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基于S698PM星间高速路由器主板的设计研究

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【摘要】:
摘  要: 卫星网络由多颗卫星和地面站组成,星间通过高度激光链路通信,卫星网络的核心之一就是星间路由器。星间路由器长期工作在宇宙空间辐射环境中,各种辐射效应是导致星载计算机在运行期间发生故障的主要原因。各类容错技术,纷纷被用于星载计算机中以提高系统的可靠性,对于保证卫星网络间的通信具有重要意义。S698PM芯片是一款优秀的国产抗辐射型高性能宇航级SOC芯片,具有三模冗余加固、检错纠错加固技术,并具

 基于S698PM星间高速路由器主板的设计研究

董文岳,杨烜

(珠海欧比特宇航科技股份有限公司,广东 珠海 519080

 卫星网络由多颗卫星和地面站组成,星间通过高度激光链路通信,卫星网络的核心之一就是星间路由器。星间路由器长期工作在宇宙空间辐射环境中,各种辐射效应是导致星载计算机在运行期间发生故障的主要原因。各类容错技术,纷纷被用于星载计算机中以提高系统的可靠性,对于保证卫星网络间的通信具有重要意义。S698PM芯片是一款优秀的国产抗辐射型高性能宇航级SOC芯片,具有三模冗余加固、检错纠错加固技术,并具有强劲的计算性能和丰富的宇航总线接口,因此,设计一款基于S698PM星间路由器主板是非常有必要的。

关键词星间路由器;S698PM;抗辐射;EDAC

中图分类号TN915             文献标识码A      文章编号:

Design of Computer control system based on S698-T

Wenyue Dong, Xuan Yang

 (Orbita (Zhuhai) Control Engineering Co., Ltd. Guangdong, Zhuhai, 519080)

AbstractThe satellite network consists of multiple satellites and ground stations. The stars communicate through a high-speed laser link. One of the cores of the satellite network is the inter-satellite router. The inter-satellite router has long been working in the space radiation environment, and various radiation effects are the main causes of failure of the onboard computer during operation. Various types of fault-tolerant technologies have been used in on-board computers to improve the reliability of the system, which is of great significance for ensuring communication between satellite networks. The S698PM chip is an excellent domestic radiation-resistant high-performance aerospace-class SOC chip with three-mode redundancy reinforcement, error detection and error correction technology, and powerful computing performance and rich aerospace bus interface. Therefore, design a Based on the S698PM inter-satellite router motherboard is very necessary.

 Key wordsInter-satellite router; S698-PM; LEON4 core; Radiation resistant;

  

 

 

卫星网络由多颗卫星和地面站组成,星间通过高速激光链路通信,卫星系统的业务数据、指令、测控及网络管理信息,其交换均在星上完成,卫星网络的核心之一就是路由器。

研究和开发基于S698PM星间路由器主板不仅可以满足日益增长的航天任务的需求,而且对于保障卫星之间的正常通讯,提高卫星的可靠性,打破国外对于高性能器件的封锁,自主发展我国星间路由技术有极为重要的意义。

设计需求

1.1 指标要求

基于S698PM星间路由器主板具有高可靠性、高性能、低功耗、体积小、重量轻、高算力、容错好、可重构、自适应、分布式等特点。其具体指标如下:

1) 符合Space VPX 6U标准;

2) 功耗≤7 W

3) 总重量≤2kg

4) 处理速度:1500MIPS900MFLOPS

5) 星上时钟稳定度:自守时应满足2×10-6/s,并支持授时、集中校时、均匀校时;分辨率为1ms

6Flash存储器: 16M*40bit(带EDAC);SDRAM存储器: 512K*40bitDDRII 数据存储器(带EDAC): 128M*40bit

7)操作系统Vxworks

1.2 对外接口要求

路由器主板模块对外接口说明如下表:

序号

接口名称

数量

接口形式

信号方向

1.          

电源接口

1

+5V

输入

2.          

UART输入接口

1

40Mbps

输入

3.          

UART输出接口

1

40Mbps

输入

4.          

以太网接口

1

以太网

输入

5.          

JTAG调试接口

1

JTAG

输出

6.          

DSU调试接口

1

 

输入

7.          

1553B接口

4

1553B

双向

 

2系统设计

基于S698PM星间路由器主板采用CPU+FPGA构架, CPU实现1553B、以太网、串口接口引出及存储功能,FPGA负责NFLASHCPCI接口引出,与其他板卡进行通讯,CPU负责数据处理。

CPU选型为由欧比特公司生产的自主可控宇航级SPARC V8处理器S698PM四核芯片; FPGA选型为XC7K325TFFG900,有325万门电路。

3.1组成及工作原理

基于S698PM星间路由器主板原理框图如下: 

 

基于S698PM星间路由器主板原理框图

S698PM星间路由器主板是基于VPX 6U模块标准进行设计,主要有CPU最小系统、FPGA最小系统、各类接口电路以及电源电路组成。

CPU采用珠海欧比特公司自主研制的高性能、高可靠、高集成度、低功耗的多核并行处理器SOC芯片S698PM,通过并行总线与FPGA实现数据交互,通过S698PM的带EDAC功能的MMU单元,设计带EDAC功能的16M*40bit FLASH512K*40bit SRAM以及带EDAC功能的128M*40bitDDR II

FPGA设计接口逻辑,外接接口驱动电路,实现相关接口功能。

另外作为VPX模块,该计算机模块VPX接口设计了电源模块以及CPCI总线接口。

3.2 S698PM最小系统电路

基于S698PM星间路由器主板的S698PM最小系统电路主要包括:DSU电路;JTAG电路;时钟电路;倍频电路;复位电路; EDAC加固的40FLASH电路;带EDAC加固的40DDR II电路,40位的SDRAM电路; FPGA互联电路。框图如下:

 

3.2 软件设计

本机的软件按功能可以分为以下几种,引导程序、实时操作系统、驱动程序和应用程序。其中应用程序又可以分为功能测试程序和正式装星程序。引导程序是硬件加电后执行的第一个程序,主要负责CPU寄存器的初始化,硬件资源的初始化,软件上载,支持EEPROMFLASH的在线编程,引导应用程序执行。

操作系统选用Vxworks,主要原因是Vxworks稳定可靠、实时性强、性能高、核心代码短小精湛。

引导程序用于完成硬件初始化、资源分配,实现应用软件的上载、引导及删除功能;

软件上载后,存放在可擦写的FLASH中,该存储器分为3个区间,分别存放控制卡应用软件、主处理软件和预处理软件,为每个软件分配的空间大小为256KB64KB64KB

上载软件通过RS232总线分帧注入,每帧含有软件块信息,引导软件根据软件块序号将上载的软件存放在不同的位置中。当收到“软件删除”的指令后,根据参数将相应的软件进行删除。

4结论

基于S698PM星间路由器主板可改进成在空间环境中使用的星间路由器主板,其强大的处理能力将确保卫星系统间的通信正常,一定程度上推动我国卫星系统的建设,而且采用国产CPU对我国航天事业的独立自主安全发展有重要意义。

参考文献:

[1] S698PM芯片使用说明书,珠海欧比特宇航科技控制股份有限公司,2018年。

[2]基于高性能多核片上系统芯片的计算机系统使用说明书,欧特控制股份有限公司,2018年。

 

 

 

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