高速SpaceWire路由器的设计研究

SpaceWire是由欧航局所提出的高速高可靠性的航空总线标准。首先论述了基于SpaceWire标准的航空总线路由器IP核的设计与实现。SpaceWire路由器由SpaceWire接口和SpaceWire路由开关组成,文中分别介绍了这两部份的设计,并对SpaceWire路由开关的设计提出了新的架构,最后的实验结果说明了所设计的8端路由器的速度达到了200 Mb/s。

测试系统的SpaceWire节点控制器的研发

高分辨率对地观测系统是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》所确定的16个重大专项之一该系统需要高效率、高可靠性的总线来满足航天器的数据的分布式处理能力。SpaceWire总线是欧空局（ESA）提出新一代智能总线,具备在高可靠性、高安全环境下提供高速通信能力的总线系统。目前,国内大多停留在对SpaceWire相关IP设计及上层协议的开发应用方面,对于SpaceWire设备的性能如何、是否符合SpaceWire总线标准,缺少相应的设备支持。本文基于测试设备的需要,选用标准的SpaceWire IP核,通过扩展时间码功能,设计了一款具有测试SpaceWire标准一致性以及误码率、网络延时的SpaceWire节点控制器设计。

运用定理证明的形式化方法验证SpaceWire编码电路

我国空间太阳望远镜(SST)项目采用了SpaceWire作为传输总线,目前针对SpaceWire总线的验证主要采用测试和模拟等传统的方法,这类验证方法是不完备的.本文旨在对SST项目中SpaceWire总线的DS编码电路是否如实地实现标准中的规范要求进行验证,运用定理证明的形式化方法,在HOL4工具上对该电路的设计实现与规范要求的一致性进行验证,克服了传统验证方法的局限性.

SpaceWire星载网络通信协议设计

SpaceWire是ESA和NASA推荐的新一代星载数据总线标准,其应用方向之一是构建统一总线星载网络。星载网络是典型的实时系统,它对网络信息的传输时延具有严格要求。然而,传统SpaceWire网络多源、异步、事件触发的特性使它难以提供确定的信息传输时延,这制约了它在统一总线星载网络中的应用。本文为克服SpaceWire的上述应用瓶颈,提出一种基于时间触发的SpaceWire星载网络通信协议,并提出相应的节点通信调度算法,通过合理的规划使节点在确定的时间窗口发送通信数据,从而避免了网络资源冲突,使信息传输时延的确定性得到保证。

面向星载数据管理系统的SpaceWire总线仿真系统开发

本文介绍并分析了日本的X射线天文卫星ASTRO-H中SpaceWire的应用模式,然后结合我国星载数据管理系统建立了SpaceWire总线应用的仿真系统,模拟星载管理单元与设备以及设备与设备间的数据通信,实现了对系统综合数据业务的统一管理,对在轨数据系统实施自主管理和冗余容错管理奠定了技术基础.

面向卫星数据系统的SpaceWire应用模型仿真研究

针对我国未来航天应用的需要,建立了SpaceWire总线在卫星在轨数据系统应用的半物理仿真平台,对SpaceWire总线的仿真应用模型进行了设计与实现.仿真系统采用了冗余容错结构,在节点故障时,能够通过Dijkstra算法重新计算最优通信路径,对路由表进行动态重构,实现对节点故障的动态容错.另外,通过对SpaceWire总线的通信性能测试结果的分析研究指出,SpaceWire总线在卫星在轨数据系统中可以用于提高总线数据传输的带宽和实时性,然而总线系统的基础可靠性还应当由1553B总线来提供.

应用SpaceWire网络的航天器分布式存储系统设计

针对航天器数据存储需求多样化的发展趋势,提出了应用SpaceWire网络的分布式存储系统设计。系统由控制模块和存储模块组成,为航天器载荷设备提供标准SpaceWire物理层、链路层接口,并在网络层提供统一的虚拟数据接口,通过逻辑地址进行标志和寻址,可屏蔽系统内部网络细节;载荷设备不必关注存储系统内部网络结构的变化,当部分模块故障时,可重新规划传输路径,对分布式存储系统进行重构,实现系统控制和数据存储功能的迁移。与存储需求相近、配置双固态存储系统的设计相比,其接口种类、协议设计更加简化,且系统重构方面的优势更为明显。

