基于CPCI接口的SpaceWire總線通訊模塊設計

　　引言

　　隨著航天技術的進步和衛星與高空探測技術的發展, 需要一種高速、可擴展、低功耗、低成本的通用通訊鏈路接口來滿足星載高速數據傳輸要求。SpaceWire 總線標準就是一種高速的、點對點、全雙工的串行總線網絡, 以IEEE1355-1995和LVDS 兩個商業標準相結合而提出的一種星載數據總線。本文在研究SpaceWire 總線協議的基礎上，分析了基于CPCI接口的SpaceWire節點通訊板卡的硬件實現架構，并著重分析CPCI接口電路電源管理功能、PCI橋接電路以及上位機軟件驅動的生成原理。

　　1 SpaceWire概述

　　SpaceWire 是為更好地滿足星載設備間高速數據傳輸需求而提出一種高速的(2Mbit/s至400Mbit/s，目前實現的宇航級節點設備之間的速度為200Mbit/s)、點對點、全雙工的串行總線網絡，在2003年1月正式成為歐空局標準。它的提出主要致力于航天器內有效載荷系統數據和控制信息的處理, 以滿足未來高性能高速數據傳輸為目標, 提供了一種統一的用來連接傳感器、數據處理單元、大容量存儲器、遙測子系統以及電地支持設備EGSE ( electronic ground support equipment ) 的基礎架構。

　　SpaceWire 標準具體包括了鏈路、節點和路由三方面的內容。本文著重討論節點的功能，所謂SpaceWire 節點, 是指傳輸包的流出設備或者流向設備, 可以是處理器、存儲單元、傳感器、電地支持設備( EGSE ) 或連接在SpaceWire總線網絡上的其它單元。

　　2 SpaceWire節點通訊板卡硬件設計

　　EMBC1000-CPCISPW是歐比特公司自主研制的完全遵循并實現ECSS-E-ST-50-12C協議規范的航天設備間的高速SpaceWire數據總線的，支持熱插拔的CPCI接口的節點終端通訊板卡(本板卡實現了200Mbit/s的速率)。此SpaceWire總線節點通訊板卡可以嵌入在航天子系統中，將航天子系統中與其它SpaceWire網絡之間連接，保證航天子系統之間高速、實時、確定、可靠地進行數據交換。硬件架構如圖l所示，分為FPGA控制模塊、CPCI接口電源管理模塊、MDM9S接口模塊和SRAM緩存模塊。各模塊的功能如下：

　　FPGA控制模塊：FPGA采用Altera公司的EP3C55F484I7N芯片，時鐘頻率采用80MHz，同時為了實現SpaceWire總線傳輸速率，FPGA內部采用了PLL對時鐘進行了分頻，實現4路SpaceWire總線通信協議接口功能，硬件實現LVDS信號傳輸，實現數據通訊過程中產生的大量數據實現緩存并與PCI9056通信接口等功能;

　　SRAM緩存器：4M字節的SRAM用于實現存儲SPW總線收發機制中產生的大容量高速數據的緩存功能;

　　MDM9S接口模塊：MDM9S接口實現FPGA的LVDS信號與外部SPW設備之間的接口功能;

　　PCI接口模塊：實現PCI總線的接口協議功能，通過CPCI接口實現FPGA與上位機軟件間進行數據的通信，同時實現支持熱插拔的板卡的電源管理功能;

　　電源管理模塊：與PCI9056芯片以及CPCI接口共同完成設備的電源熱插拔功能。

　　3 CPCI接口電源電路分析

　　PCI設備的熱插拔功能主要用于具備CPCI接口的裝置，熱插拔功能允許板卡隨意從設備中插拔而不影響裝置操作系統的正常運行。電源芯片電路如圖2所示，LTC1643L是一個允許CPCI型設備進行安全插入和拔出的電源管理控制器，將系統的CPCI插槽電源接入到SpaceWire板卡，圖中IRF7413是一個N型MOS管，用于控制3.3V和5V的電源通斷供應，而-12V和+12V電源由片上開關供應，所有的電壓的上升時間可以達到一個可編程的速率，同時該芯片還具備電源過流故障時的短路保護。