應用SpaceWire網絡的智能處理通用平臺設計

蘇斌嬪,吳志華,尹增山,王 寧

(1.中國科學院 微小衛星創新研究院，上海 201203; 2.上海微小衛星工程中心，上海 201203;3.山東航天電子技術研究所，山東 煙臺 264003)

0 引言

隨著航天技術的發展及復雜實時任務的需求牽引，衛星系統設計向著更精細、更智能方向突破。智能處理通用平臺，是應用于大規模星座系統，旨在實現衛星節點在軌高速載荷數據實時處理、多源信息跨時空融合、圖像信息智能深度分析、在軌自主任務規劃、海量數據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備種類各異，信息量越來越多，有必要采用統一標準高速接口，使得新載荷設備能夠快速集成到新型號任務中；此外，智能處理通用平臺中各單機、模塊間隨著應用場景的變化也存在多種組合的數據交互，如果采用傳統的CPU三總線的控制方式，勢必增加設備各電路板間的依賴性，不利于功能擴展，因此內部電路板間也采用串行總線互聯的方式。

為解決上述問題，本文提出應用SpaceWire網絡的智能處理通用平臺設計，實現外部接口設備、內部各電路板間的互聯互通。SpaceWire總線網絡是歐空局ESA提出、多個空間科學機構共同制定并不斷迭代的新型通信標準，已成功應用于ESA、NASA多項國際航天任務中[1-3]。國內在氣象衛星、科學衛星中也成功部署應用[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，對實現星載智能處理通用平臺高速數據交互、易擴展、可重構、標準接口具有重要基礎支撐作用。

1 智能處理通用平臺系統設計

智能處理通用平臺是衛星載荷管理、數據處理、存儲分發、信息交互的核心，旨在實現衛星載荷數據實時處理、多源信息融合、信息智能深度分析、在軌自主任務規劃和大容量存儲下發功能，劃分為供電與遙測模塊、高速接口模塊、數據預處理模塊、數據融合智能處理模塊、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據，載荷數據經預處理后進行多源融合、目標檢測、識別，核心管理模塊實現資源管理、任務調度和故障容錯等，載荷原始數據、數據處理過程中高價值信息以及衛星平臺信息均存入大容量存儲模塊，等待下發。路由模塊旨在實現智能處理平臺與外部以及內部各模塊間的數據交互。

圖1 智能處理通用平臺內部信息流圖

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據交互，傳輸的大多是對帶寬有較高要求、對時間不太敏感的載荷數據或切片數據。傳統的高速載荷數據傳輸通常采用LVDS點對點傳輸，不能形成高速數據網絡適應各類數據交互組合的應用場景。時間觸發以太網(TTE)是一種時間確定性網絡，美國宇航局獵戶座飛船(新一代航天飛機)使用時間觸發以太網(TTE)作為主干網，其高速、可靠特性在軌道交通、機器人等領域也有廣泛應用。SpaceWire是一種高速低耗的網絡連接方式，以IEEE 1355-1955協議和LVDS標準為基礎，由ESA聯合鄧迪大學共同研發。此外，在SpaceWire空間網絡標準基礎上升級研發的SpaceFibre總線，能夠實現超高速串行鏈路與組網互聯。下面對幾類應用于航天的高速總線特性進行比較說明。

綜上，從航天應用需求滿足、系統未來可擴展以及現有技術可達的角度，選用SpaceWire總線作為智能處理通用平臺高速數據傳輸途徑。

1.2 總線網絡拓撲

智能處理通用平臺總線網絡構成如圖2所示。載荷設備、智能處理平臺模塊、數傳發射機均連入SpaceWire網絡，實現數據交互、處理、下發全流程。每類模塊根據應用需求配置1-N塊，SpaceWire網絡通過路由器進行級聯，形成網狀結構，實現各模塊、單機間互聯互通。

圖2 SpaceWire網絡拓撲圖

在實際應用中，光學載荷數據量極大(Gbps帶寬)，此類載荷通常不直接接入SpaceWire網絡，經載荷數據預處理后生成百兆級有效數據后，接入網絡進行深度處理、融合分析以及存儲。

