基于轉(zhuǎn)換模塊的空間即插即用綜合電子系統(tǒng)研究

汪明曉，岳曉奎，馬衛(wèi)華，賀 亮

（1.西北工業(yè)大學 航天學院，陜西 西安 710072；2.上海航天控制工程研究所 上海 200233）

現(xiàn)有的航天系統(tǒng)研制模式?jīng)Q定了航天器的研制周期長、研制成本高、發(fā)射準備時間長、發(fā)射昂貴。傳統(tǒng)航天器在軌運行過程中，一旦由于各種原因出現(xiàn)故障，幾乎不能實現(xiàn)在軌維修或及時補充，將直接導(dǎo)致任務(wù)的失敗。為了實現(xiàn)航天器的快速研發(fā)、快速發(fā)射、在軌維護，降低成本，需發(fā)展新的航天系統(tǒng)研制模式。

即插即用技術(shù)定義了一種兼容的系統(tǒng)框架，軟硬件可以自由的加入到該框架中，及時有效地形成更復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)。已經(jīng)成為人類日常活動不可或缺的PC機采用的就是這樣一種即插即用框架，它具有一系列標準的端口，各種具有相似接口的組件可以方便、自由加入到系統(tǒng)中，如鼠標、鍵盤、板卡等。如果能夠定義適當?shù)南到y(tǒng)框架，即插即用概念也可以應(yīng)用于其他系統(tǒng)中，如航天系統(tǒng)。國外，主要是美國，在2004年就開始著手研究將PC機領(lǐng)域的即插即用技術(shù)進行擴展，應(yīng)用到航天領(lǐng)域，實現(xiàn)航天系統(tǒng)的快速、低成本研制、發(fā)射與運行，取得了一系列成果，如接口標準、軟件框架，并已經(jīng)在多個航天任務(wù)中進行了演示驗證。

本文將對國外在航天領(lǐng)域即插即用技術(shù)研究現(xiàn)狀進行研究分析，給出空間即插即用技術(shù)相關(guān)的問題與約束、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景。研究了一種基于轉(zhuǎn)換模塊的空間即插即用技術(shù)[1]驗證系統(tǒng)，分析了空間即插即用技術(shù)的功能、組成，給出了轉(zhuǎn)換模塊的主要功能、信息交互流程、組成與工作流程，介紹了利用FPGA與ARM開發(fā)的轉(zhuǎn)換模塊，同時設(shè)計了轉(zhuǎn)換模塊的研制方案，給出了基于轉(zhuǎn)換模塊的空間即插即用驗證系統(tǒng)的開發(fā)與測試，驗證了基于轉(zhuǎn)換模塊的空間即插即用技術(shù)的可行性與技術(shù)特點。

1 空間即插即用技術(shù)研究現(xiàn)狀

21世紀初期，國際標準委員會的空間數(shù)據(jù)與信息轉(zhuǎn)化機構(gòu)開始研究用于航天器在軌信息交互的新技術(shù)[1]?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)合作委員會 （CCSDS）開展衛(wèi)星在軌信息系統(tǒng)研究（SOIS）[2]。SOIS意在探究用于靈活搭建衛(wèi)星在軌信息系統(tǒng)的新技術(shù)標準，它可能的發(fā)展方向就是即插即用，SOIS第一次將開放的計算機標準引入到航天器領(lǐng)域。

2004年，美國空軍研究實驗室（AFRL）為了解決空間平臺的快速設(shè)計、制造、裝配與集成等快速響應(yīng)問題，正式開展作戰(zhàn)響應(yīng)空間 （Operationally Responsive Space：ORS）計劃。ORS確定利用空間即插即用技術(shù)對航天器內(nèi)部設(shè)備進行優(yōu)化重構(gòu)，實現(xiàn)航天器更快的響應(yīng)能力。第一個空間即插即用電子系統(tǒng)工作組于同年組成，第一個適用于空間系統(tǒng)的標準協(xié)議選擇的是USB1.1，并在此基礎(chǔ)上，進行了擴展與修改。2007年，由該組織開發(fā)形成了現(xiàn)在國際上唯一公開的衛(wèi)星模塊化即插即用接口標準，即空間即插即用電子系統(tǒng)標準（Space Plug-and-Play Avionics：SPA）[1]， 它是在外嵌式傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念上發(fā)展而來的，它的官方定義是：一套用于促進航天器總線平臺和有效載荷快速開發(fā)的接口驅(qū)動式標準。該組織提出了一系列核心原理，包括基于USB和Spacewire標準設(shè)計的空間即插即用接口標準“SPA-U”[1-3]和“SPA-S”[4-7]。

