、Request元素。Notification元素描述了RT要通知BC的關(guān)于子地址定義的數(shù)據(jù)(見第4節(jié))，Command元素描述了BC要發(fā)送給RT的對測控接口的命令數(shù)據(jù)。這三個(gè)子元素又通過各自的子元素來描述。Command元素包括了CommandMetaMsg和若干CommandMsg子元素。CommandMetaMsg描述了各個(gè)接口的xTEDS組成關(guān)系，每一個(gè)CommandMsg對應(yīng)一個(gè)接口的xTEDS。

CommandMsg元素由若干Variable元素組成。每一個(gè)Variable元素包含name、address、dataType、Value四種屬性，分別代表某一接口的寄存器名、寄存器地址、寄存器數(shù)據(jù)類型和寄存器值。

3.3 測控接口xTEDS模板

按照圖4的結(jié)構(gòu)，根據(jù)各個(gè)測控接口的初始化配置，可以定義元描述xTEDS，并編輯形成各個(gè)接口的xTEDS。然后在此基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)換成“應(yīng)用EDS”的格式。

3.3.1 元描述測控接口xTEDS

CommandMetaMsg中CommandMsg name是各個(gè)測控接口的名稱， 供人工可讀，CommandMsg id用來標(biāo)識(shí)各個(gè)接口，供機(jī)器可讀。CommandMsgVarAmount用來表示各個(gè)接口所含有的Variable元素的數(shù)量。元描述測控接口包括AD采集接口、OC門脈沖輸出接口、PCM測控接口、PPC輸入接口、PWM輸出接口等，其xTEDS模板的實(shí)例設(shè)計(jì)如下：

< CommandMsg name=" OC control " id="2 " VarAmount="5 "/>

< CommandMsg name=" PCM interface " id="3 " VarAmount="4 "/>

< CommandMsg name=" PPC " id="4 " VarAmount="3 "/>

< CommandMsg name=" PWM control " id="5 " VarAmount="5 "/>

3.3.2 AD采集接口 xTEDS模板

CommandMsg中，name是AD接口的寄存器名稱，與表2中的內(nèi)容相對應(yīng)。address是相應(yīng)的寄存器的地址；dataType是寄存器數(shù)據(jù)類型；Value是寄存器的值。此處Value都用“？”表示，可根據(jù)具體的初始化配置信息填入，生成對應(yīng)的xTEDS實(shí)例，因此可稱為xTEDS模板。AD接口的xTEDS模板的實(shí)例設(shè)計(jì)如下：

其他應(yīng)用接口的xTEDS模板的實(shí)例設(shè)計(jì)與此類似。

3.4 應(yīng)用EDS包

在所有應(yīng)用接口的xTEDS實(shí)例編輯完成后，可通過轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換為應(yīng)用EDS。轉(zhuǎn)換工具負(fù)責(zé)解析XML編輯的xTEDS文檔內(nèi)容，將提取的信息組織成應(yīng)用EDS，使之可以燒錄入EEPROM。

應(yīng)用EDS的組織采用CCSDS空間包格式[11]，由包主導(dǎo)頭和包數(shù)據(jù)域兩部分組成，如圖5所示。其中包數(shù)據(jù)域中的源數(shù)據(jù)包括接口描述和接口內(nèi)容兩部分。接口描述內(nèi)容對應(yīng)CommandMetaMsg的EDS實(shí)例。接口內(nèi)容占用可變長度，對應(yīng)某個(gè)測控接口的EDS內(nèi)容。

圖5 應(yīng)用EDS包

圖6中接口描述包含CommandMetaMsg的元標(biāo)識(shí)、CommandMsg Id、VarAmount三部分。

1)元標(biāo)識(shí)：16bit，取值0xEFEF。

2)CommandMsg Id：8bit，用來標(biāo)識(shí)各個(gè)接口。例如AD、OC、PCM、PPC、PWM 等接口。

3)VarAmount：8bit，用來表示各個(gè)接口所含有的Variable元素的數(shù)量。本文中AD接口的Variable元素?cái)?shù)量最多，共有11個(gè)元素。

接口內(nèi)容包含標(biāo)識(shí)、應(yīng)用EDS兩部分。標(biāo)識(shí)表示接口實(shí)例，固定為0xABAB，占用16bit。應(yīng)用EDS描述測控接口的初始化配置信息，占用的字節(jié)數(shù)為12Byte×VarAmount。

圖6 源數(shù)據(jù)

如圖7所示，應(yīng)用EDS分為name、address、dataType、value四部分。

1)name：16bit，某個(gè)測控接口的寄存器名。前8bit是測控接口CommandMsg Id，后8bit表示具體的寄存器名稱。通過這種方式，每個(gè)name所代表的寄存器具有唯一性、確定性。

