论文部分内容阅读
摘要：本文在对SpaceWire总线协议、SpaceWire节点的总体框架进行深入分析的基础上，设计了支持热插拔的基于CPCI接口的高速SpaceWire数据总线的节点通讯板卡的硬件系统，重点介绍了支持热插拔的CPCI接口电源电路分析、FPGA与PCI9056接口模块时序分析和在Windriver软件环境下的驱动程序的开发，为SpaceWire上位机底层驱动接口的开发以及今后SpaceWire总线在其它任务中的应用打下了良好的基础。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247468.htm
关键词： SpaceWire节点；高速串行总线；热插拔；CPCI接口；PCI9056 DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.014
引言
随着航天技术的进步和卫星与高空探测技术的发展， 需要一种高速、可扩展、低功耗、低成本的通用通讯链路接口来满足星载高速数据传输要求。SpaceWire 总线标准就是一种高速的、点对点、全双工的串行总线网络， 以IEEE1355-1995和LVDS 两个商业标准相结合而提出的一种星载数据总线。本文在研究SpaceWire 总线协议的基础上，分析了基于CPCI接口的SpaceWire节点通讯板卡的硬件实现架构，并着重分析CPCI接口电路电源管理功能、PCI桥接电路以及上位机软件驱动的生成原理。
1 SpaceWire概述
SpaceWire 是为更好地满足星载设备间高速数据传输需求而提出一种高速的（2Mbit/s至400Mbit/s，目前实现的宇航级节点设备之间的速度为200Mbit/s）、点对点、全双工的串行总线网络，在2003年1月正式成为欧空局标准。它的提出主要致力于航天器内有效载荷系统数据和控制信息的处理， 以满足未来高性能高速数据传输为目标， 提供了一种统一的用来连接传感器、数据处理单元、大容量存储器、遥测子系统以及电地支持设备EGSE （ electronic ground support equipment ） 的基础架构。
SpaceWire 标准具体包括了链路、节点和路由三方面的内容。本文着重讨论节点的功能，所谓SpaceWire节点， 是指传输包的流出设备或者流向设备， 可以是处理器、存储单元、传感器、电地支持设备（ EGSE ） 或连接在SpaceWire总线网络上的其它单元。
2 SpaceWire节点通讯板卡硬件设计
EMBC1000-CPCISPW是欧比特公司自主研制的完全遵循并实现ECSS-E-ST-50-12C协议规范的航天设备间的高速SpaceWire数据总线的，支持热插拔的CPCI接口的节点终端通讯板卡（本板卡实现了200Mbit/s的速率）。此SpaceWire总线节点通讯板卡可以嵌入在航天子系统中，将航天子系统中与其它SpaceWire网络之间连接，保证航天子系统之间高速、实时、确定、可靠地进行数据交换。硬件架构如图l所示，分为FPGA控制模块、CPCI接口电源管理模块、MDM9S接口模块和SRAM缓存模块。各模块的功能如下：
FPGA控制模块：FPGA采用Altera公司的EP3C55F484I7N芯片，时钟频率采用80MHz，同时为了实现SpaceWire总线传输速率，FPGA内部采用了PLL对时钟进行了分频，实现4路SpaceWire总线通信协议接口功能，硬件实现LVDS信号传输，实现数据通讯过程中产生的大量数据实现缓存并与PCI9056通信接口等功能；
SRAM缓存器：4M字节的SRAM用于实现存储SPW总线收发机制中产生的大容量高速数据的缓存功能；
MDM9S接口模块：MDM9S接口实现FPGA的LVDS信号与外部SPW设备之间的接口功能；
PCI接口模块：实现PCI总线的接口协议功能，通过CPCI接口实现FPGA与上位机软件间进行数据的通信，同时实现支持热插拔的板卡的电源管理功能；