自從ORS和SPA提出之日起，國外對空間即插即用技術(shù)開展了一系列的研究與驗證項目，如美國國防轉(zhuǎn)型辦公室領(lǐng)導(dǎo)的戰(zhàn)術(shù)星技術(shù)[8]（TacSat1-TacSat4）、NASA的 ST-5星座計劃、AFRL的作戰(zhàn)響應(yīng)空間先進技術(shù)研究計劃（RSATS）、堪薩斯大學的技術(shù)評估衛(wèi)星計劃等。2004年開始的即插即用衛(wèi)星項目（PnPSat）[9-11]，是AFRL在SPA基礎(chǔ)上，基于即插即用和模塊化設(shè)計理念研制的衛(wèi)星平臺，其體系結(jié)構(gòu)集中體現(xiàn)了即插即用和模塊化設(shè)計理念的核心思想。目前國際上唯一公開的，也是發(fā)展最為成熟的衛(wèi)星模塊化即插即用標準SPA主要包括4個組成部分[12]：

1）即插即用物理接口：SPA-x（如 SPA-I、SPA-U、SPA-S、SPA-O和SPA-E）

2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型（Satellite Data Model：SDM）

3）基于 XML的電子數(shù)據(jù)描述表單（XML Transducer Electronic Data Sheet：xTEDS）

4）公用數(shù)據(jù)字典（Common Data Dictionary：CDD）。

2 即插即用技術(shù)的基本功能

即插即用是指不需要跳線和手動軟件配置過程，當在支持即插即用的平臺上插入一個即插即用設(shè)備時，可以在運行過程中動態(tài)的進行檢測與配置。從這個定義的表述看，即插即用的實現(xiàn)要完成自動檢測與軟件自動配置兩項基本工作。所謂自動檢測就是在系統(tǒng)運行時，可以通過某種方式，檢測到設(shè)備存在或是插入這樣的實際動作，從而得知有新的設(shè)備加入到硬件系統(tǒng)中；而自動配置就是在檢測到設(shè)備后，自動的為該硬件分配系統(tǒng)資源，加載驅(qū)動程序，然后告訴操作系統(tǒng)可以對該設(shè)備進行操作以及操作的途徑和方法，同時告知設(shè)備都做了什么。即插即用的任務(wù)是把物理設(shè)備和軟件相配合，在每個設(shè)備和它的驅(qū)動程序之間建立通信信道。

在以上分析的基礎(chǔ)上，即插即用技術(shù)主要涉及到以下基本功能：

1）設(shè)備的發(fā)現(xiàn)與識別功能：該功能主要實現(xiàn)設(shè)備連入硬件系統(tǒng)中后，系統(tǒng)對該設(shè)備的自動檢測，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備的連入，并獲取該設(shè)備的描述信息，根據(jù)描述信息對該設(shè)備基本特點進行解析。

2）設(shè)備參數(shù)的自動配置功能：在功能1）的基礎(chǔ)上，該功能主要實現(xiàn)對設(shè)備參數(shù)的識別、系統(tǒng)資源的配置、驅(qū)動程序的啟動，然后將該設(shè)備的功能告知系統(tǒng)，并廣播該設(shè)備的連入與功能；

3）通信通道的建立：該功能主要實現(xiàn)系統(tǒng)中兩設(shè)備之間通信通道的建立、維護和取消，實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)、命令的傳輸與管理。