2)address：32bit，寄存器的地址。這是因?yàn)辇埿?F中測控接口的寄存器地址都是32位的。

3)dataType：16bit，寄存器數(shù)據(jù)類型，例如INT、UNIT、Float等以及自定義類型的編碼。

4)value：32bit，寄存器的值。這是因?yàn)辇埿?F中測控接口需要進(jìn)行初始化的寄存器都是32bit的。

圖7 應(yīng)用EDS內(nèi)容格式

4 1553B通信EDS的設(shè)計(jì)

1553B總線通信的EDS目的是描述RT方所需的傳輸消息，子地址定義，以及矢量字服務(wù)請求關(guān)系。因此EDS的內(nèi)容主要包括矢量字定義和子地址定義2部分，如圖8所示。

圖8 1553B通信EDS格式

1)矢量字標(biāo)識(shí)：16bit，固定為0xEDED；

2)矢量字mask：16bit，按照高位到低位順序排列，其中位Dx=1表示使用該位的服務(wù)請求，Dx=0表示該位不使用。

3)矢量字定義數(shù)據(jù)域：16byte，表示子地址與服務(wù)請求位的對應(yīng)關(guān)系。對應(yīng)矢量字16bit定義(D0～D14。D15固定為EDS，不可變)，按照從高位到低位的順序，以字節(jié)為單位排列。如果矢量字Dx=1，則第x個(gè)字節(jié)有效，其低6bit有效，為T/R+子地址號(hào)，高2bit為0。如果矢量字Dx=0，則第x個(gè)字節(jié)無效(但保留位置，設(shè)置為全1)。

4)子地址域標(biāo)識(shí)：16bit，固定為0x1212；

5)T子地址mask和R子地址mask：各32bit，按照高位到低位順序排列(31～0)，其中位Dx=1/0表示使用/不使用該位對應(yīng)的子地址。

6)T子地址定義和R子地址定義各包括32個(gè)子地址的定義，每個(gè)子地址定義2個(gè)16bit，按照先T子地址后R子地址、子地址號(hào)從31～0的順序排列。如果該子地址不使用，則設(shè)置為全0。

子地址定義中的第1個(gè)字定義如圖9所示。

圖9 子地址定義中的第1個(gè)字

1)消息類型：5bit，消息類型編碼。如果該子地址不使用，則此6bit全0。

2)U/D：1bit，指該消息缺省是上線(1)還是不上線(0)。一般情況下缺省為0，如果缺省是1，則消息安排好后，將無條件周期運(yùn)行，除非后來主動(dòng)下線。

3)連續(xù)傳輸?shù)南?shù)：4bit，指該子地址消息由幾條連續(xù)消息組成。單消息為1，全0表示16條。

4)數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù):5bit，全0表示32個(gè)字。

子地址定義的第2個(gè)字表示該消息期望的傳輸時(shí)間最小間隔，單位ms。

Notification元素包含若干DataMsg元素(見圖3)，每個(gè)DataMsg元素對應(yīng)一個(gè)子地址定義xTEDS實(shí)例，示例如下：

dataWord是數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù)，由于每個(gè)寄存器取值均為32bit，因此其值是由CommandMetaMsg中VarAmount乘以2得到，例如AD的VarAmount是11，表示AD有11個(gè)Variable元素，對應(yīng)11個(gè)寄存器，則AD的dataWord就是22。

5 小結(jié)

本文研究了IEEE的1451.2 TEDS，CCSDS的SOIS EDS，AFRL的SPA xTEDS，基于已有的LS1F通用接口芯片的設(shè)計(jì)，增加了SPA接口模塊，以增強(qiáng)該接口芯片即插即用的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)配置特征，并引入如下應(yīng)用設(shè)計(jì)：

1)LS1F通用接口芯片的具體配置情況可以由連入的設(shè)備自行定義，形成自描述xTEDS，并保存在EEPROM中，而不需要事先與系統(tǒng)主機(jī)之間進(jìn)行接口協(xié)調(diào)。

2)生成的xTEDS可以分為1553B通信EDS、應(yīng)用EDS，以及根據(jù)需要?jiǎng)澐值母鄬哟蔚腅DS設(shè)計(jì)，從而支持與連入系統(tǒng)之間的不同層次業(yè)務(wù)之間的端到端即插即用服務(wù)。

3)LS1F通用接口芯片的1553B總線接口需要遵守與系統(tǒng)主機(jī)BC之間交換EDS的握手協(xié)議，但是可以維持其原有的正常通信協(xié)議，由BC方自動(dòng)識(shí)別并配置協(xié)議，從而也增強(qiáng)了系統(tǒng)即插即用的能力。這一點(diǎn)可以供LS1F其它與系統(tǒng)主機(jī)連接接口的即插即用設(shè)計(jì)借鑒。

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