电源管理模块：与PCI9056芯片以及CPCI接口共同完成设备的电源热插拔功能。
3 CPCI接口电源电路分析
PCI设备的热插拔功能主要用于具备CPCI接口的装置，热插拔功能允许板卡随意从设备中插拔而不影响装置操作系统的正常运行。电源芯片电路如图2所示，LTC1643L是一个允许CPCI型设备进行安全插入和拔出的电源管理控制器，将系统的CPCI插槽电源接入到SpaceWire板卡，图中IRF7413是一个N型MOS管，用于控制3.3V和5V的电源通断供应，而-12V和+12V电源由片上开关供应，所有的电压的上升时间可以达到一个可编程的速率，同时该芯片还具备电源过流故障时的短路保护。
PCI9056的引脚BD_SEL#是CPCI接口中最小的插针之一，BD_SEL#连接LTC1643L的使能引脚，低电平时有效开启LTC1643L工作并同时给板卡供电。R10是一个0.018欧姆，0.5W，精度为1%的精密电阻，用于过流保护的电压检测电阻。当板卡发生故障导致电流超过额定值之后，R10两端的压差将增大，SENSE引脚将此过流信息反馈至LTC1643L电源管理器，同时切断电源供应，起到电源过流保护的功能。
4 PCI桥接电路分析
在SpaceWire总线节点终端系统与航电计算机系统之间实现PCI通讯大致有两个方式，其一就是采用可编程器件作为一个独立的模块实现PCI协议，另一种方式就是采用专用PCI协议芯片。本系统的设计出于性能稳定性和结构简易性方面的考虑，选择用PLX公司生产的PCI9056集成芯片，该芯片可以设置成多种传输模式，完成SpaceWire总线节点与航电设备之间的通信桥接功能。 在PCI9056与本地FPGA之间的通信分为直接主模式（Direct Master Mode）、直接从模式（Direct Slave Mode）和DMA模式。由于PCI通信要求达到SpaceWire总线网络的2Mbit/ s至400Mbit/s通讯速率（本板卡实现了200Mbit/s），这里采用的芯片时钟频率为66MHz，传输模式为直接从模式，工作时序如图3所示，PCI9056为主芯片，FPGA为从芯片。
行高效的数据通信，FPGA内部划出了一部分内存以配置成双口RAM的形式完成PCI9056对SpaceWire数据的收发以及相应控制寄存器的控制传输。
5 Windriver软件的驱动生产
通过PLXMON软件对PCI9056的配置芯片进行配置后，可以利用Windows操作系统中WinDriver自动生成PCI驱动程序，步骤如下：首先启动WinDriver Wizard，从开始菜单，选择“程序 | WinDriver | Driver Wizard”；然后在Driver Wizard 菜单，单击“File New Project”菜单来新建一个工程，从即插即用列表中选择显示卡，通过生产商的名字来选定。单击“Memory”标签。该显示卡的三个内存范围显示出来。内存范围中的BAR2映射的是FPGA内的RAM缓存块和专用寄存器，根据FPGA内核对这些缓存块和寄存器的可读写定义，可以在BAR2映射的区域里进行读写，若写进去的数值跟读出来的数值一致，表面CPCI接口通信正常。最后一步为生成驱动代码：单击“Build | Generate code”菜单， Driver Wizard 将产生操作硬件资源的函数，可以在用户模式下在应用程序中直接使用这些函数，这个向导还会产生一个样本程序来使用这些函数操作硬件，上层界面的开发可以直接调用这些API函数。
6 总结
本文是珠海欧比特公司为面向我国航天应用研发的一款SpaceWire总线节点终端板卡的一个实际应用设计方案，并根据此方案完成了对每个功能模块的结构和功能分析，欧比特公司此已经对方案设计申请了专利保护。此方案对今后SpaceWire总线在其它任务中的应用具有重要的借鉴意义。
参考文献：
[1] EMBC3000-CPCISPW型SpaceWire节点通讯板卡使用说明书.欧比特控制工程股份有限公司.2013.
