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SpaceWire路由器研究与优化

2020-12-11阅读(88)

SpaceWire路由器研究与优化

论文摘要

近年来，随着空间探测任务的深入，星载任务朝着多样化、复杂化发展。这就导致了星载设备大幅增加，它们之间的通信数据量也爆发式的增长。因此，对空间总线的高速、高可靠性、灵活性提出了更高的要求。SpaceWire总线是欧空局（ESA）于2003年提出的一种高速、串行、点对点、全双工的数据通信标准。它是在IEEE1355-1995和LVDS标准（ANSI/TIA/EIA-644）基础上，面向空间应用研究而成。目前国内外已有许多学校、机构都展开了对SpaceWire总线的相关研究，多个国家也已将SpaceWire总线成功应用于多个航天任务中。目前，国内大多停留在对SpaceWire相关IP设计及上层协议的开发应用方面，对于SpaceWire在卫星综合电子系统上的研究、设计与应用基于处于空白。对于在卫星综合电子系统如何用SpaceWire、使用的性能如何，并没有系统的研究。项目SpaceWire智能芯片演化开发系统正是为解决这两个问题而成立的。本文SpaceWire路由器研究与优化是这个项目的一部分，是在成熟的SpaceWire IP基础上，围绕着对SpaceWire路由器的高速、高可靠、高时间同步精度方面展开研究。本文根据项目需求设计了SpaceWire节点控制器和V8-Router两种硬件电路板，并在这两板上的FPGA实现了SpaceWire节点、路由器等相关功能；然后在通过SpaceWire智能芯片演化开发系统的测试分析，进行进一步优化，最后得出测试结果。论文在以下方面对SpaceWire路由器进行了研究与创新：1.提出了一种新时间同步机制。此机制能大大提高SpaceWire网络的时间同步精度，在33Mbps的网络均速下，能保证SpaceWire中各个节点、路由器之间的时间误差在4us以内，这远远低于ECSS-E-50-12C协议中所提到的10us。并且将这机制实现在了仿真平台中的各节点、路由器中，经过多次长时间测试，均能保证小于4us的误差。2.设计了四相移位采样方法，并将其用在SpaceWire路由器中，提升了路由器的通信带宽。3.在SpaceWire路由器中丰富了用户端口。通过此端口，路由器能执行用户给出配置路由表、获取路由表信息、控制路由器外部各个端口的链路连接状态等多个命令。4.通过监听SpaceWire路由器来研究SpaceWire网络通信性能是本文的最大创新点。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 图目录
  • 表目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题目的与意义
  • 1.3 SPACEWIRE 总线国内外研究现状
  • 1.3.1 国内外研究现状
  • 1.3.2 国内外应用现状
  • 1.4 论文组织结构
  • 第二章 SPACEWIRE 协议
  • 2.1 SPACEWIRE 协议
  • 2.1.1 物理层
  • 2.1.2 信号层
  • 2.1.3 字符层
  • 2.1.4 交换层
  • 2.1.5 数据包层
  • 2.1.6 网络层
  • 2.2 本章小结
  • 第三章 SPACEWIRE 智能演化芯片开发系统半物理仿真平台整体设计
  • 3.1 SPACEWIRE 智能芯片演化系统物理仿真平台需求分析与设计
  • 3.1.1 通信节点仿真平台
  • 3.1.2 监控演化系统
  • 3.1.3 SpaceW ire 智能芯片演化系统物理仿真平台设计
  • 3.2 ARM 型通信节点板设计
  • 3.3 V8-ROUTER 板硬件设计
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 智能 SPACEWIRE 节点控制器设计
  • 4.1 通用主机接口模块设计
  • 4.1.1 数据缓冲区设计
  • 4.1.2 CPU主机接口
  • 4.1.3 数据收、发控制器
  • 4.1.4 寄存器设计与说明
  • 4.2 SPACEWIRE CODEC IP 研究与优化
  • 4.2.1 接收模块研究与优化
  • 4.2.2 接收、发送 FIFO
  • 4.2.3 发送模块设计
  • 4.2.4 状态机
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 SPACEWIRE 路由器研究与优化
  • 5.1 用户配置端口
  • 5.2 缓冲区（FIFO）
  • 5.3 SPACEWIRE 路由器交换模块整体结构
  • 5.3.1 Entrance模块
  • 5.3.2 路由表
  • 5.3.3 交叉矩阵
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 时间码机制
  • 6.1 协议中时间码机制
  • 6.2 优化的时间码传输机制
  • 6.3 优化后的时间同步设计
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 监控模块设计
  • 7.1 监控内容分析与监控模块整体设计
  • 7.2 监听内容分析
  • 7.2.1 监控信息量分析
  • 7.3 信息采集模块设计
  • 7.3.1 信息缓冲设计
  • 7.3.2 信息块包格式设计
  • 7.4 信息存储控模块制设计
  • 7.4.1 信息采集模块接口设计
  • 7.4.2 MLVDS可重构总线接口与 SDRAM 接口
  • 7.5 本章小结
  • 第八章 SPACEWIRE 路由器测试与结果分析
  • 8.1 SPACEWIRE 总线测试网络介绍
  • 8.2 SPACEWIRE 路由器测试方法
  • 8.2.1 数据包延时测试方法
  • 8.2.2 误码率测试方法
  • 8.3 测试结果分析
  • 8.3.1 路由器速率测试结果分析
  • 8.3.2 用户端口命令配置测试结果分析
  • 8.3.3 时间同步精度测试结果分析
  • 8.3.4 延时及误码率测试结果分析
  • 8.4 本章小结
  • 第九章 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果

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