面向星載交換的地面檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫樂樂,張 冬,周兆軍,魏雯婷*

(1.西安電子科技大學(xué) 先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710071;2.中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院,河北 石家莊 050081;3.陜西烽火電子股份有限公司西安研發(fā)中心,陜西 西安 710114 )

0 引言

隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展與創(chuàng)新以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的普及和應(yīng)用[1],星載交換技術(shù)已成為航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對(duì)國(guó)家安全,以及支撐我國(guó)“一帶一路”等建設(shè)具有一定的戰(zhàn)略意義[2]。構(gòu)建不依賴地面網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)波束間信息交互,星載交換技術(shù)是關(guān)鍵[3]。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中,星載交換是指衛(wèi)星之間或衛(wèi)星與地面站之間進(jìn)行信息交換和傳輸?shù)募夹g(shù)。星載交換技術(shù)可在硬件規(guī)模較小時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力[4],其主要目的是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面站之間的高速、高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸,為全球的信息傳輸提供了廣泛方便的接入業(yè)務(wù)[5]。星載交換技術(shù)不僅可以通過(guò)衛(wèi)星之間或衛(wèi)星與地面站之間的直接通信,減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和丟失,從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率,而且可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通,形成一個(gè)全球性的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),是保證衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能的核心手段[6]。

地面檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的性能驗(yàn)證和監(jiān)控,通過(guò)檢測(cè)衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量、錯(cuò)誤率、傳輸速率等指標(biāo),為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能優(yōu)化和調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。地面檢測(cè)系統(tǒng)還可以對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化,包括峰值速率、誤碼率、延時(shí)等。通過(guò)測(cè)試,使得不滿足技術(shù)條件的性能、不完善的功能得到暴露[7],從而提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性,通過(guò)地面檢測(cè)系統(tǒng)可以有效減少星上設(shè)備的故障概率[8]。

在衛(wèi)星發(fā)射前的全面測(cè)試階段中,需要通過(guò)地面檢測(cè)系統(tǒng)向星上設(shè)備發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù),并接收其發(fā)送回來(lái)的反饋數(shù)據(jù),地面檢測(cè)系統(tǒng)充當(dāng)橋梁作用,連接兩端設(shè)備。隨著我國(guó)衛(wèi)星事業(yè)的飛速發(fā)展,對(duì)于衛(wèi)星設(shè)備工作性能的要求不斷提高,傳統(tǒng)人工測(cè)試方法已不能滿足快速便捷精準(zhǔn)的高要求,研究測(cè)試系統(tǒng)的重要性日趨顯示,地面檢測(cè)系統(tǒng)也趨于復(fù)雜化和高效化。由于星載交換設(shè)備在軌維修困難且更換器件費(fèi)用高昂[9],地面檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于衛(wèi)星事業(yè)發(fā)揮著極其重要的作用[10]。

綜上所述,一款能夠提高檢測(cè)效率與檢測(cè)準(zhǔn)確率的地面檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于衛(wèi)星的成功發(fā)射和安全運(yùn)行具有重大意義。本文旨在設(shè)計(jì)一款面向于多接口、高速率的星載交換的地面檢測(cè)系統(tǒng),完成對(duì)大容量星載交換設(shè)備的性能及功能測(cè)試。

1 相關(guān)研究

衛(wèi)星通信的地面檢測(cè)系統(tǒng)需要聯(lián)合地面檢測(cè)軟件以及基于 FPGA 的地檢設(shè)備,完成對(duì)星上設(shè)備各模塊以及整體系統(tǒng)的綜合測(cè)試。自從1970年4月,中國(guó)成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”起,我國(guó)衛(wèi)星通信的地面檢測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)入正式發(fā)展階段。

幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究成果[11]如下:

① 上海航天技術(shù)研究所設(shè)計(jì)了一款基于通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)的衛(wèi)星地面測(cè)試軟件[12],實(shí)現(xiàn)測(cè)試單機(jī)設(shè)備的遙控遙測(cè)模塊的功能。衛(wèi)星測(cè)試除了單機(jī)測(cè)試還有系統(tǒng)級(jí)測(cè)試,該軟件并未涉及。

② 上海航天技術(shù)研究所設(shè)計(jì)了通用的數(shù)據(jù)分析顯示子系統(tǒng),該子系統(tǒng)可運(yùn)用到衛(wèi)星地面測(cè)試過(guò)程中。衛(wèi)星地面測(cè)試是極為復(fù)雜的工程,顯示子系統(tǒng)是其中一部分,需要聯(lián)合其他子系統(tǒng)共同完成對(duì)衛(wèi)星的測(cè)試。