[2] 康咏岐.面向航天应用的SpaceWire节点单元的IP核设计与实现[J].微电子学与计算机，2005，22（9）：120-123。
[3] 陈健飞，曹松.SpaceWire总线接口终端的设计与实现[J].微计算机信息：2010，26（82）：123-124。
[4] LTC1643L datasheet，PCI-Bus Hot Swap Controller，LINEAR TECHNOLOGY.
[5] PCI 9056 Data Book， PLX TECHNOLOGY.
关键词： SpaceWire节点；高速串行总线；热插拔；CPCI接口；PCI9056 DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.014
引言
随着航天技术的进步和卫星与高空探测技术的发展， 需要一种高速、可扩展、低功耗、低成本的通用通讯链路接口来满足星载高速数据传输要求。SpaceWire 总线标准就是一种高速的、点对点、全双工的串行总线网络， 以IEEE1355-1995和LVDS 两个商业标准相结合而提出的一种星载数据总线。本文在研究SpaceWire 总线协议的基础上，分析了基于CPCI接口的SpaceWire节点通讯板卡的硬件实现架构，并着重分析CPCI接口电路电源管理功能、PCI桥接电路以及上位机软件驱动的生成原理。
1 SpaceWire概述
SpaceWire 是为更好地满足星载设备间高速数据传输需求而提出一种高速的（2Mbit/s至400Mbit/s，目前实现的宇航级节点设备之间的速度为200Mbit/s）、点对点、全双工的串行总线网络，在2003年1月正式成为欧空局标准。它的提出主要致力于航天器内有效载荷系统数据和控制信息的处理， 以满足未来高性能高速数据传输为目标， 提供了一种统一的用来连接传感器、数据处理单元、大容量存储器、遥测子系统以及电地支持设备EGSE （ electronic ground support equipment ） 的基础架构。
SpaceWire 标准具体包括了链路、节点和路由三方面的内容。本文着重讨论节点的功能，所谓SpaceWire节点， 是指传输包的流出设备或者流向设备， 可以是处理器、存储单元、传感器、电地支持设备（ EGSE ） 或连接在SpaceWire总线网络上的其它单元。
2 SpaceWire节点通讯板卡硬件设计
EMBC1000-CPCISPW是欧比特公司自主研制的完全遵循并实现ECSS-E-ST-50-12C协议规范的航天设备间的高速SpaceWire数据总线的，支持热插拔的CPCI接口的节点终端通讯板卡（本板卡实现了200Mbit/s的速率）。此SpaceWire总线节点通讯板卡可以嵌入在航天子系统中，将航天子系统中与其它SpaceWire网络之间连接，保证航天子系统之间高速、实时、确定、可靠地进行数据交换。硬件架构如图l所示，分为FPGA控制模块、CPCI接口电源管理模块、MDM9S接口模块和SRAM缓存模块。各模块的功能如下：
FPGA控制模块：FPGA采用Altera公司的EP3C55F484I7N芯片，时钟频率采用80MHz，同时为了实现SpaceWire总线传输速率，FPGA内部采用了PLL对时钟进行了分频，实现4路SpaceWire总线通信协议接口功能，硬件实现LVDS信号传输，实现数据通讯过程中产生的大量数据实现缓存并与PCI9056通信接口等功能；
SRAM缓存器：4M字节的SRAM用于实现存储SPW总线收发机制中产生的大容量高速数据的缓存功能；
MDM9S接口模块：MDM9S接口实现FPGA的LVDS信号与外部SPW设备之间的接口功能；
PCI接口模块：实现PCI总线的接口协议功能，通过CPCI接口实现FPGA与上位机软件间进行数据的通信，同时实现支持热插拔的板卡的电源管理功能；
电源管理模块：与PCI9056芯片以及CPCI接口共同完成设备的电源热插拔功能。
3 CPCI接口电源电路分析