基于IP核的SpaceWire-PCI通信卡设计

作为一种面向航天应用的通信技术,SpaceWire具有广阔的应用前景。以IP核技术为基础,设计实现了以PCI总线为集成平台的两通道SpaceWire接口通信卡。在对板卡硬件组成进行综述的基础上,详细描述了PCI接口IP核、SpaceWire节点IP核以及驱动程序的设计方法,最后通过软件定时方法对本板卡的转换效率进行了测试。本文设计的通信卡具有尺寸小、布线简单、成本低、功耗低等特点,可以满足航天测控领域需求。

星载SpaceWire路由器的研究与设计

为满足航天器有效载荷间高速数据多路传输的未来发展需求,该文研究提出了基于SpaceWire的星载数据路由的设计方案。在SpaceWire总线标准网络层分析的基础上,结合虫孔路由原理构建路由器内部结构,提出了采用无阻断交差开关的SpaceWire路由器设计方案。在Simulink环境下建立了路由器仿真模型,并通过BWR解决了虫孔路由阻塞机制带来的刹车问题,使路由器的满负荷通信下的平均丢包率减少了70%。

一种应用于SpaceWire路由器动态部分重构的容错技术

为满足航天器有效载荷间高速数据多路传输未来发展和空间抗辐射的需求,研究了一种应用于SpaceWire路由器动态部分重构的容错技术。在SpaceWire总线标准网络层分析的基础上,对cell矩阵无阻塞路由增添HanMing编码实现纠一检二,当检测出大于一个错误不能纠正时,采用局部重构的方式对有误的单个cell单元进行三重冗余重构,同时采用Partition Pin来代替传统的总线宏作为静态模块和动态模块的传输枢纽,并对容错前后路由器的资源和延时时间进行了评估和比较。实验结果表明,比将整个路由cell矩阵三模冗余,该方法能够节约硬件资源和减少延迟时间。

SpaceWire网络层协议分析与应用研究

本文的研究对象是SpaceWire网络层协议.通过分析欧空局(ESA)SpaceWire产品和美国航空航天学会(AIAA)SpaceWire专题年会成果,概述了国内外SpaceWire技术特别是其组网技术的发展和应用现状.根据欧空局最新版规范ECSS-E-ST-50-12C,详细分析了SpaceWire网络层结构,包括路由方式和寻址方式,其中重点阐述了蛀洞路由器、区域逻辑寻址的工作原理.在此理论基础上,给出了基于FPGA单芯片、以交叉矩阵为核心、带有通用主机接口的无阻塞4端口SpaceWire路由器设计方案.本文最后还通过比较SpaceWire与Ethernet协议的异同,论证了二者在高层协议和应用软件方面的兼容性,得出结论:可以将Ethernet网络的软件资源移植到SpaceWire上.

高速SpaceWire协议IP的可靠性增强方法

针对航天高速SpaceWire总线系统对协议IP的高可靠性要求,提出一种用于静态随机访问存储器(SRAM)型现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的增强三模冗余(TMR)方法。该方法对传统三模冗余和部分三模冗余做了改进,将需要进行三模冗余的原设计分为一般单元集和可靠性薄弱的关键单元集,对一般单元集中的每个单元做三模冗余,对关键单元集中的每个单元做顺序四模冗余。给出了顺序四模冗余的可靠度计算式和表决器的布尔表达式。建立了系统可靠性的马尔科夫模型并基于模型开展了可靠性仿真。仿真结果表明增强三模冗余系统的可靠性不仅明显优于传统三模冗余系统,而且优于部分三模冗余系统,使系统可靠性得到有效提高。

一种星载强容错SpaceWire总线网络拓扑设计与分析

目前SpaceWire总线应用主要基于单个路由器上连接数个节点设备,构成小型星状网络结构,而对复杂航天器多节点情况下的SpaceWire网络系统应用研究较少。针对航天器高可靠要求,提出一种总线型网络拓扑容错设计方案,对网络工作方式、多层次冗余容错机制、系统可靠度和网络传输性能进行了分析推导,结果表明提出的网络拓扑满足星载应用要求。最后根据分析结果提出了SpaceWire网络系统中数据包长、链路速率和节点布局的设计指导原则。

使用FPGA设计高可靠SpaceWire路由器

为了提高系统的可靠性和可用性,提出一种基于静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory,SRAM)型现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的SpaceWire路由器设计方法。路由器通过系统级三模冗余技术加固,采用基于位流重定位的动态部分刷新技术修复系统中发生的软故障,并提出一种基于工作输入和健康现态的实时状态同步方法,以确保故障模块修复后的状态与其他模块同步。因此,该系统能够进行错误掩蔽和自我修复。在Xilinx Virtex-5 FPGA开发板ML507上对所提出的路由器系统结构和设计方法进行实现和验证。实验结果表明,路由器的可靠性和可用性显著增加,且系统的实时性很好,能保证路由器在整个工作过程中提供正常服务而不会引起系统功能中断或延迟;位流重定位技术的采用将所需存储空间减少三分之二,同时也降低了原始位流本身故障的可能性。

