本實(shí)用新型的一種基于SpaceWire總線的APS冗余系統(tǒng)，屬于航天通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于SpaceWire總線的APS(Auto-Protection Switch)自動(dòng)保護(hù)倒換冗余技術(shù)。

背景技術(shù)：

SpaceWire總線是由歐空局、歐洲空間公司和學(xué)術(shù)界共同制定提出的一種全新的高速(2Mb/s～400Mb/s)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全雙工的串行總線網(wǎng)絡(luò)?？偩€標(biāo)準(zhǔn)致力于航天器有效載荷系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制信息的處理，以滿足未來(lái)高性能高速數(shù)據(jù)傳輸為目標(biāo)，提供一種統(tǒng)一的用來(lái)連接傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、大容量存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)架構(gòu)。SpaceWire總線具有很好的電磁兼容特性，同時(shí)加強(qiáng)了在線錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)、故障處理和保護(hù)以及時(shí)間廣播等方面的功能。

上述優(yōu)點(diǎn)使得SpaceWire總線在眾多航天總線中脫穎而出，受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科研組織關(guān)注，并開始或?qū)⒁獮槎鄠€(gè)航天任務(wù)服務(wù)。近年來(lái)，SpaceWire總線先后在ESA、NASA和JAXA的發(fā)射任務(wù)中得以成功應(yīng)用。中國(guó)風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星計(jì)劃將SpaceWire總線作為主控網(wǎng)絡(luò)。

在對(duì)長(zhǎng)期有效、可靠運(yùn)行有特殊要求的領(lǐng)域，冗余是重要的容錯(cuò)技術(shù)之一，是提高整機(jī)及系統(tǒng)可靠性的一種重要設(shè)計(jì)技術(shù)。SpaceWire標(biāo)準(zhǔn)包括物理層、信號(hào)層、字符層、交換層、信息包層以及網(wǎng)絡(luò)層六層。實(shí)際上其中的物理層、信號(hào)層和字符層對(duì)應(yīng)于OSI模型的物理層，而交換層、包層和網(wǎng)絡(luò)層對(duì)應(yīng)于OSI模型的鏈路層。在SpaceWire規(guī)范中，并未提供有關(guān)冗余機(jī)制。實(shí)現(xiàn)這一機(jī)制有很多方法，但沒(méi)有一種稱為SpaceWire規(guī)范。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于SpaceWire總線的APS冗余系統(tǒng)，以提高SpaceWire總線可靠性為目標(biāo)，對(duì)其傳輸鏈路、通信協(xié)議、關(guān)鍵設(shè)備等的冗余技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)SpaceWire總線協(xié)議特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的冗余技術(shù)，提出一種自動(dòng)保護(hù)倒換裝置(APS)，將互為主備的兩個(gè)SpaceWire節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)實(shí)現(xiàn)SpaceWire總線的主備冗余倒換功能，大大提高了SpaceWire總線傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

為解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種SpaceWire總線的APS冗余系統(tǒng)，通過(guò)SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)的APS裝置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余，確?？偩€傳輸?shù)目煽啃?。SpaceWire總線冗余驗(yàn)證系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、PC總線、SpaceWire節(jié)點(diǎn)1，SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)2，以及執(zhí)行器組成。計(jì)算機(jī)通過(guò)PC總線與SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)1相連接，總線節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間通過(guò)兩組雙向收發(fā)的總線電纜連接，SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)2與執(zhí)行器相連接。節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2分別配置有APS自動(dòng)倒換裝置。正常工作情況下，僅有主收、主發(fā)鏈路工作，備收與備發(fā)不工作，當(dāng)主收或主發(fā)鏈路發(fā)生故障時(shí)，APS裝置保證系統(tǒng)自動(dòng)切換到備收和備發(fā)鏈路上，確保設(shè)備間的正常通訊。

一種基于SpaceWire總線的APS冗余系統(tǒng)，在滿足SpaceWire總線協(xié)議的前提下，另外開發(fā)設(shè)計(jì)帶有冗余功能的SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)。采用自動(dòng)保護(hù)倒換裝置，將互為主備的兩個(gè)SpaceWire節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)SpaceWire總線的主備冗余倒換功能。具體的冗余方法包括如下步驟：