③ 以色列衛(wèi)星通信公司NovelSat最近研發(fā)的產(chǎn)品NS2000X Multi-RX Channel Satellite Demodulator,可同時(shí)支持4路信號(hào)解調(diào),配套軟件也只支持4路信號(hào)解調(diào)。

④ 著名衛(wèi)星通信公司Newtec公司最新研發(fā)的調(diào)制解調(diào)器MCX7000 multi-carrier同時(shí)支持4路調(diào)制信號(hào)與2路信號(hào)解調(diào)。

隨著衛(wèi)星設(shè)備功能日趨復(fù)雜化,衛(wèi)星用地面測(cè)試設(shè)備面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)[13],在設(shè)計(jì)時(shí)有以下難點(diǎn):

① 由于星上設(shè)備的功能復(fù)雜、劃分模塊眾多,因此面臨被測(cè)對(duì)象數(shù)量大、性能指標(biāo)各不相同、測(cè)試要求繁多等問題。因此,導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間長(zhǎng),測(cè)試流程復(fù)雜,對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的多樣性提出更高要求。

② 由于測(cè)試數(shù)據(jù)量極大,且對(duì)測(cè)試效率要求高,因此需要提高數(shù)據(jù)傳輸速率以及內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù),完成對(duì)以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換成星上專用幀格式。以太網(wǎng)接口處利用以太網(wǎng)IP核完成對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收,通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)成星上專用幀格式通過(guò)高速接口發(fā)送給星載交換設(shè)備,采用5片F(xiàn)PGA,完成星載交換多接口的需求。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

在上行鏈路中,地面檢測(cè)系統(tǒng)接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式的數(shù)據(jù),并發(fā)送給輸入數(shù)據(jù)處理模塊,而后輸入數(shù)據(jù)處理模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊,在該模塊中將完成以太網(wǎng)幀格式到星上專用幀格式的轉(zhuǎn)換,再由高速接口把數(shù)據(jù)幀發(fā)送給星上設(shè)備;反之,在下行鏈路中,通過(guò)高速接口接收來(lái)自星上設(shè)備的數(shù)據(jù)幀,并通過(guò)下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將星上專用幀格式轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀格式,通過(guò)輸出數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送到以太網(wǎng)模塊,最后由網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀接收數(shù)據(jù)。

地面檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地面檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the ground detection system

如圖1所示,本文所提面向星載交換的地面檢測(cè)系統(tǒng)包括5片F(xiàn)PGA開發(fā)板,FPGA0～FPGA4,每一塊開發(fā)板上的端口都與星載交換的端口相對(duì)應(yīng)。其中FPGA0和FPGA1這兩塊開發(fā)板結(jié)構(gòu)相同,對(duì)應(yīng)星載交換的兩路星間高速口;FPGA2與FPGA3分別對(duì)應(yīng)星載交換的4路高速饋電口和8路高速用戶口;FPGA4對(duì)應(yīng)星載交換的高速固存、高速擴(kuò)展以及7路低速口。此套地面檢測(cè)系統(tǒng)所用到的FPGA板卡較多,對(duì)應(yīng)星載交換的端口也多達(dá)16個(gè),但都主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換功能,因此內(nèi)部設(shè)計(jì)可采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu),主要有高速接口與低速接口以及對(duì)應(yīng)選擇的以太網(wǎng)IP核發(fā)出的AXIS協(xié)議數(shù)據(jù)位寬和速率的差異,下面將以萬(wàn)兆以太網(wǎng)IP核對(duì)接高速接口的高速通道為例,對(duì)設(shè)計(jì)的具體方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2 高速通道方案設(shè)計(jì)

面向星載交換的地面檢測(cè)系統(tǒng)主要完成以太網(wǎng)幀與星上幀的相互轉(zhuǎn)換,具體來(lái)說(shuō)是完成兩路轉(zhuǎn)換:一路是將網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式根據(jù)用戶通過(guò)上位機(jī)配置下來(lái)的以太網(wǎng)幀與星上專用幀的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)換成星上幀并通過(guò)對(duì)應(yīng)的端口發(fā)送給星載交換設(shè)備;另一路是將星載交換設(shè)備通過(guò)端口發(fā)送的星上幀通過(guò)上位機(jī)配置的星上幀與以太網(wǎng)幀的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將星上幀轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀來(lái)統(tǒng)計(jì)星載交換設(shè)備發(fā)送的包數(shù),以此來(lái)評(píng)估星載交換設(shè)備的性能。

