天文學(xué)

ASIC1553B IP

周莉，安軍社，謝彥，等

基于ASIC技術(shù)的1553B IP核的設(shè)計(jì)

周莉，安軍社，謝彥，等

目的：美國(guó)軍用數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1553B（簡(jiǎn)稱1553B總線），以其高可靠性和實(shí)時(shí)性的優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。傳統(tǒng)1553B總線接口設(shè)計(jì)存在體積大、功耗大、集成化程度不高等缺點(diǎn)，成為阻礙衛(wèi)星輕小型化發(fā)展的因素之一。大規(guī)模集成電路和中國(guó)ASIC技術(shù)的飛速發(fā)展和成熟，使得衛(wèi)星傳統(tǒng)板級(jí)功能集成到一個(gè)芯片內(nèi)成為可能，因此基于ASIC技術(shù)的1553B IP核是當(dāng)前1553B總線技術(shù)的研究熱點(diǎn)。方法：針對(duì)衛(wèi)星常用功能，提出一種面向航天綜合電子的1553B總線協(xié)議ASIC芯片設(shè)計(jì)方案，集成了衛(wèi)星常用的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)控制功能，可滿足衛(wèi)星1553B總線功能及常用的CAN，EMI，AD，OC，UART，PWM，PCM，PPC和GPIO功能，對(duì)CPU的接口可配置為PCI接口、ISA接口或特別設(shè)計(jì)的1553B RT接口。另外，該ASIC芯片內(nèi)嵌一個(gè)32位的龍芯CPU，也可以自主訪問(wèn)上述資源。通過(guò)與中國(guó)幾款1553B協(xié)議芯片的對(duì)比，本ASIC芯片具有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，性能優(yōu)良，可靠性高，接口豐富，應(yīng)用范圍廣。1553B IP核是ASIC芯片的重要功能部件和設(shè)計(jì)重點(diǎn)，采用自頂而下的設(shè)計(jì)方法，利用Verilog硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)總線控制器BC和遠(yuǎn)程終端RT功能。1553B IP核的設(shè)計(jì)參考航天領(lǐng)域常用的DDC公司的1553B協(xié)議芯片BU61580。分別從1553B IP核總體框架、BC/RT共享模塊、BC功能模塊和RT功能模塊詳細(xì)介紹了IP核的設(shè)計(jì)。IP核功能模塊包括AXI從設(shè)備接口、寄存器/模式使能模塊、BC模塊、RT模塊、RAM仲裁模塊、共享RAM、通道選擇模塊、編碼器模塊、解碼器模塊、計(jì)時(shí)器等。BC模塊主要由協(xié)議控制模塊、RT發(fā)送模塊、RT接收模塊、RT到RT模塊、廣播模塊、多路選擇器模塊等組成。協(xié)議控制模塊為頂層模塊，完成消息的管理、分析和調(diào)度，各子模塊的入口均依據(jù)該模塊的狀態(tài)，同時(shí)該模塊也依據(jù)各子模塊的結(jié)束信號(hào)（或超時(shí)）作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。RT模塊對(duì)解碼器得到的有效命令字進(jìn)行解析，依據(jù)協(xié)議要求，對(duì)各種命令字做出響應(yīng)，包括數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，狀態(tài)字的設(shè)置以及各種方式命令的響應(yīng)等。為應(yīng)對(duì)航天環(huán)境的特殊性，ASIC芯片的元件庫(kù)級(jí)、部件級(jí)和版圖級(jí)采取了可靠性措施。結(jié)果：ASIC芯片系統(tǒng)仿真由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所龍芯團(tuán)隊(duì)開(kāi)展。ASIC芯片經(jīng)過(guò)模塊仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證和FPGA驗(yàn)證，均符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。通過(guò)DDC的1553B板卡對(duì)1553B IP核設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，包括BC功能和RT功能正常通信測(cè)試、可靠性設(shè)計(jì)測(cè)試。正常通信測(cè)試包含所有1553B總線消息類型，可靠性設(shè)計(jì)測(cè)試包括誤碼率測(cè)試、錯(cuò)誤注入和異常事件處理，測(cè)試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，通信誤碼率小于10－9。結(jié)論：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了1553B IP核設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。將1553B IP核與衛(wèi)星常用數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)控制功能集成到一片ASIC芯片，可大大減少電路面積，降低功耗，提高電路集成度，有利于衛(wèi)星的輕小型化發(fā)展。