步驟S1：基于SpaceWire總線的數(shù)據(jù)通信開始后，APS自動(dòng)保護(hù)倒換裝置開始工作；

步驟S2：APS模塊將兩個(gè)獨(dú)立的SpaceWire節(jié)點(diǎn)模塊聯(lián)系起來(lái)，APS模塊不斷檢測(cè)兩個(gè)互為主備的SpaceWire節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；

步驟S3：APS模塊檢測(cè)到主節(jié)點(diǎn)鏈路發(fā)生故障(LOS－A：Loss of Signal for Node A)時(shí)，APS模塊利用遠(yuǎn)端失效指示信號(hào)(RDI－B：Remote Defect Indicator for Node B)通過(guò)備用節(jié)點(diǎn)鏈路向?qū)Χ税l(fā)出倒換請(qǐng)求數(shù)據(jù)碼，對(duì)端的備用接收模塊收到該倒換請(qǐng)求數(shù)據(jù)碼后，產(chǎn)生倒換信號(hào)給對(duì)端的APS模塊，APS模塊收到后立即將對(duì)端的總線切換到備用SpaceWire總線上，同時(shí)對(duì)端的備用發(fā)送模塊發(fā)送倒換確認(rèn)數(shù)據(jù)碼給本端備用節(jié)點(diǎn)，本端備用節(jié)點(diǎn)收到倒換確認(rèn)數(shù)據(jù)碼后，產(chǎn)生本地倒換信號(hào)給本地APS模塊，本端APS立即將本地的總線切換到備用SpaceWire總線上，完成冗余保護(hù)倒換。

其中，正常工作情況下，僅有主節(jié)點(diǎn)鏈路工作，備用節(jié)點(diǎn)鏈路不工作，當(dāng)主要節(jié)點(diǎn)鏈路發(fā)生故障時(shí)，APS裝置自動(dòng)切換到備用節(jié)點(diǎn)鏈路上，保證設(shè)備間的通訊正常。

其中，正常工作情況下，APS模塊不斷檢測(cè)兩個(gè)互為主備的SpaceWire節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到鏈路發(fā)生故障時(shí)，APS模塊能夠與SpaceWire節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)，互相通信，完成總線的切換，實(shí)現(xiàn)冗余保護(hù)功能。

本實(shí)用新型一種基于SpaceWire總線的APS冗余系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)及功效在于：在滿足SpaceWire總線協(xié)議的前提下，另外開發(fā)設(shè)計(jì)帶有冗余功能的SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)，采用自動(dòng)保護(hù)倒換裝置，將互為主備的兩個(gè)SpaceWire節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)SpaceWire總線的主備冗余倒換功能，大大提高了SpaceWire總線傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

附圖說(shuō)明

圖1 SpaceWire總線冗余驗(yàn)證系統(tǒng)原理。

圖2帶自動(dòng)保護(hù)倒換APS功能的SpaceWire總線板卡。

圖3 APS倒換工作原理示意圖之上游主發(fā)送到下游主接收鏈路發(fā)生故障。

圖4 APS倒換工作原理示意圖之下游主發(fā)送到上游主接收鏈路發(fā)生故障。

圖5 APS倒換工作原理示意圖之雙向鏈路發(fā)生故障。

圖6總線冗余驗(yàn)證系統(tǒng)主鏈路中主發(fā)故障。

圖7總線冗余驗(yàn)證系統(tǒng)主鏈路中主收故障。

圖8總線冗余驗(yàn)證系統(tǒng)主鏈路中主收和主發(fā)同時(shí)故障。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

傳統(tǒng)的SpaceWire總線板卡(帶兩個(gè)獨(dú)立SpaceWire節(jié)點(diǎn))實(shí)例化兩個(gè)節(jié)點(diǎn)IP作為雙通道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)IP包含以下子模塊：主機(jī)控制接口(HCI)、發(fā)送器(帶有Credit-Counter模塊)、接收器(帶有OutstandingCounter模塊)、接口主狀態(tài)機(jī)(FSM)、接收FIFO、發(fā)送FIFO、時(shí)間碼模塊。發(fā)送器用來(lái)進(jìn)行Data-Strobe(數(shù)據(jù)-濾波)編碼并且發(fā)送數(shù)據(jù)，它可以發(fā)送來(lái)自主機(jī)的數(shù)據(jù)或者時(shí)間碼。接收器用來(lái)完成DS編碼的解碼工作、并且將解出的數(shù)據(jù)序列發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng)。接收器的FIFO用作緩沖和速度匹配。SpaceWire控制器負(fù)責(zé)SpaceWire總線的一切運(yùn)作，包括初始化、正常運(yùn)作和錯(cuò)誤處理。兩通道共用一個(gè)pll時(shí)鐘單元。主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)PCI總線接口對(duì)節(jié)點(diǎn)各寄存器進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)鏈路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)控制與數(shù)據(jù)傳輸。