地面檢測(cè)系統(tǒng)高速通道方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。各個(gè)模塊的模塊說(shuō)明如表1所示。

表1 模塊說(shuō)明Tab.1 Descriptions of modules

圖2 地面檢測(cè)系統(tǒng)高速通道方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Design structure of the high-speed channel scheme of the ground detection system

2.2.1 輸入數(shù)據(jù)處理模塊、輸出數(shù)據(jù)處理模塊

(1) 輸入數(shù)據(jù)處理模塊

輸入數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)倒序恢復(fù)、時(shí)域隔離、數(shù)據(jù)解析等操作,輸入數(shù)據(jù)處理模塊框圖如圖3所示。

圖3 輸入數(shù)據(jù)處理模塊框圖 Fig.3 Block diagram of input data processing module

輸入數(shù)據(jù)處理模塊首先將萬(wàn)兆以太網(wǎng)IP核發(fā)出的倒序數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù),而后經(jīng)過(guò)異步先進(jìn)先出(First In First Out,FIFO)隊(duì)列進(jìn)行跨時(shí)鐘域處理操作,完成時(shí)域隔離,最后再進(jìn)行數(shù)據(jù)解析操作,提取標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀中的目的MAC地址、數(shù)據(jù)凈荷以及幀長(zhǎng)信息并分別存進(jìn)至相應(yīng)FIFO提供給下級(jí)上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理。

(2) 輸出數(shù)據(jù)處理模塊

輸出數(shù)據(jù)處理模塊相當(dāng)于輸入數(shù)據(jù)處理模塊的逆過(guò)程,輸出數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)倒序、時(shí)域隔離以及數(shù)據(jù)組幀模塊等,輸出數(shù)據(jù)處理模塊如圖4所示。

圖4 輸出數(shù)據(jù)處理模塊Fig.4 Block diagram of output data processing module

首先數(shù)據(jù)組幀模塊接收上級(jí)模塊的目的MAC地址、數(shù)據(jù)凈荷以及幀長(zhǎng)信息,將其組成標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀并存入FIFO中,而后時(shí)域隔離將讀取異步FIFO中的數(shù)據(jù)完成跨時(shí)鐘域操作,最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)倒序發(fā)送給萬(wàn)兆以太網(wǎng)IP核。

2.2.2 上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

(1) 上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊包括上位機(jī)、ETH2SDL模塊等,上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊框圖如圖5所示。

圖5 上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊Fig.5 Block diagram of the uplink protocol conversion module

用戶需要在上位機(jī)界面輸入所需要的配置信息即MAC地址及所對(duì)應(yīng)的星上專用幀頭信息,一次最多可配置32條,點(diǎn)擊發(fā)送后上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)口發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀,在FPGA側(cè)會(huì)解析上位機(jī)配置下來(lái)的信息并根據(jù)MAC地址在對(duì)應(yīng)的RAM地址寫入用戶配置的星上專用幀頭信息,而后ETH2SDL模塊會(huì)根據(jù)上級(jí)輸入數(shù)據(jù)處理模塊解析出來(lái)的MAC信息的最后一字節(jié)從RAM表里讀出對(duì)應(yīng)的星上專用幀頭信息并組成完整的星上專用幀,并存入數(shù)據(jù)FIFO和幀長(zhǎng)FIFO供下級(jí)模塊使用。

(2) 下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊包括上位機(jī)、SDL2ETH模塊等,下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊如圖6所示。

圖6 下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊Fig.6 Block diagram of downlink protocol conversion module

用戶需要在上位機(jī)界面輸入所需要的配置信息即星上專用幀頭信息中的目的站及所對(duì)應(yīng)的目的MAC,一次最多可配置32條,點(diǎn)擊發(fā)送后上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)口發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀,在FPGA側(cè)會(huì)解析上位機(jī)配置下來(lái)的信息并根據(jù)目的站地址在對(duì)應(yīng)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory,RAM)地址寫入用戶配置的目的MAC信息,而后SDL2ETH模塊會(huì)根據(jù)上級(jí)高速接口模塊發(fā)送的星上專用幀頭信息中目的站信息的最后一字節(jié)從RAM表里讀出對(duì)應(yīng)的MAC幀頭信息并存入MACFIFO、數(shù)據(jù)FIFO和幀長(zhǎng)FIFO供下級(jí)模塊使用。