基于SpaceWire的AOS系统仿真研究

随着卫星电子系统的小型化和智能化,新型智能高速总线SpaceWire日益受到关注.利用基于面向对象的离散事件建模与仿真分析工具—SMAT对基于SpaceWire实现的卫星数管系统设计原型方案进行了建模,模型考虑了具有数据速率变化范围大、具有多业务结构的CCSDS国际标准约定的空间数据系统特点,针对SpaceWire数据传输速率大、网络路由机制和冗余的链路传输等特点进行了仿真.最后设定了一种实验方案,对关心的传输效率、数据延迟、容错能力、负载能力等性能进行了仿真,从而考虑系统设计方案的可行性,系统性能的评价结果可为系统设计人员早期验证及方案改进提供定量依据.

SpaceWire总线的流量控制机制研究

为了解决SpaceWire总线在进行大数据块收发时,现有的流量控制措施会导致总线性能下降的问题,提出了一种两级存储结构.介绍了SpaceWire总线目前的应用状况,以及存在的问题;通过分析SpaceWire的流量控制机制以及影响总线效率、系统性能的因素,提出了一种能够保证第一级存储器有足够的空间用于收发数据的两级存储结构;根据SpaceWire总线协议和两级存储结构,设计了一款通过硬件预取技术实现大数据块传输的SpaceWire节点IP核;最后在Leon3-FT处理器上集成了该IP核,并进行了系统级的仿真和测试.结果表明,与现有的SpaceWire接口相比,本设计在大数据块传输中能够提高总线效率62.7倍,系统处理效率提高至少14.5倍.

SpaceWire总线冗余备份优化方法

在现场可编程门阵列(FPGA)资源有限的情况下,提出一种基于FPGA的SpaceWire总线冗余备份优化方法。采用调整内部功能子模块可靠度的方法,实现整个系统的备份优化,提高系统可靠性。根据失效率λ计算节点内各功能子模块的可靠度。基于评分分配法,计算每个子模块所应达到的可靠度指标。同时从数学角度,基于线性规划理论寻找冗余备份优化问题最优解。仿真实验结果表明,该方法能够在满足可靠度要求的前提下节约FPGA的片上资源。

航天器通用SpaceWire总线路由单元的研究与实现

为满足日益增长的航天器各系统间高速数据多路传输的需求,对SpaceWire高速数据总线特点进行了研究,提出了一种航天器通用SpaceWire总线路由单元的设计方法,采取了标准化SpaceWire总线接口,支持多个SpaceWire接口的自适应路由功能,可实现组网设备的即插即用;同时采用中央控制器进行高级协议算法处理,支持网络分布式中断管理功能,实现网络节点的事件触发式交互控制功能,总线数据包能够按照配置参数能够在任意SpaceWire端口间的一对一路由传输、一对多组播传输;经试验测试路由单元可以支持路由端口数最多达18个,每路接口工作速率最大可达到200Mbps,其提供的通用功能能够满足大部分航天器SpaceWire网络的需求。

TMR加固的SpaceWire节点的设计与实现

文章根据SpaceWire协议,在FPGA(Field Programmable Gate Array)上用VHDL(Very HighSpeed Integrated Circuit HardwareDescription Language)设计了SpaceWire协议节点软核,并分别使用XTMR(Xilinx Triple Modular Redundancy)软件设计和手动代码设计对关键功能模块进行三模冗余设计,在FPGA上实现了SpaceWire节点的功能加固设计,提高了SpaceWire节点软核的可靠性,并与SpaceWire标准设备进行了数据传输,实现了加固的SpaceWire节点与SpaceWire标准设备之间的数据传输。

SpaceWire软核的设计与验证

介绍了SpaceWire节点软核在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)设计与实现中的难点及时钟域划分和模块划分,并针对Virtex-5系列FPGA的特点给出了相应的实现方式。文章设计的SpaceWire软核在Virtex-5系列FPGA数传电路板上实现了与SpaceWire标准测试设备之间的高速数据传输,经过测试可以实现达到300Mbit/s的传输速率。