整個(gè)片上系統(tǒng)共包含5個(gè)時(shí)鐘源：基準(zhǔn)時(shí)鐘CLK_BASE，用作850ns、6.4us、12.8us超時(shí)定時(shí)器的計(jì)數(shù)基準(zhǔn)；經(jīng)PLL倍頻得到的高速全局時(shí)鐘gclk，用于協(xié)調(diào)整個(gè)芯片各模塊同步工作，即在每個(gè)gclk上升沿判斷其他時(shí)鐘的電平狀態(tài)，再執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，為防止因脈寬問(wèn)題重復(fù)觸發(fā)同一個(gè)動(dòng)作，也可以用gclk鎖住其他時(shí)鐘的跳沿再進(jìn)行邏輯判斷；內(nèi)部邏輯分頻得到的發(fā)送器時(shí)鐘tclk，以實(shí)現(xiàn)發(fā)送波特率可配置；DS解碼得到的接收器時(shí)鐘rclk，用以對(duì)D_in信號(hào)進(jìn)行采樣得到有效數(shù)據(jù)；HCI的同步時(shí)鐘LCLK。不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)交換采用讀寫時(shí)鐘獨(dú)立的異步FIFO實(shí)現(xiàn)。發(fā)送FIFO的讀時(shí)鐘為tclk，寫時(shí)鐘為L(zhǎng)CLK；接收FIFO的寫時(shí)鐘為rclk，讀時(shí)鐘為L(zhǎng)CLK。

基于SpaceWire總線協(xié)議，結(jié)合現(xiàn)有冗余技術(shù)，在傳統(tǒng)的SpaceWire總線板卡上(設(shè)計(jì)有兩個(gè)SpaceWire總線節(jié)點(diǎn))，設(shè)計(jì)本實(shí)用新型中的自動(dòng)保護(hù)倒換裝置(APS)。通過(guò)一個(gè)APS模塊將兩個(gè)獨(dú)立的SpaceWire節(jié)點(diǎn)模塊聯(lián)系起來(lái)。

本實(shí)用新型的一種SpaceWire總線冗余驗(yàn)證系統(tǒng)，如圖1及圖2所示，通過(guò)SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)的APS裝置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余，確保總線傳輸?shù)目煽啃?。SpaceWire總線冗余驗(yàn)證系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、PC總線、SpaceWire節(jié)點(diǎn)1，SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)2，以及執(zhí)行器組成。計(jì)算機(jī)通過(guò)PC總線與SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)1相連接，總線節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間通過(guò)兩組雙向收發(fā)的總線電纜連接，SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)2與執(zhí)行器相連接。節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2分別配置有APS自動(dòng)倒換裝置。

APS自動(dòng)倒換裝置不斷檢測(cè)兩個(gè)互為主備的SpaceWire總線節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到主節(jié)點(diǎn)鏈路發(fā)生故障(LOS－A：Loss of Signal for Node A)時(shí)，APS模塊利用遠(yuǎn)端失效指示信號(hào)(RDI－B：Remote Defect Indicator for Node B)通過(guò)備用節(jié)點(diǎn)鏈路向?qū)Χ税l(fā)出倒換請(qǐng)求數(shù)據(jù)碼，對(duì)端的備用接收模塊收到該倒換請(qǐng)求數(shù)據(jù)碼后，產(chǎn)生倒換信號(hào)給對(duì)端的APS模塊，APS模塊收到后立即將對(duì)端的總線切換到備用SpaceWire總線上，同時(shí)對(duì)端的備用發(fā)送模塊發(fā)送倒換確認(rèn)數(shù)據(jù)碼給本端備用節(jié)點(diǎn)，本端備用節(jié)點(diǎn)收到倒換確認(rèn)數(shù)據(jù)碼后，產(chǎn)生本地倒換信號(hào)給本地APS模塊，本端APS立即將本地的總線切換到備用SpaceWire總線上，完成一次冗余保護(hù)倒換。

