蘇斌嬪,吳志華,尹增山,王 寧

(1.中國科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203; 2.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203;3.山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264003)

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展及復(fù)雜實時任務(wù)的需求牽引，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計向著更精細、更智能方向突破。智能處理通用平臺，是應(yīng)用于大規(guī)模星座系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點在軌高速載荷數(shù)據(jù)實時處理、多源信息跨時空融合、圖像信息智能深度分析、在軌自主任務(wù)規(guī)劃、海量數(shù)據(jù)存儲功能的綜合電子平臺。

智能處理通用平臺連接的載荷設(shè)備種類各異，信息量越來越多，有必要采用統(tǒng)一標準高速接口，使得新載荷設(shè)備能夠快速集成到新型號任務(wù)中；此外，智能處理通用平臺中各單機、模塊間隨著應(yīng)用場景的變化也存在多種組合的數(shù)據(jù)交互，如果采用傳統(tǒng)的CPU三總線的控制方式，勢必增加設(shè)備各電路板間的依賴性，不利于功能擴展，因此內(nèi)部電路板間也采用串行總線互聯(lián)的方式。

為解決上述問題，本文提出應(yīng)用SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的智能處理通用平臺設(shè)計，實現(xiàn)外部接口設(shè)備、內(nèi)部各電路板間的互聯(lián)互通。SpaceWire總線網(wǎng)絡(luò)是歐空局ESA提出、多個空間科學(xué)機構(gòu)共同制定并不斷迭代的新型通信標準，已成功應(yīng)用于ESA、NASA多項國際航天任務(wù)中[1-3]。國內(nèi)在氣象衛(wèi)星、科學(xué)衛(wèi)星中也成功部署應(yīng)用[4-21]。該總線具有高速(最高傳輸速率為400 Mbps)、可靠、低功耗、接口簡單、路由式通信的特點，對實現(xiàn)星載智能處理通用平臺高速數(shù)據(jù)交互、易擴展、可重構(gòu)、標準接口具有重要基礎(chǔ)支撐作用。

1 智能處理通用平臺系統(tǒng)設(shè)計

智能處理通用平臺是衛(wèi)星載荷管理、數(shù)據(jù)處理、存儲分發(fā)、信息交互的核心，旨在實現(xiàn)衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)實時處理、多源信息融合、信息智能深度分析、在軌自主任務(wù)規(guī)劃和大容量存儲下發(fā)功能，劃分為供電與遙測模塊、高速接口模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)融合智能處理模塊、核心管理模塊、路由模塊(隱含模塊)、大容量存儲模塊共七部分，其內(nèi)部信息流圖如圖1所示。高速接口模塊負責接收載荷原始高速數(shù)據(jù)，載荷數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后進行多源融合、目標檢測、識別，核心管理模塊實現(xiàn)資源管理、任務(wù)調(diào)度和故障容錯等，載荷原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理過程中高價值信息以及衛(wèi)星平臺信息均存入大容量存儲模塊，等待下發(fā)。路由模塊旨在實現(xiàn)智能處理平臺與外部以及內(nèi)部各模塊間的數(shù)據(jù)交互。

圖1 智能處理通用平臺內(nèi)部信息流圖

1.1 總線選擇

智能處理通用平臺、載荷以及平臺各模塊間存在大量數(shù)據(jù)交互，傳輸?shù)拇蠖嗍菍捰休^高要求、對時間不太敏感的載荷數(shù)據(jù)或切片數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的高速載荷數(shù)據(jù)傳輸通常采用LVDS點對點傳輸，不能形成高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)各類數(shù)據(jù)交互組合的應(yīng)用場景。時間觸發(fā)以太網(wǎng)(TTE)是一種時間確定性網(wǎng)絡(luò)，美國宇航局獵戶座飛船(新一代航天飛機)使用時間觸發(fā)以太網(wǎng)(TTE)作為主干網(wǎng)，其高速、可靠特性在軌道交通、機器人等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。SpaceWire是一種高速低耗的網(wǎng)絡(luò)連接方式，以IEEE 1355-1955協(xié)議和LVDS標準為基礎(chǔ)，由ESA聯(lián)合鄧迪大學(xué)共同研發(fā)。此外，在SpaceWire空間網(wǎng)絡(luò)標準基礎(chǔ)上升級研發(fā)的SpaceFibre總線，能夠?qū)崿F(xiàn)超高速串行鏈路與組網(wǎng)互聯(lián)。下面對幾類應(yīng)用于航天的高速總線特性進行比較說明。

