SpaceWire即插即用技术研究

论文摘要

伴随着人类航天需求的日益增长和航天技术的不断发展,以SpaceWire为代表的新一代航天网络渐渐取代了传统的航天总线,被世界上越来越多的组织机构采纳为星载数据处理系统的高速接口标准。在追求网络高速性、可靠性、灵活性的同时,人们已意识到提高航天组件可重用性、缩短星载系统集成周期并提升其动态可配置性,具有重要的意义。本文研究的SpaceWire即插即用（SpaceWire Plug-and-Play,SpW-PnP）技术正是为了解决快速集成和配置航天电子设备的问题,而SpaceWire的分层开放结构也为这一问题的解决提供了必要条件。本文在全面调研国内外关于SpaceWire技术的现有理论和实践成果的基础上,提出了SpW-PnP协议栈模型,并对模型中选取的各层标准和草案给出详细分析,论证了模型的合理性和可行性。围绕该协议栈模型,本文设计了SpW-PnP网络的整体架构和运行机制,给出了总体设计方案和具体实现方法。为实现网络组件,本文开发了符合ECSS-E-ST-50-52C标准的RMAP（Remote Memory Access Protocol）函数库,并在此基础上依据SpW-PnP Protocol Definition Draft A V2.1草案对于即插即用的功能描述,实现了基于PC机的网络管理器,包括控制台和即插即用函数库;开发了基于FPGA的SpW-PnP普通节点,过程中重点考虑其可重用性,设计了通用的SOPC架构和NIOS II程序。为使组件可以接入SpaceWire标准网络,本文还利用Verilog HDL语言开发了符合ECSS-E-ST-50-12C标准的SpaceWire底层接口IP核,并配有Avalon片上总线接口,可移植性强。本文最后利用自行研发的SpW-PnP组件和标准的SpaceWire路由器搭建了试验网络,并给出了底层接口测试结果和即插即用功能验证结果。结果表明:本文提出的SpW-PnP模型符合SpaceWire母体框架,兼容底层协议;接口IP核、RMAP函数库符合ECSS标准;网络组件能够支持即插即用,整个试验网络符合SpW-PnP草案的功能描述。本文的研究成果作为SPA（Space Plug-and-Play Avionics,航天即插即用电子设备）理念的一部分,对航天器的地基（Earth-Based）快速集成和天基（Space-Based）动态配置提供了一种实现方式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.1.1 航天总线与SpaceWire 标准
• 1.1.2 航天器的快速集成与配置需求
• 1.1.3 SpaceWire 即插即用技术的研究意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.3 论文主要研究内容
• 1.4 本文结构
• 第2章 SpW-PnP 相关协议分析
• 2.1 SpW-PnP 协议栈模型
• 2.1.1 ECSS-E-ST-50 系列标准简介
• 2.1.2 SpW-PnP 协议栈模型的提出
• 2.2 SpaceWire 母体协议分析
• 2.2.1 物理层
• 2.2.2 信号层
• 2.2.3 字符层
• 2.2.4 交换层
• 2.2.5 数据包层
• 2.2.6 网络层
• 2.2.7 应用层
• 2.3 SpaceWire Protocol ID 协议分析
• 2.4 SpaceWire RMAP 协议分析
• 2.4.1 RMAP 概述
• 2.4.2 RMAP 数据包的字段定义
• 2.4.3 RMAP 读命令/应答
• 2.5 SpaceWire 即插即用草案分析
• 2.5.1 SpW-PnP 功能描述
• 2.5.2 SpW-PnP 组网方式
• 2.5.3 SpW-PnP 服务描述
• 2.6 本章小结
• 第3章 SpW-PnP 网络的总体方案设计
• 3.1 网络架构的原理性设计
• 3.1.1 网络模型的组件、拓扑和规模
• 3.1.2 网络模型的一个应用举例
• 3.2 网络发现机制设计
• 3.2.1 网络发现的功能界定
• 3.2.2 静态网络发现机制设计
• 3.2.3 动态网络发现机制设计
• 3.2.4 网络遍历算法设计
• 3.3 服务配置机制设计
• 3.3.1 服务信息获取
• 3.3.2 服务使能
• 3.3.3 链路波特率优化
• 3.3.4 服务源宿匹配机制设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 SpW-PnP 网络组件设计与实现
• 4.1 SpaceWire 底层接口逻辑设计
• 4.1.1 底层接口总体设计
• 4.1.2 交换层状态机设计
• 4.1.3 发送器设计
• 4.1.4 接收器设计
• 4.1.5 Avalon 接口设计
• 4.2 SpW-PnP 网络管理器设计
• 4.2.1 网络管理器总体设计
• 4.2.2 控制台程序设计
• 4.2.3 网络管理函数库设计
• 4.3 SpW-PnP 普通节点设计
• 4.3.1 通用片上系统设计
• 4.3.2 NIOS II 软件设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 SpW-PnP 网络搭建与功能验证
• 5.1 SpaceWire 网络的搭建
• 5.2 底层接口测试
• 5.2.1 物理层到数据包层测试
• 5.2.2 网络层测试
• 5.3 即插即用功能验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