假設(shè)如圖3中上游主發(fā)送到下游主接收鏈路發(fā)送故障，圖中紅色X標(biāo)記出的鏈路發(fā)送故障，圖中數(shù)字代表倒換過(guò)程的順序。

上游主節(jié)點(diǎn)發(fā)送到下游的主節(jié)點(diǎn)接收間的鏈路發(fā)生故障；

下游主節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到該鏈路失效后，向下游備節(jié)點(diǎn)發(fā)送失效指示信號(hào)；

下游備節(jié)點(diǎn)發(fā)送倒換請(qǐng)求數(shù)據(jù)碼給上游備節(jié)點(diǎn)；

上游備節(jié)點(diǎn)收到倒換請(qǐng)求數(shù)據(jù)碼后發(fā)送倒換信號(hào)給上游APS模塊，APS模塊將上游總線從主節(jié)點(diǎn)倒換到備節(jié)點(diǎn)上。

上游備節(jié)點(diǎn)發(fā)送倒換確認(rèn)數(shù)據(jù)碼給下游備節(jié)點(diǎn)；

下游備節(jié)點(diǎn)收到倒換確認(rèn)數(shù)據(jù)碼后產(chǎn)生倒換確認(rèn)信號(hào)給下游的APS模塊，APS模塊將下游總線從主節(jié)點(diǎn)倒換到備節(jié)點(diǎn)上，完成一次APS倒換，上游與下游站點(diǎn)開始通過(guò)備用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

假設(shè)如圖4中下游主發(fā)送到上游主接收鏈路發(fā)送故障，圖中紅色X標(biāo)記出的鏈路發(fā)送故障，圖中數(shù)字代表倒換過(guò)程的順序。

下游主節(jié)點(diǎn)發(fā)送到上游的主節(jié)點(diǎn)接收間的鏈路發(fā)生故障；

上游主節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到該鏈路失效后，向上游備節(jié)點(diǎn)發(fā)送失效指示信號(hào)；

上游備節(jié)點(diǎn)發(fā)送倒換請(qǐng)求數(shù)據(jù)碼給下游備節(jié)點(diǎn)；

下游備節(jié)點(diǎn)收到倒換請(qǐng)求數(shù)據(jù)碼后發(fā)送倒換信號(hào)給下游APS模塊，APS模塊將下游總線從主節(jié)點(diǎn)倒換到備節(jié)點(diǎn)上。

下游備節(jié)點(diǎn)發(fā)送倒換確認(rèn)數(shù)據(jù)碼給上游備節(jié)點(diǎn)；

上游備節(jié)點(diǎn)收到倒換確認(rèn)數(shù)據(jù)碼后產(chǎn)生倒換確認(rèn)信號(hào)給上游的APS模塊，APS模塊將上游總線從主節(jié)點(diǎn)倒換到備節(jié)點(diǎn)上，完成一次APS倒換，上游與下游站點(diǎn)開始通過(guò)備用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

假設(shè)如圖5中上游主節(jié)點(diǎn)到下游主節(jié)點(diǎn)間的雙向鏈路同時(shí)發(fā)送故障，如圖中紅色X標(biāo)記所示，圖中數(shù)字和字母分別代表一個(gè)方向鏈路倒換過(guò)程的順序。

上游主節(jié)點(diǎn)到下游主節(jié)點(diǎn)間的雙向鏈路同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，其各單向倒換過(guò)程與圖3和圖4一致。唯一不同的是(4)(f)和(6)(d)步驟。在(4)(f)和(6)(d)步驟中設(shè)置了倒換互鎖電路，用于防止雙向鏈路重復(fù)倒換。

當(dāng)APS自動(dòng)倒換裝置應(yīng)用于圖1中系統(tǒng)時(shí)，工作狀況如圖6,7,8所示。

正常工作時(shí)，主鏈路接通，備用鏈路不工作，當(dāng)主鏈路中主發(fā)發(fā)生故障，其冗余倒換過(guò)程與圖3一致，倒換后執(zhí)行器仍能保持正常工作。

當(dāng)主鏈路中主收發(fā)生故障，其冗余倒換過(guò)程與圖4一致，倒換后執(zhí)行器仍能保持正常工作。

當(dāng)主鏈路中，主收與主發(fā)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，其冗余倒換過(guò)程與圖5一致，倒換后執(zhí)行器仍能正常工作。