綜上，從航天應(yīng)用需求滿足、系統(tǒng)未來可擴展以及現(xiàn)有技術(shù)可達的角度，選用SpaceWire總線作為智能處理通用平臺高速數(shù)據(jù)傳輸途徑。

1.2 總線網(wǎng)絡(luò)拓撲

智能處理通用平臺總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖2所示。載荷設(shè)備、智能處理平臺模塊、數(shù)傳發(fā)射機均連入SpaceWire網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、處理、下發(fā)全流程。每類模塊根據(jù)應(yīng)用需求配置1-N塊，SpaceWire網(wǎng)絡(luò)通過路由器進行級聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)各模塊、單機間互聯(lián)互通。

圖2 SpaceWire網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

在實際應(yīng)用中，光學(xué)載荷數(shù)據(jù)量極大(Gbps帶寬)，此類載荷通常不直接接入SpaceWire網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理后生成百兆級有效數(shù)據(jù)后，接入網(wǎng)絡(luò)進行深度處理、融合分析以及存儲。

本文中擬采用統(tǒng)一的硬件接口和標準通信協(xié)議，屏蔽網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接細節(jié)，使得用戶可實現(xiàn)SpaceWire接口即插即用，任意兩者之間實現(xiàn)動態(tài)鏈接，建立一對一、一對多、多對一的傳輸通道。

1.3 尋址方式

SpaceWire總線數(shù)據(jù)包層協(xié)議繼承了IEEE1355-1995定義的數(shù)據(jù)包裝協(xié)議，規(guī)定了總線源端到宿端的數(shù)據(jù)包裝格式。數(shù)據(jù)包格式定義如表2所示。

表1 高速數(shù)據(jù)總線傳輸特性

表2 SpaceWire總線數(shù)據(jù)包格式

其中，目標地址根據(jù)SpaceWire網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及傳輸路徑情況來確定；包結(jié)束標志EOP/EEP，表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包正確或錯誤。EOP/EEP末尾就默認傳輸新的數(shù)據(jù)包。

SpaceWire網(wǎng)絡(luò)有2種尋址方式：

1)路徑尋址。通過物理端口指定數(shù)據(jù)傳輸目的地，各級路由節(jié)點具有包頭刪除功能，將通過的數(shù)據(jù)包首字節(jié)刪除，把第2個字節(jié)作為數(shù)據(jù)包的新包頭首字節(jié)地址送出。

2)邏輯尋址。將SpaceWire路由器的物理端口通過路由表映射到某一個邏輯地址上，通過查找路由表確定邏輯地址對應(yīng)的輸出端口，目標地址只需要由一個數(shù)據(jù)字符長度的邏輯地址來表示。利用邏輯尋址方式不需要關(guān)注具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此可屏蔽網(wǎng)絡(luò)連接細節(jié)。

本文設(shè)計中，應(yīng)用數(shù)據(jù)交互采用邏輯尋址方式，基于路由表查找目的地。各個載荷設(shè)備、模塊將各自的應(yīng)用數(shù)據(jù)按照表2組包，數(shù)據(jù)包通過各級路由時，在路由器控制下逐級傳輸至指定邏輯地址對應(yīng)的某路由某端口直連的目的單機或模塊。

1.4 協(xié)議定義

智能處理通用平臺中應(yīng)用SpaceWire總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括兩類，應(yīng)用數(shù)據(jù)和路由配置數(shù)據(jù)。