本文中擬采用統一的硬件接口和標準通信協議，屏蔽網絡內部連接細節，使得用戶可實現SpaceWire接口即插即用，任意兩者之間實現動態鏈接，建立一對一、一對多、多對一的傳輸通道。

1.3 尋址方式

SpaceWire總線數據包層協議繼承了IEEE1355-1995定義的數據包裝協議，規定了總線源端到宿端的數據包裝格式。數據包格式定義如表2所示。

表1 高速數據總線傳輸特性

表2 SpaceWire總線數據包格式

其中，目標地址根據SpaceWire網絡結構及傳輸路徑情況來確定；包結束標志EOP/EEP，表示傳輸的數據包正確或錯誤。EOP/EEP末尾就默認傳輸新的數據包。

SpaceWire網絡有2種尋址方式：

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

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的輸出端口，目標地址只需要由一個數據字符長度的邏輯地址來表示。利用邏輯尋址方式不需要關注具體網絡結構，因此可屏蔽網絡連接細節。

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

1.4 協議定義

智能處理通用平臺中應用SpaceWire總線傳輸的數據包括兩類，應用數據和路由配置數據。

傳輸的應用數據，包括載荷設備業務數據、載荷觀測數據、預處理數據、切片數據、融合處理數據、任務請求以及載荷設備控制信息等。數據域格式采用CCSDS標準數據包格式，設計為定長格式，如表3所示。包主導頭定義中應用過程標識符(APID)區分各類應用數據。

表3 數據域格式定義

配置數據包括各個節點的端口狀態、通信速率、路由表等，配置成功即可為各載荷設備提供數據傳輸服務。對路由器的管理采用遠程存儲器訪問協議(RMAP)進行配置，并讀出內容以確認配置正確。依據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 系統重構及冗余設計

為提高系統可靠性，載荷設備電子學、數傳發射機以及智能處理通用平臺中預處理模塊、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計，當部分模塊故障時可以通過切機操作對系統重構，保障系統能力的遷移，提高容錯能力。系統重構，會對應用數據在SpaceWire網絡的傳輸路徑重新組織，抵達到新的物理端口。

應用SpaceWire網絡的智能處理通用平臺，適用于不同衛星應用場景，在不改變智能處理通用平臺硬件設計的情況下，可以通過配置路由表和更新軟件，即能將載荷設備快速接入新的型號中。

2 實例設計

某衛星中配置2個載荷設備(電子學冷備份)，智能處理通用平臺中配置2塊預處理板(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波段發射機(含主備)，以此為例，介紹SpaceWire網絡的軟硬件設計。

2.1 硬件設計

SpaceWire網絡核心是協議芯片，協議芯片代表有兩款，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，也可以作為外部設備接入SpaceWire網絡的連接節點。本文構建基于AT7910E芯片的SpaceWire網絡，具體實現如圖3所示。

圖3 智能處理通用平臺SpaceWire網絡連接圖

使用3片AT7910E芯片，各路由芯片通過鏈路1和8端口串聯在一起，形成一個環形，對外共提供18路標準SpaceWire端口。本設計中，載荷設備電子學、X數傳發射機、智能處理各模塊均采用冷備份設計，外部使用15路端口(含測試節點)；各路由芯片兩路雙向并行端口9、10端口連接FPGA，FPGA實現對各路由芯片控制、配置以及數據復接、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據可以及時存入，無需多跳流轉。常態工作時僅有3個串聯路由芯片以及8臺載荷/設備/單板工作。

2.1.1 防靜電接口電路設計

實際應用中發現，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接口芯片進行轉換保護，將AT7910E輸出的SpaceWire LVDS信號，經SNJ55LVDS32W轉為單端，該單端信號再由SNJ55LVDS31W重新轉為差分信號輸出；同理，外部輸入的SpaceWire LVDS信號，先經SNJ55LVDS32W轉為單端，該單端信號再經由SNJ55LVDS31W重新轉為差分信號輸送給AT7910E的LVDS輸入端。電路設計如圖4所示。

