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空间数据网络用于星上各种设备之间的通信和数据交换,是整个星载电子系统的关键部件之一。随着窄间探测技术的发展,卫星上携带了越来越多的探测设备和仪器,这就导致了星载电子设备产生和待处理的数据总量迅猛增长,对空间数据网络的可靠性、灵活性和传输速度提出了更高的要求。
SpaceWire作为欧空局(ESA)在2003年提出的一种串行,高速,点对点,全双工的数据网络标准,能够更好地满足现代空间数据网络高速数据传输的需求。它以IEEE1355-1995和LVDS标准(ANSI/TIA/EIA-644)为基础,专门面向空间应用。目前ESA,美国航天局(NASA)和日本宇宙航空开发机构(JAXA)等组织对该标准开展了很多研究,已成功应用于众多国际空间任务中。
本文在充分调研的基础上,首先阐述了SpaceWire总线的国内外应用发展现状,明确了本文的研究方向和主要工作内容。然后以实际工程应用为目标,对构建SpaceWire空间数据网络的2种类型终端开展了系统深入的研究,设计了符合SpaceWire协议规范的编解码器(Codec)IP核和8端口的路由器(Router)IP核。接下来,在对SpaceWire空间数据网络建模分析的基础上,提出了一种提供网络服务质量(QoS)保证的SpaceWire传输层协议,并完成了它的运行机制、操作类型和数据包格式设计,给出了FPGA实现的硬件设计。对上述完成RTL编码后的设计进行仿真,验证了设计的合理性和正确性,并测试了网络传输时延和传输效率等参数。最后,在开发的SpaceWire网络测试验证平台上搭建各种硬件验证系统,综合测试了设计的功能实现和性能指标。
论文的主要创新点可归纳如下:
1.提出了一种硬件可实现,具有传输时延、可靠性等网络服务质量保证机制的SpaceWire传输层协议,并完成了协议的硬件结构和关键电路设计。该协议相对目前其它SpaceWire上层协议标准在保证网络QoS方面做了特别强化。其中提出的创新性思想包括:基于发送窗口的数据包微片化传输与超时重传,面向连接的优先级抢占式传输和基于全局时隙的异步数据包与同步数据包混合传输。
2.设计并实现了一种可配置的低功耗SpaceWire Codec IP核,它能够根据传输字符类型自适应调整发送数据率。该设计符合SpaceWire协议规范,与标准设备互联时兼容性良好。通过仿真与板级测试验证,该Codec芯片收发数据率可达200Mbits/s时,传输性能优于ESA的同类IP核,数据率切换延时低于120ns,相对标准协议终端的功耗改善明显。
3.提出了一种流水线式CrossBar仲裁架构,应用该仲裁逻辑的SpaceWire路由器可完备实现基于优先级的轮询仲裁和自适应群组路由功能。通过仿真与板级验证表明,该结构较传统CrossBar架构的资源占用更省,路由器仲裁延时降低至100ns～125ns,该指标优于欧洲航天器使用的主流ASIC芯片AT7910E。
本课题完成的SpaceWire Codec和Router IP核在实现性能、功能完备性、硬件可实现性等方面都处于目前国内同类芯片设计的前列,经过后续的在轨测试验证后,可应用于SpaceWire相关终端设备和SOC系统开发及更多航天型号任务中,具有较强的实用价值。本课题对SpaceWire传输层协议及其硬件实现方面的研究探索,对未来SpaceWire网络技术的相关研究,具有启发和借鉴意义。