傳輸?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)，包括載荷設(shè)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、載荷觀測數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)、切片數(shù)據(jù)、融合處理數(shù)據(jù)、任務(wù)請求以及載荷設(shè)備控制信息等。數(shù)據(jù)域格式采用CCSDS標準數(shù)據(jù)包格式，設(shè)計為定長格式，如表3所示。包主導(dǎo)頭定義中應(yīng)用過程標識符(APID)區(qū)分各類應(yīng)用數(shù)據(jù)。

表3 數(shù)據(jù)域格式定義

配置數(shù)據(jù)包括各個節(jié)點的端口狀態(tài)、通信速率、路由表等，配置成功即可為各載荷設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。對路由器的管理采用遠程存儲器訪問協(xié)議(RMAP)進行配置，并讀出內(nèi)容以確認配置正確。依據(jù)ECSS-E-ST-50-12C標準，RMAP寫入操作和讀出操作命令如表4和表5所示。

表4 RMAP寫操作命令包

表5 RMAP讀操作命令包

1.5 系統(tǒng)重構(gòu)及冗余設(shè)計

為提高系統(tǒng)可靠性，載荷設(shè)備電子學(xué)、數(shù)傳發(fā)射機以及智能處理通用平臺中預(yù)處理模塊、智能處理模塊、核心管理模塊、路由模塊和大容量存儲模塊等均采用冷備份設(shè)計，當部分模塊故障時可以通過切機操作對系統(tǒng)重構(gòu)，保障系統(tǒng)能力的遷移，提高容錯能力。系統(tǒng)重構(gòu)，會對應(yīng)用數(shù)據(jù)在SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的傳輸路徑重新組織，抵達到新的物理端口。

應(yīng)用SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的智能處理通用平臺，適用于不同衛(wèi)星應(yīng)用場景，在不改變智能處理通用平臺硬件設(shè)計的情況下，可以通過配置路由表和更新軟件，即能將載荷設(shè)備快速接入新的型號中。

2 實例設(shè)計

某衛(wèi)星中配置2個載荷設(shè)備(電子學(xué)冷備份)，智能處理通用平臺中配置2塊預(yù)處理板(含主備)、1塊智能處理板(含主備)、1塊核心管理板(含主備)、1塊存儲控制板(含主備，后端連接多塊Flash存儲器)、X波段發(fā)射機(含主備)，以此為例，介紹SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計。

2.1 硬件設(shè)計

SpaceWire網(wǎng)絡(luò)核心是協(xié)議芯片，協(xié)議芯片代表有兩款，AT7911E和AT7910E。AT7911E提供3組高速SpaceWire鏈接；AT7910E是一款SpaceWire路由器芯片，它包含8路SpaceWire接口、2路外部并行端口和1個內(nèi)部配置端口。它支持存儲器DMA功能和蟲洞路由功能，可以用作獨立路由器，也可以作為外部設(shè)備接入SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的連接節(jié)點。本文構(gòu)建基于AT7910E芯片的SpaceWire網(wǎng)絡(luò)，具體實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 智能處理通用平臺SpaceWire網(wǎng)絡(luò)連接圖

使用3片AT7910E芯片，各路由芯片通過鏈路1和8端口串聯(lián)在一起，形成一個環(huán)形，對外共提供18路標準SpaceWire端口。本設(shè)計中，載荷設(shè)備電子學(xué)、X數(shù)傳發(fā)射機、智能處理各模塊均采用冷備份設(shè)計，外部使用15路端口(含測試節(jié)點)；各路由芯片兩路雙向并行端口9、10端口連接FPGA，F(xiàn)PGA實現(xiàn)對各路由芯片控制、配置以及數(shù)據(jù)復(fù)接、大容量存儲讀寫、壞塊管理等功能；選用FPGA芯片為XILINX公司的Virtex-2系列，型號為XQ2V3000；3片路由芯片均與FPGA有直連通道，保障了存入大容量存儲的數(shù)據(jù)可以及時存入，無需多跳流轉(zhuǎn)。常態(tài)工作時僅有3個串聯(lián)路由芯片以及8臺載荷/設(shè)備/單板工作。