來(lái)源出版物：空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(1): 127-136

入選年份：2015

磁尾等離子片中偶極化鋒面的數(shù)值模擬研究

申井然，曹晉濱，呂浩宇，等

摘要：目的：磁尾偶極化現(xiàn)象可以分為兩類：一是在近地等離子體片X＝-10Re附近觀測(cè)到的偶極化現(xiàn)象，也稱為噴射剎車，該現(xiàn)象可解釋為高速流在近地磁尾區(qū)域減速而形成的磁場(chǎng)堆積效應(yīng)；二是由高速流地向輸運(yùn)引起的當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)傾斜角增大的偶極化，也稱為瞬態(tài)偶極化。這兩種磁場(chǎng)偶極化現(xiàn)象中都伴隨有偶極化鋒面的出現(xiàn)。盡管偶極化鋒面研究已開(kāi)展得比較多，但仍有許多問(wèn)題不清楚，包括偶極化鋒面中Bz變化特性的物理機(jī)制和原因、偶極化鋒面的空間和時(shí)間尺度以及與其相關(guān)的變化參數(shù)等。采用三維數(shù)值模擬方法，通過(guò)構(gòu)建三維磁尾爆發(fā)性高速流物理圖像模型，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行解釋。方法：對(duì)三維非理想可壓磁流體方程組發(fā)展了守恒型TVD（全變差減?。┧惴ā０朔匠棠Ｐ痛帕黧w方程組屬于非嚴(yán)格的非凸雙曲型方程組，Powell對(duì)該方程進(jìn)行修正并建立一組新的磁流體方程組。該方程組在形式上是非守恒的，不能直接采用守恒型TVD格式。利用特征系統(tǒng)分析構(gòu)造了守恒型TVD格式。結(jié)果：利用八波模型磁流體方程組對(duì)磁尾中高速流引起的偶極化鋒面現(xiàn)象進(jìn)行模擬研究。構(gòu)建了磁尾中由于瞬態(tài)偶極化機(jī)制的模擬方法，該方法由3個(gè)步驟組成。（1）采用半經(jīng)驗(yàn)T96磁場(chǎng)模型給出初始磁場(chǎng)分布。T96模型對(duì)近地磁尾中地球磁場(chǎng)進(jìn)行了很好的處理，但是由于僅給出了磁場(chǎng)分布，沒(méi)有提供磁層中等離子體熱壓與密度的分布，因此并非受力平衡模型，即系統(tǒng)中合力密度并非處處為零?；趶椀浪沙诜?，并通過(guò)合理的邊界條件和監(jiān)控網(wǎng)格點(diǎn)上合力的變化趨勢(shì)，利用理想MHD模擬方法使得系統(tǒng)達(dá)到收斂后的平衡態(tài)。（2）模擬了磁層亞暴增長(zhǎng)相后期近地磁尾區(qū)域電流片變薄過(guò)程。在亞暴增長(zhǎng)相期間，電流片變薄，而且薄電流片對(duì)觸發(fā)磁層亞暴十分重要。以第一步驟中的平衡態(tài)為初始條件，在模擬區(qū)域南北邊界施加晨昏電場(chǎng)影響，利用所發(fā)展的八波模型磁流體算法進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得變薄的電流片，該過(guò)程即為亞暴增長(zhǎng)相。外加晨昏電場(chǎng)的目的是對(duì)磁尾注入磁通量，從而獲得類似于亞暴增長(zhǎng)相后期的磁尾結(jié)構(gòu)。（3）利用上述薄電流片和不同的磁重聯(lián)觸發(fā)機(jī)制，形成釋放能量的磁層亞暴恢復(fù)相。磁重聯(lián)采用內(nèi)部自發(fā)重聯(lián)機(jī)制，由此產(chǎn)生的地向高速流BBF類型通量管產(chǎn)生偶極化鋒面。內(nèi)部自發(fā)重聯(lián)之前形成的薄電流片采用隨時(shí)間變化的晨昏電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，亞暴觸發(fā)時(shí)在磁尾指定區(qū)域給定有限反常電阻，從而觸發(fā)自發(fā)重聯(lián)，誘導(dǎo)產(chǎn)生地向高速流。模擬結(jié)果很好地再現(xiàn)了磁尾中地向高速流BBF類型通量管產(chǎn)生的偶極化鋒面。伴隨著高速流的出現(xiàn)，磁場(chǎng)Bz分量呈非對(duì)稱雙極變化結(jié)構(gòu)，即鋒面前減小為負(fù)值，在鋒面上急劇增大。當(dāng)Bz增大到極大值后回落并趨于穩(wěn)定。偶極化鋒面上除高速流與磁場(chǎng)Bz分量具有上述特性外，還伴隨有密度減小、溫度增大、熱壓減小以及總壓減小的特征。當(dāng)偶極化鋒面伴隨地向高速流向地球運(yùn)動(dòng)，偶極化鋒面上Bz的變化越來(lái)越小。結(jié)論：利用三維磁流體數(shù)值模擬再現(xiàn)了磁尾中由于重聯(lián)產(chǎn)生的偶極化鋒面形成過(guò)程。偶極化鋒面特性與觀測(cè)結(jié)果一致，并給出偶極化鋒面隨地向高速流的傳播特性。研究結(jié)果有助于全面理解偶極化鋒面的產(chǎn)生和物理特性，為觀測(cè)結(jié)果提供有力的理論依據(jù)。

來(lái)源出版物：空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(4): 409-414

入選年份：2015