基于FPGA的高速實時/回放分級復接器設計

3.3 存儲和調(diào)度算法設計

AOS高速實時 /回放分級復接器的設計重點在于虛擬信道調(diào)度的算法。高速率、高信道利用率的虛擬信道調(diào)度策略的設計是分級復接器設計的關鍵技術之一。調(diào)度策略算法的合理設計將保證AOS高速實時 /回放分級復接器能夠高效、有序地完成存儲和復接傳輸?shù)墓δ苋蝿?。本設計的虛擬信道調(diào)度算法框圖如圖 2所示。

在各級工作狀態(tài)下，首先由信源速率確定各虛擬信道的優(yōu)先級。然后復接器根據(jù)各數(shù)據(jù)源緩存區(qū)和存儲單元的存儲空滿狀況確定接入的虛擬信道。

在第一級復用狀態(tài)下，被選擇接入的虛擬信道業(yè)務數(shù)據(jù)單元將以CCSDS AOS的標準幀格式存入存儲單元，存儲單元的寫使能僅在接入有效數(shù)據(jù)幀時打開，保證只有有效的數(shù)據(jù)幀才能進入存儲單元，以節(jié)省存儲空間。進入在第二級復用狀態(tài)以后，存儲單元中的歷史數(shù)據(jù)與其他路實時數(shù)據(jù)一起復接下行，各路異步數(shù)據(jù)緩存根據(jù)現(xiàn)有存儲狀況向虛擬信道調(diào)度模塊發(fā)出傳輸請求，虛擬信道調(diào)度模塊根據(jù)優(yōu)先級策略選擇接入的異步信道。如果沒有有效的異步數(shù)據(jù)，則根據(jù)填充機制發(fā)送填充數(shù)據(jù)。

對于AOS高速實時/回放分級復接器而言，傳輸幀主幀頭中的虛擬信道標識、虛擬信道幀計數(shù)和回放標志的設計是存儲和虛擬信道調(diào)度的關鍵標識。虛擬信道標識區(qū)分了接入信道的各路數(shù)據(jù)，回放標志區(qū)分了實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，而虛擬信道幀計數(shù)記錄了每一路信道各幀數(shù)據(jù)的先后順序。為了保證地面接收到載荷數(shù)據(jù)以后可以完整、無誤、便捷地還原歷史數(shù)據(jù)，兩級復接成幀時使用了統(tǒng)一的虛擬信道幀計數(shù)和虛擬信道標識。這樣在發(fā)送端經(jīng)過兩次復接之后下行的數(shù)據(jù)，在地面接收端只要進行一次解幀就可以還原。因此使用這種靈活的設計，不必改變現(xiàn)有的地面接收設備，使AOS高速實時/回放分級復接器具有很強的可移植性。兩級復接后歷史數(shù)據(jù)信道主幀頭的仿真結果如圖 3所示。

3.4 硬件驗證演示系統(tǒng)及測試結果

搭建如圖4所示的驗證演示系統(tǒng)，對AOS高速實時 /回放分級復接器的功能進行驗證。在演示系統(tǒng)的發(fā)送端，圖像數(shù)據(jù)轉換為碼流，和科學實驗數(shù)據(jù)一起作為高速分級復接器的信號源，進入復接器為信號源準備的緩存區(qū)中。經(jīng)高速分級復接器復接下行后，成為一路串行輸出。接收端將接收到的串行碼流經(jīng)過幀同步后送到接收與分路處理設備進行虛擬信道分路，并提取各虛擬信道的業(yè)務數(shù)據(jù)單元，最后送到計算機終端，在計算機終端可以分別看到恢復完整的科學實驗數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。

測試結果表明， AOS高速實時/回放分級復接器可以較好地進行存儲和復接任務，各虛擬信道數(shù)據(jù)保持流暢，無丟失現(xiàn)象，串行輸出速率為50Mbps。

4．結束語

本文介紹了 CCSDS協(xié)議高級在軌系統(tǒng)的復用方式和AOS傳輸幀結構，提出了兩級復用的構想，探討了AOS實時/回放分級復接器的硬件實現(xiàn)和技術方案。由于采用FPGA大規(guī)模邏輯器件，同時對AOS協(xié)議進行了合理的剪裁，使設計體積小、性能靈活且易于移植。本課題的研究將為航天應用工程中數(shù)據(jù)處理關鍵設備的集成提供思路，對進一步研制輕小靈活、高效適用的星載數(shù)據(jù)管理設備具有指導意義。

本文作者創(chuàng)新點：第一，提出了兩級復用的理念，充分利用全異步復用靈活及高效的特點，通過對CCSDS AOS協(xié)議進行合理的剪裁，使兩級復用相互配合，完成兼顧存儲、復接和回放的任務。第二，給出了基于FPGA的AOS實時/回放分級復接器的完整設計方案，設計思想靈活，在發(fā)送端經(jīng)過兩次復接之后下行的數(shù)據(jù)，在地面接收端只要進行一次解幀就可以還原，不必改變原有的地面接收設備，具有很強的可移植性。