2.1.1 防靜電接口電路設(shè)計

實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，AT7910E的SpaceWire LVDS接口對電壓較為敏感，靜電、熱插拔等可能造成LVDS接口的損壞，導(dǎo)致部分SpaceWire通道無法使用。為解決該問題，使用LVDS接口芯片進行轉(zhuǎn)換保護，將AT7910E輸出的SpaceWire LVDS信號，經(jīng)SNJ55LVDS32W轉(zhuǎn)為單端，該單端信號再由SNJ55LVDS31W重新轉(zhuǎn)為差分信號輸出；同理，外部輸入的SpaceWire LVDS信號，先經(jīng)SNJ55LVDS32W轉(zhuǎn)為單端，該單端信號再經(jīng)由SNJ55LVDS31W重新轉(zhuǎn)為差分信號輸送給AT7910E的LVDS輸入端。電路設(shè)計如圖4所示。

2.1.2 路由芯片與FPGA連接引腳

FPGA對AT7910E實現(xiàn)控制、配置以及并行端口的讀寫功能。FPGA與AT7910E間連接信號如表6所示。FPGA提供系統(tǒng)時鐘和復(fù)位信號；上電配置輸入和狀態(tài)輸出引腳復(fù)用；每個FIFO的讀寫都與系統(tǒng)時鐘同步，每個端口提供了一個8bit的數(shù)據(jù)口和1bit控制口用于標識包的結(jié)束。

表6 AT7910E與FPGA連接信號

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 地址分配及組路由

本設(shè)計中，所有節(jié)點均為冷備份，采用邏輯尋址方式，邏輯地址分配范圍是32～255。主備單機設(shè)計使用相同的邏輯地址，同一邏輯地址，其目的地對應(yīng)主備設(shè)備直連的兩個物理端口，為簡化設(shè)計，主備機均與同一路由芯片存在直接物理鏈接。具體發(fā)送到哪個物理端口，自主尋址邏輯為：1)選擇鏈接正常的鏈路，如果端口未加電、電纜斷開或鏈接異常，則端口不可用；2)有唯一可用端口，則直接通過該端口發(fā)送；3)有多個端口可用時，編號小的端口具有高優(yōu)先級。通過構(gòu)造總線組路由實現(xiàn)多設(shè)備、模塊之間的信息傳輸。邏輯地址分配及6片路由芯片的路由表配置如表7所示。

表7 地址分配和路由表配置

2.2.2 AT7910E初始化設(shè)置

AT7910E初始化流程如圖5所示。

圖5 AT7910E初始化流程

芯片上電或復(fù)位后，通過復(fù)位配置信號STAT_MUX_OUT對芯片進行初始化配置，配置空間的讀寫操作采用RMAP協(xié)議；為保證可靠性，配置完成后查詢配置狀態(tài)，如果配置失敗，則重新配置，有限次數(shù)失敗后轉(zhuǎn)而執(zhí)行下一個配置。配置狀態(tài)信息遙測下發(fā)。

路由單元初始設(shè)置為AutoStart模式，主動監(jiān)聽各端口信號；而各載荷、設(shè)備、單模塊節(jié)點初始設(shè)置為LinkStart模式，主動發(fā)送信號。兩者握手成功，則建鏈成功。

2.2.3 AT7910E狀態(tài)監(jiān)測

在AT7910E工作期間，正常操作期間，通過配置輸入/狀態(tài)輸出復(fù)用接口輪詢地讀取當前活躍鏈路的鏈路錯誤/狀態(tài)寄存器，以獲取當前鏈路狀態(tài)(錯誤復(fù)位、錯誤等待、就緒、發(fā)起鏈接、鏈接中、運行中)和錯誤情況(包地址錯誤、輸出端口超時錯誤、鏈接斷開錯誤、奇偶校驗錯誤、轉(zhuǎn)義字符錯誤)。狀態(tài)信息遙測下發(fā)供地面查看。

2.2.4 分層協(xié)議實現(xiàn)

