基于CPCI接口的SpaceWire總線通訊模塊設計

基于CPCI接口的SpaceWire總線通訊模塊設計摘要：本文在對SpaceWire總線協(xié)議、SpaceWire節(jié)點的總體框架進展深化分析的根底上，設計了支持熱插拔的基于CPCI接口的高速SpaceWire數(shù)據(jù)總線的節(jié)點通訊板卡的硬件系統(tǒng)，重點介紹了支持熱插拔的CPCI接口電源電路分析、FPGA與PCI9056接口模塊時序分析和在Windriver軟件環(huán)境下的驅(qū)動程序的開發(fā)，為SpaceWire上位機底層驅(qū)動接口的開發(fā)以及今后SpaceWire總線在其它任務中的應用打下了良好的根底。本文網(wǎng)絡版地址：：//eepw/article/247468.htm關鍵詞：SpaceWire節(jié)點；高速串行總線；熱插拔；CPCI接口；PCI9056DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2021.5.014引言隨著航天技術的進步和衛(wèi)星與高空探測技術的開展，需要一種高速、可擴展、低功耗、低本錢的通用通訊鏈路接口來滿足星載高速數(shù)據(jù)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(wǎng)絡，以IEEE1355-1995和LVDS兩個商業(yè)標準相結(jié)合而提出的一種星載數(shù)據(jù)總線。本文在研究SpaceWire總線協(xié)議的根底上，分析了基于CPCI接口的SpaceWire節(jié)點通訊板卡的硬件實現(xiàn)架構(gòu)，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(qū)動的生成原理。1SpaceWire概述SpaceWire是為更好地滿足星載設備間高速數(shù)據(jù)傳輸需求而提出一種高速的〔2Mbit/s至400Mbit/s，目前實現(xiàn)的宇航級節(jié)點設備之間的速度為200Mbit/s〕、點對點、全雙工的串行總線網(wǎng)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(nèi)有效載荷系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制信息的處理，以滿足將來高性能高速數(shù)據(jù)傳輸為目的，提供了一種統(tǒng)一的用來連接傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、大容量存儲器、遙測子系統(tǒng)以及電地支持設備EGSE〔electronicgroundsupportequipment〕的根底架構(gòu)。SpaceWire標準詳細包括了鏈路、節(jié)點和路由三方面的內(nèi)容。本文著重討論節(jié)點的功能，所謂SpaceWire節(jié)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(wǎng)絡上的其它單元。2SpaceWire節(jié)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(xiàn)ECSS-E-ST-50-12C協(xié)議標準的航天設備間的高速SpaceWire數(shù)據(jù)總線的，支持熱插拔的CPCI接口的節(jié)點終端通訊板卡〔本板卡實現(xiàn)了200Mbit/s的速率〕。此SpaceWire總線節(jié)點通訊板卡可以嵌入在航天子系統(tǒng)中，將航天子系統(tǒng)中與其它SpaceWire網(wǎng)絡之間連接，保證航天子系統(tǒng)之間高速、實時、確定、可靠地進展數(shù)據(jù)交換。硬件架構(gòu)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(xiàn)SpaceWire總線傳輸速率，F(xiàn)PGA內(nèi)部采用了PLL對時鐘進展了分頻，實現(xiàn)4路SpaceWire總線通信協(xié)議接口功能，硬件實現(xiàn)LVDS信號傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)實現(xiàn)緩存并與PCI9056通信接口等功能；SRAM緩存器：4M字節(jié)的SRAM用于實現(xiàn)存儲SPW總線收發(fā)機制中產(chǎn)生的大容量高速數(shù)據(jù)的緩存功能；MDM9S接口模塊：MDM9S接口實現(xiàn)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(xiàn)PCI總線的接口協(xié)議功能，通過CPCI接口實現(xiàn)FPGA與上位機軟件間進展數(shù)據(jù)的通信，同時實現(xiàn)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。