2.1.2 路由芯片與FPGA連接引腳

FPGA對AT7910E實現控制、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提供系統時鐘和復位信號；上電配置輸入和狀態輸出引腳復用；每個FIFO的讀寫都與系統時鐘同步，每個端口提供了一個8bit的數據口和1bit控制口用于標識包的結束。

表6 AT7910E與FPGA連接信號

2.2 軟件設計

2.2.1 地址分配及組路由

本設計中，所有節點均為冷備份，采用邏輯尋址方式，邏輯地址分配范圍是32～255。主備單機設計使用相同的邏輯地址，同一邏輯地址，其目的地對應主備設備直連的兩個物理端口，為簡化設計，主備機均與同一路由芯片存在直接物理鏈接。具體發送到哪個物理端口，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送；3)有多個端口可用時，編號小的端口具有高優先級。通過構造總線組路由實現多設備、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

芯片上電或復位后，通過復位配置信號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協議；為保證可靠性，配置完成后查詢配置狀態，如果配置失敗，則重新配置，有限次數失敗后轉而執行下一個配置。配置狀態信息遙測下發。

路由單元初始設置為AutoStart模式，主動監聽各端口信號；而各載荷、設備、單模塊節點初始設置為LinkStart模式，主動發送信號。兩者握手成功，則建鏈成功。

2.2.3 AT7910E狀態監測

在AT7910E工作期間，正常操作期間，通過配置輸入/狀態輸出復用接口輪詢地讀取當前活躍鏈路的鏈路錯誤/狀態寄存器，以獲取當前鏈路狀態(錯誤復位、錯誤等待、就緒、發起鏈接、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、轉義字符錯誤)。狀態信息遙測下發供地面查看。

2.2.4 分層協議實現

SpaceWire網絡中以標準空間包為單位實現星內數據交互，采用分層設計思想，實現應用層與數據鏈路協議的分離。分層協議如圖6所示。

圖6 協議分層實現示意圖

2.3 應用效果分析

將應用SpaceWire總線的智能處理平臺與無網絡連接的智能處理平臺進行多維度比較，結果如表8所示，可見，本文設計優勢明顯，接口種類少，協議標準，支持應用重構且支持系統擴展。

表8 應用效果對比

3 測試驗證

3.1 測試環境

搭建測試環境如圖7所示。

圖7 測試環境

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，通過腳本語言實現數據發送與接收。路由表配置如表7所示。

3.2 測試步驟和結果

3.2.1 數據傳輸速率測試

路由2端口連接的EGSE 1作為載荷源節點，發送載荷圖像數據(對應邏輯地址0x31)經路由達到EGSE 3模擬的載荷數據預處理板，設置傳輸速率為200 Mbps，分別比對源節點發送和目標節點接收的二進制文件和光學灰度圖(圖8)，數據完全一致，測試通過。

圖8 源端和接收端數據比對

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，路由模塊內部FPGA以1 s周期性發送100字節數據包(對應邏輯地址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據；當EGSE 2加電時，EGSE 2連接的上位機軟件接收到源端數據。測試通過。

3.2.3 應用重構測試

EGSE 3模擬指令發送端發送新的路由配置表(路由表對應邏輯地址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發送與測試1相同的載荷數據(對應邏輯地址0x31)，EGSE 3連接的上位機不再接收到載荷數據，此處與測試1測試結果不一致，EGSE 2連接的上位機接收到數據，與新的路由配置表設置一致，測試通過。

4 結束語

通過以上設計、分析以及基于SpaceWire路由單板和模擬設備的測試，實現了SpaceWire總線在智能處理通用平臺中的應用。SpaceWire總線有助于提高數據傳輸速率、簡化星載設備連接，同時增強設備的重用能力、可維修性和可擴展性，從而降低開發成本，提高研制效率。本智能系統目前已經處于整機原理樣機聯調過程中，將應用于大規模星座中，其支持掛接節點數量大于18個，根據需要可繼續擴展；單節點速率在2～400 Mbps之間調節；系統內冗余備份，支持系統重構。此外，隨著SpaceWire空間網絡標準基礎上升級研發的SpaceFibre總線的技術推廣應用，本系統可以通過橋接擴展方式能夠實現超高速串行鏈路與組網互聯，未來有更大的發展空間。