2.2.3 高速通道發(fā)送模塊、高速通道接收模塊

該模塊基于 Aurora 64B/66B 協(xié)議,由 6 個(gè)主要模塊組成:clock_module、reset_logic、frame_gen、frame_check、axi_to_ll、ll_to_axi,各個(gè)模塊能夠獨(dú)立并協(xié)調(diào)工作。設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議按照數(shù)據(jù)幀方式進(jìn)行傳輸。

(1) 高速通道發(fā)送模塊功能

該模塊將接收由上一模塊產(chǎn)生的 2 路專用幀數(shù)據(jù),寫入 GTX1_T 和 GTX2_T 并進(jìn)行發(fā)送。在接收側(cè),將 GTX1_R 和 GTX2_R 接收到的專用數(shù)據(jù)幀,發(fā)送給前一級(jí)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。

(2) 所用 IP 核資源

Aurora 64B/66B。

(3) 設(shè)計(jì)方法

本設(shè)計(jì)中將調(diào)用由 Xilinx 公司官方提供的 Aurora 64B/66B IP 核的例子工程。將例子工程中的 frame_gen 模塊和 frame_check 模塊去除,再將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Local_Link 接口引至頂層,與前一級(jí) proto_adapt 模塊產(chǎn)生的衛(wèi)星專用幀相連接,即可實(shí)現(xiàn) Local_Link 轉(zhuǎn) GTX 的高速收發(fā)。

模塊邏輯關(guān)系圖如圖7所示。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,clock_module 模塊為整個(gè)設(shè)計(jì)提供所需時(shí)鐘;reset_logic 模塊為整個(gè)設(shè)計(jì)提供復(fù)位設(shè)置;frame_gen 模塊用于組裝數(shù)據(jù)包形成 aurora 協(xié)議幀格式傳輸;frame_check 模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀檢錯(cuò)和緩存; axi_to_ll 模塊和 ll_to_axi 模塊負(fù)責(zé) AXI4-Stream 接口和 Local-Link 接口的相互轉(zhuǎn)化[15]。

圖7 Aurora 64B/66B 例子工程文件結(jié)構(gòu)Fig.7 Aurora 64B/66B example project file structure

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

此多接口地面檢測(cè)系統(tǒng)采用超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,VHDL)語(yǔ)言編程,使用Vivado 2017.4軟件進(jìn)行功能驗(yàn)證,并部署到Kintex-7 FPGA開發(fā)板上進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)生成模塊

該模塊產(chǎn)生32～150 Byte隨機(jī)幀長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀及其幀長(zhǎng)數(shù)據(jù),且附帶產(chǎn)生相應(yīng)的Local Link 接口信號(hào)以及 wr_en 寫使能信號(hào),可根據(jù)需求直接寫入 FIFO 中。

該模塊每個(gè)周期產(chǎn)生8 Byte數(shù)據(jù),且每幀數(shù)據(jù)的各個(gè)字段都定義了特定含義。如圖8所示。

圖8 字段定義Fig.8 Field definition

該模塊運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)(FSM)實(shí)現(xiàn),共有 7 個(gè)狀態(tài):IDLE、WR_HEAD、WR_DATA、PRE_END、LEN、JUDGE、BLANK。圖9是狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖。

圖9 數(shù)據(jù)生成模塊狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖Fig.9 State transition diagram of the data generation module

圖10為數(shù)據(jù)生成模塊的仿真圖,包含完整數(shù)據(jù)幀、Local Link 接口信號(hào)、幀長(zhǎng)信息以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況。該模塊產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)幀將用作本次設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的測(cè)試激勵(lì)。

圖10 數(shù)據(jù)生成模塊的仿真圖Fig.10 Simulation diagram of data generation module

3.2 輸入數(shù)據(jù)處理模塊、輸出數(shù)據(jù)處理模塊

圖11為該數(shù)據(jù)處理模塊的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖。狀態(tài)說(shuō)明如下:idle是空閑狀態(tài);WR_DES_MAC在此狀態(tài)下寫入目的MAC地址;WR_DATA在此狀態(tài)下寫入凈荷;WR_LEN在此狀態(tài)下寫入幀長(zhǎng)。

圖11 數(shù)據(jù)處理模塊狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖Fig.11 Data processing module state jump diagram

