基于CPCI接口的SpaceWire總線通訊模塊設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著航天技術(shù)的進(jìn)步和衛(wèi)星與高空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展, 需要一種高速、可擴(kuò)展、低功耗、低成本的通用通訊鏈路接口來(lái)滿足星載高速數(shù)據(jù)傳輸要求。SpaceWire 總線標(biāo)準(zhǔn)就是一種高速的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全雙工的串行總線網(wǎng)絡(luò), 以IEEE1355-1995和LVDS 兩個(gè)商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合而提出的一種星載數(shù)據(jù)總線。本文在研究SpaceWire 總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，分析了基于CPCI接口的SpaceWire節(jié)點(diǎn)通訊板卡的硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，并著重分析CPCI接口電路電源管理功能、PCI橋接電路以及上位機(jī)軟件驅(qū)動(dòng)的生成原理。

　　1 SpaceWire概述

　　SpaceWire 是為更好地滿足星載設(shè)備間高速數(shù)據(jù)傳輸需求而提出一種高速的(2Mbit/s至400Mbit/s，目前實(shí)現(xiàn)的宇航級(jí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的速度為200Mbit/s)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全雙工的串行總線網(wǎng)絡(luò)，在2003年1月正式成為歐空局標(biāo)準(zhǔn)。它的提出主要致力于航天器內(nèi)有效載荷系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制信息的處理, 以滿足未來(lái)高性能高速數(shù)據(jù)傳輸為目標(biāo), 提供了一種統(tǒng)一的用來(lái)連接傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、大容量存儲(chǔ)器、遙測(cè)子系統(tǒng)以及電地支持設(shè)備EGSE ( electronic ground support equipment ) 的基礎(chǔ)架構(gòu)。

　　SpaceWire 標(biāo)準(zhǔn)具體包括了鏈路、節(jié)點(diǎn)和路由三方面的內(nèi)容。本文著重討論節(jié)點(diǎn)的功能，所謂SpaceWire 節(jié)點(diǎn), 是指?jìng)鬏敯牧鞒鲈O(shè)備或者流向設(shè)備, 可以是處理器、存儲(chǔ)單元、傳感器、電地支持設(shè)備( EGSE ) 或連接在SpaceWire總線網(wǎng)絡(luò)上的其它單元。

　　2 SpaceWire節(jié)點(diǎn)通訊板卡硬件設(shè)計(jì)

　　EMBC1000-CPCISPW是歐比特公司自主研制的完全遵循并實(shí)現(xiàn)ECSS-E-ST-50-12C協(xié)議規(guī)范的航天設(shè)備間的高速SpaceWire數(shù)據(jù)總線的，支持熱插拔的CPCI接口的節(jié)點(diǎn)終端通訊板卡(本板卡實(shí)現(xiàn)了200Mbit/s的速率)。此SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)通訊板卡可以嵌入在航天子系統(tǒng)中，將航天子系統(tǒng)中與其它SpaceWire網(wǎng)絡(luò)之間連接，保證航天子系統(tǒng)之間高速、實(shí)時(shí)、確定、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。硬件架構(gòu)如圖l所示，分為FPGA控制模塊、CPCI接口電源管理模塊、MDM9S接口模塊和SRAM緩存模塊。各模塊的功能如下：

　　FPGA控制模塊：FPGA采用Altera公司的EP3C55F484I7N芯片，時(shí)鐘頻率采用80MHz，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)SpaceWire總線傳輸速率，F(xiàn)PGA內(nèi)部采用了PLL對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行了分頻，實(shí)現(xiàn)4路SpaceWire總線通信協(xié)議接口功能，硬件實(shí)現(xiàn)LVDS信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)緩存并與PCI9056通信接口等功能;

　　SRAM緩存器：4M字節(jié)的SRAM用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)SPW總線收發(fā)機(jī)制中產(chǎn)生的大容量高速數(shù)據(jù)的緩存功能;

　　MDM9S接口模塊：MDM9S接口實(shí)現(xiàn)FPGA的LVDS信號(hào)與外部SPW設(shè)備之間的接口功能;

　　PCI接口模塊：實(shí)現(xiàn)PCI總線的接口協(xié)議功能，通過(guò)CPCI接口實(shí)現(xiàn)FPGA與上位機(jī)軟件間進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)支持熱插拔的板卡的電源管理功能;

　　電源管理模塊：與PCI9056芯片以及CPCI接口共同完成設(shè)備的電源熱插拔功能。

　　3 CPCI接口電源電路分析

　　PCI設(shè)備的熱插拔功能主要用于具備CPCI接口的裝置，熱插拔功能允許板卡隨意從設(shè)備中插拔而不影響裝置操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電源芯片電路如圖2所示，LTC1643L是一個(gè)允許CPCI型設(shè)備進(jìn)行安全插入和拔出的電源管理控制器，將系統(tǒng)的CPCI插槽電源接入到SpaceWire板卡，圖中IRF7413是一個(gè)N型MOS管，用于控制3.3V和5V的電源通斷供應(yīng)，而-12V和+12V電源由片上開(kāi)關(guān)供應(yīng)，所有的電壓的上升時(shí)間可以達(dá)到一個(gè)可編程的速率，同時(shí)該芯片還具備電源過(guò)流故障時(shí)的短路保護(hù)。