PCI设备的热插拔功能主要用于具备CPCI接口的装置，热插拔功能允许板卡随意从设备中插拔而不影响装置操作系统的正常运行。电源芯片电路如图2所示，LTC1643L是一个允许CPCI型设备进行安全插入和拔出的电源管理控制器，将系统的CPCI插槽电源接入到SpaceWire板卡，图中IRF7413是一个N型MOS管，用于控制3.3V和5V的电源通断供应，而-12V和+12V电源由片上开关供应，所有的电压的上升时间可以达到一个可编程的速率，同时该芯片还具备电源过流故障时的短路保护。
PCI9056的引脚BD_SEL#是CPCI接口中最小的插针之一，BD_SEL#连接LTC1643L的使能引脚，低电平时有效开启LTC1643L工作并同时给板卡供电。R10是一个0.018欧姆，0.5W，精度为1%的精密电阻，用于过流保护的电压检测电阻。当板卡发生故障导致电流超过额定值之后，R10两端的压差将增大，SENSE引脚将此过流信息反馈至LTC1643L电源管理器，同时切断电源供应，起到电源过流保护的功能。
4 PCI桥接电路分析
在SpaceWire总线节点终端系统与航电计算机系统之间实现PCI通讯大致有两个方式，其一就是采用可编程器件作为一个独立的模块实现PCI协议，另一种方式就是采用专用PCI协议芯片。本系统的设计出于性能稳定性和结构简易性方面的考虑，选择用PLX公司生产的PCI9056集成芯片，该芯片可以设置成多种传输模式，完成SpaceWire总线节点与航电设备之间的通信桥接功能。 在PCI9056与本地FPGA之间的通信分为直接主模式（Direct Master Mode）、直接从模式（Direct Slave Mode）和DMA模式。由于PCI通信要求达到SpaceWire总线网络的2Mbit/ s至400Mbit/s通讯速率（本板卡实现了200Mbit/s），这里采用的芯片时钟频率为66MHz，传输模式为直接从模式，工作时序如图3所示，PCI9056为主芯片，FPGA为从芯片。
行高效的数据通信，FPGA内部划出了一部分内存以配置成双口RAM的形式完成PCI9056对SpaceWire数据的收发以及相应控制寄存器的控制传输。
5 Windriver软件的驱动生产
通过PLXMON软件对PCI9056的配置芯片进行配置后，可以利用Windows操作系统中WinDriver自动生成PCI驱动程序，步骤如下：首先启动WinDriver Wizard，从开始菜单，选择“程序 | WinDriver | Driver Wizard”；然后在Driver Wizard 菜单，单击“File New Project”菜单来新建一个工程，从即插即用列表中选择显示卡，通过生产商的名字来选定。单击“Memory”标签。该显示卡的三个内存范围显示出来。内存范围中的BAR2映射的是FPGA内的RAM缓存块和专用寄存器，根据FPGA内核对这些缓存块和寄存器的可读写定义，可以在BAR2映射的区域里进行读写，若写进去的数值跟读出来的数值一致，表面CPCI接口通信正常。最后一步为生成驱动代码：单击“Build | Generate code”菜单， Driver Wizard 将产生操作硬件资源的函数，可以在用户模式下在应用程序中直接使用这些函数，这个向导还会产生一个样本程序来使用这些函数操作硬件，上层界面的开发可以直接调用这些API函数。
6 总结
本文是珠海欧比特公司为面向我国航天应用研发的一款SpaceWire总线节点终端板卡的一个实际应用设计方案，并根据此方案完成了对每个功能模块的结构和功能分析，欧比特公司此已经对方案设计申请了专利保护。此方案对今后SpaceWire总线在其它任务中的应用具有重要的借鉴意义。
参考文献：
[1] EMBC3000-CPCISPW型SpaceWire节点通讯板卡使用说明书.欧比特控制工程股份有限公司.2013.
[2] 康咏岐.面向航天应用的SpaceWire节点单元的IP核设计与实现[J].微电子学与计算机，2005，22（9）：120-123。
[3] 陈健飞，曹松.SpaceWire总线接口终端的设计与实现[J].微计算机信息：2010，26（82）：123-124。
[4] LTC1643L datasheet，PCI-Bus Hot Swap Controller，LINEAR TECHNOLOGY.
[5] PCI 9056 Data Book， PLX TECHNOLOGY.