3 轉(zhuǎn)換模塊功能與組成

即插即用最終想實現(xiàn)的一個主要目標是上層軟件與物理設(shè)備的無關(guān)性，上層軟件將不再與繁瑣的硬件參數(shù)和接口函數(shù)綁在一起。衛(wèi)星的外部設(shè)備都是通過描述文件進行功能的抽象，上層應(yīng)用調(diào)用設(shè)備時不再依靠設(shè)備的接口函數(shù)，而是依靠描述文件的描述，通過星務(wù)管理軟件向設(shè)備發(fā)送消息；設(shè)備也不是直接執(zhí)行指令，而是通過轉(zhuǎn)換模塊將消息翻譯成設(shè)備可執(zhí)行的指令；星務(wù)管理軟件屏蔽了硬件的物理地址信息，并有意不區(qū)別硬件設(shè)備與軟件服務(wù)功能上的差別。以上特性使得即插即用衛(wèi)星上層軟件移植性、可重用性都非常高，上層軟件完全不會受到新設(shè)備的影響；當?shù)讓佑布O(shè)備型號發(fā)生改變時，只需修改轉(zhuǎn)換模塊中的翻譯代碼，并保證新型號設(shè)備的描述文件與舊型號設(shè)備的一致，上層應(yīng)用就不會受到影響，以上特性極大地提高了即插即用衛(wèi)星上層軟件的可重用性，降低了衛(wèi)星軟件的研發(fā)成本。在這一特性的實現(xiàn)中主要是轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。

3.1 轉(zhuǎn)換模塊主要功能

轉(zhuǎn)換模塊主要功能：實現(xiàn)設(shè)備機械接口與電氣接口的統(tǒng)一，另外，轉(zhuǎn)換模塊還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與通信接口的統(tǒng)一，定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式與傳輸協(xié)議，實現(xiàn)星載機與轉(zhuǎn)換模塊之間的交互是通用的格式，實現(xiàn)星載機的軟件與硬件單機的同步開發(fā)，而不是傳統(tǒng)方法中的，先生產(chǎn)出硬件單機，再根據(jù)硬件單機的數(shù)據(jù)接口與通信協(xié)議，來設(shè)計實現(xiàn)星載機的軟件，這樣可以實現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)時間短，軟件的移植性、重用性得到提高；除此之外，轉(zhuǎn)換模塊還需要提供設(shè)備能量管理的能力和時間同步信號，如開啟、關(guān)閉、重啟設(shè)備等。下圖給出了PnP轉(zhuǎn)換機構(gòu)在星務(wù)管理軟件、上層應(yīng)用軟件和傳統(tǒng)設(shè)備之間的連接關(guān)系，描述了轉(zhuǎn)換機構(gòu)對數(shù)據(jù)、描述信息、命令的處理與交互過程，它利用描述信息實現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備的識別與驅(qū)動，實現(xiàn)了上層應(yīng)用軟件與低層物理設(shè)備之間無關(guān)性。

3.2 轉(zhuǎn)換模塊主要組成

圖1 基于轉(zhuǎn)換模塊的即插即用系統(tǒng)信息交互流程Fig.1 Message interactive process of PnP test System

轉(zhuǎn)換模塊簡化了傳統(tǒng)設(shè)備即插即用設(shè)備的轉(zhuǎn)換過程，提供了統(tǒng)一的機械、電氣接口，同時在鏈路層與協(xié)議層上提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、通信接口。轉(zhuǎn)換模塊自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包括微處理器、設(shè)備描述信息、存貯器、測試接口、通用接口和與傳統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)的特定接口等如圖所示。

圖2 轉(zhuǎn)換模塊的系統(tǒng)組成方案Fig.2 Components of transfer mode

3.3 轉(zhuǎn)換模塊的工作流程

轉(zhuǎn)換模塊的工作流程主要有：

1）由于即插即用外部設(shè)備的即插即用特性，星載機會發(fā)現(xiàn)設(shè)備連接到系統(tǒng)中，星載機向設(shè)備的轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送讀取設(shè)備描述文件的指令；

2）設(shè)備的轉(zhuǎn)換模塊接收到指令后，會將設(shè)備描述文件信息發(fā)送給星載機，完成注冊，星載機根據(jù)描述文件中的信息對設(shè)備進行系統(tǒng)資源配置、驅(qū)動加載等操作；