3CPCI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(tǒng)的正常運行。電源芯片電路如圖2所示，LTC1643L是一個允許CPCI型設備進展平安插入和拔出的電源管理控制器，將系統(tǒng)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到達一個可編程的速率，同時該芯片還具備電源過流故障時的短路保護。PCI9056的引腳BD_SEL#是CPCI接口中最小的插針之一，BD_SEL#連接LTC1643L的使能引腳，低電平時有效開啟LTC1643L工作并同時給板卡供電。R10是一個0.018歐姆，0.5W，精度為1%的精細電阻，用于過流保護的電壓檢測電阻。當板卡發(fā)生故障導致電流超過額定值之后，R10兩端的壓差將增大，SENSE引腳將此過流信息反響至LTC1643L電源管理器，同時切斷電源供應，起到電源過流保護的功能。4PCI橋接電路分析在SpaceWire總線節(jié)點終端系統(tǒng)與航電計算機系統(tǒng)之間實現(xiàn)PCI通訊大致有兩個方式，其一就是采用可編程器件作為一個獨立的模塊實現(xiàn)PCI協(xié)議，另一種方式就是采用專用PCI協(xié)議芯片。本系統(tǒng)的設計出于性能穩(wěn)定性和構(gòu)造簡易性方面的考慮，選擇用PLX公司消費的PCI9056集成芯片，該芯片可以設置成多種傳輸形式，完成SpaceWire總線節(jié)點與航電設備之間的通信橋接功能。在PCI9056與本地FPGA之間的通信分為直接主形式〔DirectMasterMode〕、直接從形式〔DirectSlaveMode〕和DMA形式。由于PCI通信要求到達SpaceWire總線網(wǎng)絡的2Mbit/s至400Mbit/s通訊速率〔本板卡實現(xiàn)了200Mbit/s〕，這里采用的芯片時鐘頻率為66MHz，傳輸形式為直接從形式，工作時序如圖3所示，PCI9056為主芯片，F(xiàn)PGA為從芯片。行高效的數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA內(nèi)部劃出了一部分內(nèi)存以配置成雙口RAM的形式完成PCI9056對SpaceWire數(shù)據(jù)的收發(fā)以及相應控制存放器的控制傳輸。5Windriver軟件的驅(qū)動消費通過PLXMON軟件對PCI9056的配置芯片進展配置后，可以利用Windows操作系統(tǒng)中WinDriver自動生成PCI驅(qū)動程序，步驟如下：首先啟動WinDriverWizard，從開始菜單，選擇“程序|WinDriver|DriverWizard〞；然后在DriverWizard菜單，單擊“FileNewProject〞菜單來新建一個工程，從即插即用列表中選擇顯示卡，通過消費商的名字來選定。單擊“Memory〞標簽。該顯示卡的三個內(nèi)存范圍顯示出來。內(nèi)存范圍中的BAR2映射的是FPGA內(nèi)的RAM緩存塊和專用存放器，根據(jù)FPGA內(nèi)核對這些緩存塊和存放器的可讀寫定義，可以在BAR2映射的區(qū)域里進展讀寫，假設寫進去的數(shù)值跟讀出來的數(shù)值一致，外表CPCI接口通信正常。最后一步為生成驅(qū)動代碼：單擊“Build|Generatecode〞菜單，DriverWizard將產(chǎn)生操作硬件資源的函數(shù)，可以在用戶形式下在應用程序中直接使用這些函數(shù)，這個向?qū)н€會產(chǎn)生一個樣本程序來使用這些函數(shù)操作硬件，上層界面的開發(fā)可以直接調(diào)用這些API函數(shù)。6總結(jié)本文是珠海歐比特公司為面向我國航天應用研發(fā)的一款SpaceWire總線節(jié)點終端板卡的一個實際應用設計方案，并根據(jù)此方案完成了對每個功能模塊的構(gòu)造和功能分析，歐比特公司此已經(jīng)對方案設計申請了專利保護。此方案對今后SpaceWire總線在其它任務中的應用具有重要的借鑒意義。參考文獻：[1]EMBC3000-CPCISPW型SpaceWire節(jié)點通訊板卡使用說明書.歐比特控制工程股份.2021.[2]康詠岐.面向航天應用的SpaceWire節(jié)點單元的IP核設計與實現(xiàn)[J].微電子學與計算機，2005，22〔9〕：120-123。[3]陳健飛，曹松.SpaceWire總線接口終端的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息：2021，26〔82〕：123-124。[4]LTC1643Ldatasheet，PCI-