圖12為數(shù)據(jù)處理模塊的仿真圖,將進(jìn)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行解幀,并將解出來(lái)的目的MAC、凈荷、幀長(zhǎng)分別寫進(jìn)對(duì)應(yīng)的FIFO。

圖12 數(shù)據(jù)處理模塊仿真圖Fig.12 Simulation diagram of data processing module

3.3 上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

(1) 上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

該模塊負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀到星上幀的轉(zhuǎn)換。讀寫?yīng)毩r(shí)鐘設(shè)計(jì),讀寫數(shù)據(jù)寬度均為 64 bit。

圖13為上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊 ETH2SDL 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖13 上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊 ETH2SDL 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.13 State transition diagram of the uplink protocol conversion module ETH2SDL

上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的狀態(tài)說(shuō)明如下:IDLE為空閑狀態(tài),該狀態(tài)負(fù)責(zé)參數(shù)重置,當(dāng)滿足條件時(shí)進(jìn)入 read parameter 狀態(tài)。另外,本模塊通過(guò)對(duì)星上專用 FIFO的almost full判斷防止數(shù)據(jù)堆積,保證系統(tǒng)的健壯性;read_parameter為parameter 讀取狀態(tài)。本模塊負(fù)責(zé)從 MAC FIFO 中讀取待匹配的 MAC地址,并將讀取出的MAC地址與上位機(jī)已經(jīng)配置完成RAM進(jìn)行匹配,以此提取出對(duì)應(yīng)的星上專用幀頭信息;send_hdr為發(fā)送星上專用幀頭狀態(tài),負(fù)責(zé)對(duì)星上專用FIFO寫入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換后的星上專用幀的幀頭信息,共發(fā)送6個(gè)周期,在count=8時(shí)跳轉(zhuǎn)到 send_load狀態(tài);send_load為發(fā)送載荷數(shù)據(jù)狀態(tài);最后發(fā)送幀長(zhǎng)信息,完成之后跳回初始態(tài)。

上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊仿真圖如圖14所示,可以看出,以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式的數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成了星上專用幀格式。

圖14 上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊仿真圖Fig.14 Simulation diagram of uplink protocol conversion module

(2) 下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

該模塊負(fù)責(zé)星上幀到標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀的轉(zhuǎn)換。讀寫?yīng)毩r(shí)鐘設(shè)計(jì),讀寫數(shù)據(jù)寬度均為 64 bit。

圖15為下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊 ETH2SDL 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖15 下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊仿真圖Fig.15 Simulation diagram of downlink protocol conversion module

下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的逆過(guò)程,狀態(tài)機(jī)的工作過(guò)程這里不再敘述。下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊仿真圖如圖16所示,可以看出,星上專用幀格式的數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式的數(shù)據(jù)。

圖16 下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊仿真圖Fig.16 Simulation diagram of downlink protocol conversion module

(3) 上位機(jī)模塊

無(wú)論是在上行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊或者是下行協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊,都需要用戶通過(guò)上位機(jī)完成對(duì)RAM表的配置來(lái)配合協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式的數(shù)據(jù)與星上專用幀格式的數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換。此外,還需要上位機(jī)完成對(duì)各個(gè)端口的流控以及包數(shù)統(tǒng)計(jì)的功能,上位機(jī)的業(yè)務(wù)配置界面如圖17所示。

圖17 上位機(jī)的業(yè)務(wù)配置界面Fig.17 Business configuration interface of the upper computer

在此界面中可以一次完成上行表項(xiàng)與下行表項(xiàng)的配置,界面采用滾輪形式,上、下行表一次最多可各配置32條。在上行表項(xiàng)中,用戶需要輸入源MAC所對(duì)應(yīng)的星上專用幀頭信息(包括幀類型、目的站、源站等);在下行表項(xiàng)中用戶需要輸目的站及其對(duì)應(yīng)的目的MAC。在用戶配置完所需要的信息后,點(diǎn)擊發(fā)送按鈕,上位機(jī)便將用戶輸入的配置信息組成一個(gè)較大的幀,上行信息在前,下行信息在后,按照標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式發(fā)送給FPGA進(jìn)行處理來(lái)完成對(duì)RAM表的配置。

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

此系統(tǒng)的功能驗(yàn)證通過(guò)思博倫公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀TestCenter來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)流量,主要完成地面檢測(cè)系統(tǒng)自回環(huán)測(cè)試以及地檢與交換的聯(lián)調(diào)測(cè)試。