3）星載機在接收到應(yīng)用程序的消費消息后，將指令發(fā)送給對應(yīng)設(shè)備的轉(zhuǎn)換模塊；

4）轉(zhuǎn)換模塊接收到消費消息后，根據(jù)存儲器上存儲的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式，將該指令解包、重新裝幀成外部設(shè)備可執(zhí)行的指令；

5）設(shè)備執(zhí)行完成后將數(shù)據(jù)、命令反饋給轉(zhuǎn)換模塊；

6）轉(zhuǎn)換模塊將結(jié)果根據(jù)對應(yīng)的協(xié)議、數(shù)據(jù)格式封裝后，反饋給星載機，完成數(shù)據(jù)、命令的交互。

具體交互過程如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換模塊的工作流程Fig.3 Workflow of transfer model

4 轉(zhuǎn)換模塊硬件設(shè)計

PnP轉(zhuǎn)換模塊主要由ARM（STM32F103）配合FPGA芯片來實現(xiàn)，通過串口對ARM-CPU進行軟件配置，可以使轉(zhuǎn)換模塊適用于不同的數(shù)據(jù)接口，不同的軟件配置可以演示驗證不同分系統(tǒng)功能。ARM通過總線實現(xiàn)對FPGA的讀寫訪問控制，將FPGA中的標準總線格式數(shù)據(jù)讀入進行處理、存儲等操作，并將自身組幀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送FPGA后通過標準總線接口發(fā)出；同時ARM本身集成了USB、CAN、RS232控制器，通過 對 USB、CAN、RS232 接口 芯 片 的控 制 實 現(xiàn) USB、CAN、RS232接口功能。FPGA主要實現(xiàn)地址譯碼、標準總線協(xié)議、接口控制等功能，具體方案與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計方案與內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Programme and structure of transfer model

在該空間即插即用驗證系統(tǒng)中，協(xié)議從下到上包括以下3層：物理層、鏈路層和應(yīng)用支持層（即協(xié)議層），如圖5所示。每一層都是獨立存在的，因此分配到各層的任務(wù)能夠獨立地執(zhí)行，這樣使得變更其中某層提供的方案時不影響其他層。數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和協(xié)議層之間，數(shù)據(jù)鏈路層由FPGA實現(xiàn)；協(xié)議層則由ARM來模擬單機設(shè)備。數(shù)據(jù)鏈路層需要實現(xiàn)物理層和協(xié)議層之間的數(shù)據(jù)交互：將物理層傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)換為可供協(xié)議層使用的數(shù)據(jù)；將協(xié)議層需要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一定格式的信號，送到物理層進行傳輸。

圖5 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Fig.5 Protocol structure of the PnP system

對于從上一層傳送下來的數(shù)據(jù)，附加在前面的控制信息稱為頭，附加在后面的稱為尾。當數(shù)據(jù)在各層間傳送時，每一層都可以在數(shù)據(jù)上增加頭和尾，而這些數(shù)據(jù)已經(jīng)包含了上一層增加的頭和尾。協(xié)議頭包含了有關(guān)層與層間的通信信息。實際物理板卡如圖6所示。

5 測試平臺的搭建與測試

綜合電子測試平臺主要包括：星載機、即插即用轉(zhuǎn)換模塊、傳統(tǒng)單機（飛輪、星敏感器、太陽敏感器、GPS和陀螺）、電源模塊和上位機（主要負責數(shù)據(jù)顯示與指令發(fā)送等功能）。測試平臺組成結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 PnP轉(zhuǎn)換模塊實際物理板卡Fig.6 Structure diagram of the PnP transfer model

綜合電子測試平臺的主體是星載機與即插即用轉(zhuǎn)換模塊。其中，星載機上運行星務(wù)管理軟件，對連入系統(tǒng)中的各個單機進行自主檢測、設(shè)備參數(shù)識別、資源配置、驅(qū)動加載、通信通道的建立與維護、數(shù)據(jù)的傳輸；即插即用轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)對傳統(tǒng)單機的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)單機連入系統(tǒng)中，自動向星載機發(fā)送加入指令，實現(xiàn)系統(tǒng)對單機的自主識別、設(shè)備描述文件的注冊、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等工作。測試前端根據(jù)星載機發(fā)送的指令，產(chǎn)生航天器軌道運行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)發(fā)給單機，實現(xiàn)單機數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。界面顯示上位機實現(xiàn)對測試前端發(fā)送的軌道數(shù)據(jù)進行STK模擬顯示，遙控上位機實現(xiàn)對系統(tǒng)中設(shè)備在線狀態(tài)的控制與通信通道的建立的控制指令發(fā)送、接收與顯示。