SpaceWire網(wǎng)絡(luò)中以標準空間包為單位實現(xiàn)星內(nèi)數(shù)據(jù)交互，采用分層設(shè)計思想，實現(xiàn)應(yīng)用層與數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的分離。分層協(xié)議如圖6所示。

圖6 協(xié)議分層實現(xiàn)示意圖

2.3 應(yīng)用效果分析

將應(yīng)用SpaceWire總線的智能處理平臺與無網(wǎng)絡(luò)連接的智能處理平臺進行多維度比較，結(jié)果如表8所示，可見，本文設(shè)計優(yōu)勢明顯，接口種類少，協(xié)議標準，支持應(yīng)用重構(gòu)且支持系統(tǒng)擴展。

表8 應(yīng)用效果對比

3 測試驗證

3.1 測試環(huán)境

搭建測試環(huán)境如圖7所示。

圖7 測試環(huán)境

用3塊鄧迪公司的SpaceWire EGSE模塊分別接入到圖8路由模塊端口2、3、6，進行載荷模擬。EGSE通過usb接口接入PC上位機，通過腳本語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。路由表配置如表7所示。

3.2 測試步驟和結(jié)果

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸速率測試

路由2端口連接的EGSE 1作為載荷源節(jié)點，發(fā)送載荷圖像數(shù)據(jù)(對應(yīng)邏輯地址0x31)經(jīng)路由達到EGSE 3模擬的載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理板，設(shè)置傳輸速率為200 Mbps，分別比對源節(jié)點發(fā)送和目標節(jié)點接收的二進制文件和光學(xué)灰度圖(圖8)，數(shù)據(jù)完全一致，測試通過。

圖8 源端和接收端數(shù)據(jù)比對

3.2.2 切機后自主尋址測試

EGSE 1和EGSE 2分別模擬載荷1的主備機，路由模塊內(nèi)部FPGA以1 s周期性發(fā)送100字節(jié)數(shù)據(jù)包(對應(yīng)邏輯地址0x41)給載荷，當EGSE 1加電時，EGSE 1連接的上位機軟件接收到源端數(shù)據(jù)；當EGSE 2加電時，EGSE 2連接的上位機軟件接收到源端數(shù)據(jù)。測試通過。

3.2.3 應(yīng)用重構(gòu)測試

EGSE 3模擬指令發(fā)送端發(fā)送新的路由配置表(路由表對應(yīng)邏輯地址0x61)，與測試1的路由配置表不一致，給到路由模塊直連的FPGA；重啟路由模塊后，EGSE 1發(fā)送與測試1相同的載荷數(shù)據(jù)(對應(yīng)邏輯地址0x31)，EGSE 3連接的上位機不再接收到載荷數(shù)據(jù)，此處與測試1測試結(jié)果不一致，EGSE 2連接的上位機接收到數(shù)據(jù)，與新的路由配置表設(shè)置一致，測試通過。

4 結(jié)束語

通過以上設(shè)計、分析以及基于SpaceWire路由單板和模擬設(shè)備的測試，實現(xiàn)了SpaceWire總線在智能處理通用平臺中的應(yīng)用。SpaceWire總線有助于提高數(shù)據(jù)傳輸速率、簡化星載設(shè)備連接，同時增強設(shè)備的重用能力、可維修性和可擴展性，從而降低開發(fā)成本，提高研制效率。本智能系統(tǒng)目前已經(jīng)處于整機原理樣機聯(lián)調(diào)過程中，將應(yīng)用于大規(guī)模星座中，其支持掛接節(jié)點數(shù)量大于18個，根據(jù)需要可繼續(xù)擴展；單節(jié)點速率在2～400 Mbps之間調(diào)節(jié)；系統(tǒng)內(nèi)冗余備份，支持系統(tǒng)重構(gòu)。此外，隨著SpaceWire空間網(wǎng)絡(luò)標準基礎(chǔ)上升級研發(fā)的SpaceFibre總線的技術(shù)推廣應(yīng)用，本系統(tǒng)可以通過橋接擴展方式能夠?qū)崿F(xiàn)超高速串行鏈路與組網(wǎng)互聯(lián)，未來有更大的發(fā)展空間。