4.1 地面檢測(cè)系統(tǒng)自回環(huán)測(cè)試

地面檢測(cè)系統(tǒng)自回環(huán)測(cè)試需要網(wǎng)絡(luò)測(cè)試發(fā)出高速標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)流量,通過(guò)光口進(jìn)入地面檢測(cè)系統(tǒng),地面檢測(cè)系統(tǒng)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換功能,并在高速接口處設(shè)置成自回環(huán)將數(shù)據(jù)流返給網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀,以此來(lái)驗(yàn)證地檢系統(tǒng),地面檢測(cè)系統(tǒng)自回環(huán)測(cè)試示意圖如圖18所示。

如圖19所示,利用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀產(chǎn)生了鏈路層速率為2.7 bit/s、隨機(jī)幀長(zhǎng)64～1 518 Byte的4路高速以太網(wǎng)流量用來(lái)測(cè)試F2的4路饋電高速口,可以看出無(wú)丟包,功能驗(yàn)證完成。

4.2 地檢與交換的聯(lián)調(diào)測(cè)試

地檢與交換的聯(lián)調(diào)測(cè)試也需要網(wǎng)絡(luò)測(cè)試發(fā)出高速標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)流量,通過(guò)光口進(jìn)入地面檢測(cè)系統(tǒng),地面檢測(cè)系統(tǒng)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換功能,并在高速接口發(fā)送給星載交換系統(tǒng),星載交換系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部復(fù)雜的處理將數(shù)據(jù)通過(guò)原高速接口返回給地檢,地檢又返回給網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀,以此來(lái)驗(yàn)證星載交換系統(tǒng),聯(lián)調(diào)測(cè)試示意圖如圖20所示。

如圖21所示,利用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀產(chǎn)生了速率為2.7 Gbit/s、隨機(jī)幀長(zhǎng)64～1 518 Byte的4路高速以太網(wǎng)流量用來(lái)測(cè)試地檢F2的4路饋電高速口并連接到交換端口,可以看出無(wú)丟包,聯(lián)調(diào)驗(yàn)證完成。

圖21 聯(lián)調(diào)隨機(jī)包測(cè)試圖Fig.21 Joint debugging random packet test diagram

4.3 上位機(jī)功能驗(yàn)證

上位機(jī)測(cè)試需要通過(guò)上位機(jī)界面配置所需要的表項(xiàng)信息,并通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送給FPGA,FPGA側(cè)需解析上位機(jī)發(fā)出的以太網(wǎng)幀信息并將對(duì)應(yīng)信息分別寫入上下行表項(xiàng)中。圖22是以上、下行表各配了3條為例的上位機(jī)配置信息。

圖22 上位機(jī)配置圖Fig.22 Upper computer configuration diagram

如圖23所示,FPGA側(cè)解析了上位機(jī)發(fā)出的配置信息。

圖23 上位機(jī)功能驗(yàn)證圖Fig.23 Upper computer function verification diagram

在上行表項(xiàng)中,根據(jù)源MAC的最后一個(gè)字節(jié)在RAM表中對(duì)應(yīng)位置寫入了上行表項(xiàng)信息,共3條;在下行表中,根據(jù)目的站的最后一字節(jié)在RAM表中對(duì)應(yīng)位置寫入了下行表項(xiàng)信息,也是3條。上位機(jī)在上下行表中各寫了3條信息且與上位機(jī)配置結(jié)果相同,由此上位機(jī)功能得到驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)的多接口高速協(xié)議轉(zhuǎn)換的地面檢測(cè)系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)方案,對(duì)各模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證以及功能測(cè)試,利用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀完成了地面檢測(cè)系統(tǒng)自回環(huán)測(cè)試以及地檢與交換的聯(lián)調(diào)測(cè)試,在保證地面檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下完成了星載交換系統(tǒng)的在地檢測(cè),大大減少了星載交換系統(tǒng)在軌發(fā)生故障的概率,極大地降低了交換系統(tǒng)在軌的維修成本,對(duì)中國(guó)衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)研究還存在很多不足之處,有以下幾個(gè)方面:交換共有16個(gè)端口,地檢系統(tǒng)只是某幾個(gè)端口同時(shí)打流,交換功能并未充分驗(yàn)證;消耗的片上存儲(chǔ)資源較多,需要進(jìn)一步優(yōu)化邏輯和結(jié)構(gòu),減少資源占用。