為了對空間即插即用技術(shù)進行測試與驗證，本文設(shè)計了兩種測試工況，分別是地面裝配即插即用基本功能測試與組合功能測試，主要是為了驗證即插即用技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域中涉及到的相關(guān)功能特點和可行性。具體的測試內(nèi)容如表1所示。

圖7 綜合電子測試平臺組成結(jié)構(gòu)Fig.7 Components of the intergrated electronic test system

表1 即插即用綜合電子測試平臺測試工況Tab.1 The contents of system test

系統(tǒng)的測試結(jié)果如下圖所示，（a）為系統(tǒng)在端口2識別到飛輪，并對其進行自主識別、分配系統(tǒng)資源、加載驅(qū)動等相關(guān)信息；（b）為系統(tǒng)識別到星敏感器失效，系統(tǒng)對取消其系統(tǒng)資源、驅(qū)動等；（c）為星敏感器與太陽敏感器進行數(shù)據(jù)交互，星載機建立它們兩者之間的通信通道，然后其進行數(shù)據(jù)通信；（d）、（e）為遙測遙控上位機顯示界面，包括數(shù)據(jù)接收、指令發(fā)送、數(shù)據(jù)顯示等模塊；（f）為系統(tǒng)識別出太陽敏感器1失效后，在一定時間內(nèi)啟動敏感器2，實現(xiàn)系統(tǒng)的重建。

由測試結(jié)果可看出，設(shè)計的轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)鹘y(tǒng)航天器單機向具有即插即用功能單機的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了單機連入系統(tǒng)后，星載機可以自主完成檢測該單機的加入、自動獲取單機的設(shè)備描述信息，給設(shè)備分配系統(tǒng)資源、加載驅(qū)動、獲取對該設(shè)備的操作方式等操作；同時，可以根據(jù)系統(tǒng)要求，建立與維護兩單機間的數(shù)據(jù)交互通道，實現(xiàn)系統(tǒng)自主的數(shù)據(jù)、功能的交互；還可以根據(jù)單機的故障情況，更換新的單機實現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)，完成系統(tǒng)的自主運行與管理等即插即用特性。

圖8 測試結(jié)果Fig.8 The results of test

6 結(jié)束語

本文首先分析了空間即插即用技術(shù)的基本特點，即完成設(shè)備自動檢測與軟件自動配置兩項工作，給出了空間即插即用技術(shù)的的基本功能，包括設(shè)備的自主發(fā)現(xiàn)與識別機制，設(shè)備參數(shù)的自動配置和設(shè)備間通信通道的建立。然后重點介紹了PnP轉(zhuǎn)換模塊的特點，它在空間即插即用技術(shù)中的作用，實現(xiàn)設(shè)備機械接口、電氣接口的統(tǒng)一，通信協(xié)議的劃分、設(shè)備描述信息的存儲與注冊，從而完成上層應(yīng)用軟件與低層物理設(shè)備之間的無關(guān)性，實現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備向即插即用設(shè)備的轉(zhuǎn)換。其次介紹了轉(zhuǎn)換模塊的組成、工作流程、傳輸協(xié)議與設(shè)計方案，給出了利用ARM和FPGA開發(fā)的轉(zhuǎn)換模塊，介紹了該模塊的組成和各部分的功能，給出了FPGA和ARM實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層與協(xié)議層的通信的方法。最后，給出了基于PnP轉(zhuǎn)換模塊搭建的空間即插即用技術(shù)驗證系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的組成與系統(tǒng)框圖，介紹了主要的測試的內(nèi)容，驗證了基于轉(zhuǎn)換模塊的空間即插即用技術(shù)在航天領(lǐng)域的可行性和空間即插即用技術(shù)在實際在軌更換中的應(yīng)用特點。

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