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1、基于 TCA 的航电串行背板总线设计研究 杨同智 周汝志 上海卫星工程研究所 摘 要： 为解决航天电子系统背板内总线因采用自定义专用设计, 继承性较差、内总线信号难以监控测试等弊端, 对基于电信计算构架 (TCA) 的航天电子串行背板总线设计进行了研究。介绍了 TCA 总线中先进电信构架 (ATCA) 和微型电信构架 (MTCA) 的类型、分区和用途。讨论了基于 TCA 总线的背板总线设计:按信号分为分级数据管理总线、数据更新接口、电源分配区、时钟分配与触发、自定义信号和测试 6 个功能区, 通过背板资源的分区规范化管理、内总线测试接口设计和基于交换策略的冗余设计, 分别采用交换结构和串行背板
2、技术设计功能区。给出了一个基于 TCA 设计的开放式、可扩展、可测试、适应不同码率需求的通用型可靠背板内总线构架, 具可靠性高、带宽大等优点。研究表明 TCA 可作为航天电子背板总线设计的一种可选方案。关键词： 综合电子; 电信计算构架; 先进电信构架; 微型电信构架; 串行背板; 交换结构; 总线拓扑; 可测试性; 作者简介：杨同智 (1987) , 男, 硕士, 主要从事卫星综合集成测试。收稿日期：2016-01-09Study on Serial Backplane Bus Design in Advanced Avionics Architectures Based on TCAYAN
3、G Tong-zhi ZHOU Ru-zhi Shanghai Institute of Satellite Engineering; Abstract： To solve the disadvantages of poor inheritance and difficulty in bus signal monitoring and testing because of custom designed backplane bus, the deign of serial backplane bus in electronic system of astronautics was studie
4、d based on telecom computing architecture (TCA) in this paper.The type, zoning and usage of advanced TCA and micro TCA in TCA were introduced.The design of backplane bus based on TCA bus was discussed.The backplane was divided into 6 functional zones which were grading data management bus, data rene
5、wing joint, power distribution, clock distribution and triggering, custom signal and testing.The functional zones were designed by exchange structure and serial backplane through the subarea management of backplane resources, test interface design and redundancy design on the basis of exchange strat
6、egy.A designed sample of backplane bus architecture for common use was given out, which was an open, extensible, testable and suitable to various code rate and had advantages of high reliability and big bandwidth.It proved that TCA would be served as a possible scheme of backplane bus design in the
7、electronic system of astronautics.Keyword： avionics; telecom computing architecture (TCA) ; advanced TCA; micro TCA; serial backplane; switch fabric; bus topology; testability; Received： 2016-01-090 引言以往航天电子系统采用分离式设计, 单机规模小而多。为进一步提升航天电子系统的模块化与集成化水平, 减轻平台重量, 国内航天器引入了综合电子理念, 将多个单机以子板的形式集成到一个单机中, 这就对背板
8、总线集成能力提出了更高的要求1。传统的 1553B, CAN 总线, 以及目前热点研究 SpaceWire, TTEthernet 等高速总线主要针对单机间互联, 国内针对背板内总线的研究较少, 单机内部互联仍采用自定义专用设计, 每个单机的背板内总线均不同, 彼此间难以继承, 增加了重复设计的开销;背板内总线在单机封盖后难以监视, 有问题必须对单机开盖检测, 带来了诸多弊端2-3。因此, 新一代航电背板总线应具通用、冗余可靠与可测试等特点, 背板标准化设计, 各类型资源丰富, 满足各单板的配电、时钟分配、管理、数据通信、背板信号监测、模拟量总线、自定义离散信号监控等需求, 板间通信采用多级总
9、线与冗余拓扑设计, 通信可靠性高。2005 年 NASA 研究报告建议采用串行背板技术和交换构架设计航天电子背板, 可获得较高的速率、较低的电磁干扰 (EMI) 和良好的可靠性4。在常用的背板总线构架中, 传统紧凑型外设部件互连标准 (CPCI) 构架采用并行总线构架, 较难实现冗余设计;CPCI-Serial 基于串行点对点交换构架, 虽解决了冗余可靠性设计问题, 但背板带宽资源受限, 不适应航天电子背板采用更高码率的发展趋势, 尤其是大载荷或数据中继转发型的卫星应用5。2012 年 NASA 发布的 SpaceAGE 和 2003 年 ESA 发布的 SpaceWire 也可用于背板通信,
10、 但任务延时不确定, 主要用于数据传输, 不适于背板任务管理6-7。TCA 电信计算构架是 PCI 工业计算机制造商集团 (PICMG) 制定的面向高可靠高带宽应用的规范, 采用基于交换构架的多冗余配置管理, 可承受加速度 3g 以上的正弦振动与 8g以上的随机振动。与 SpaceAGE, SpaceWire 等总线相比, 该背板采用分级数据管理总线, 兼容低速的背板任务管理和高速的背板数据传输功能, 提供了更丰富的背板带宽资源, 具备一定的时钟分配与自测试能力, 可在较长时期内满足航天器背板总线资源的需求8。本文以 TCA 为基础, 设计了一种通用型航天电子背板总线构架。1 TCA 总线简介
11、TCA 包含功能全面的先进通信计算机构架 (ATCA) 和精简的微小通信计算机构架 (MTCA) , 在 PICMG 3.X, MTCA.X 系列协议中详细制定了机械、电源、互联、系统管理等内容, 其规范化的背板结构支持冗余配置管理, 可靠性达到 99.999 9%。标准 ATCA 为 14 或 16 槽, 其中包含 Hub 交换槽 2 个、中心控制槽 2 个、节点功能槽 12 或 10 个, 此外也存在 6 槽等精简构架;标准 MTCA 为 14 槽, 系统槽与交换槽的功能合并, 称之为微型 TCA 载波交换板 (MCH) , 其余为节点功能板 (AMC) , 此外也存在 4 槽、8 槽等精
12、简尺寸构架。ATCA 有交换板、中心控制板和节点板三种类型。背板用于电源分配、系统管理、数据传输和自定义接口扩展, 分为三个区 (如图 1 所示) :1 区用于电源分配、自测试和关键低速管理信号传送;2 区用于中高速数据通信, 包含基本中速监控、高级高速交换、板间数据更新、时钟分配 4 类接口;3 区为自定义信号区8。图 1 ATCA 背板总线 Fig.1 Schematic of ATCA backplane bus 下载原图MTCA 包含 MCH 载波交换板和 AMC 节点板两种类型板卡, MCH 兼具中心控制板与交换板功能, 背板资源如图 2 所示。分为上下两个区:下区至多可配置连接器
13、4个, 用于电源与时钟分配、模块互连、系统管理、联合测试工作组 (JTAG) 测试等;上区为自定义信号扩展区9。图 2 MTCA 背板总线 Fig.2 Schematic of MTCA backplane bus 下载原图2 基于 TCA 总线的背板总线设计现有航天电子背板信号类型见表 1。除具可承受航天器振动与噪声冲击的坚固机械机构、良好的配电与热控能力、板间直接信息交互、支持冗余配置管理和良好的电气可靠度等传统特性外, 背板总线构架还应有以下优点。表 1 航天电子系统背板总线信号类型 Tab.1 Backplane bus signal type of aerospace electro
14、nic system 下载原表 a) 具备良好的通用性与可继承性, 对背板资源分区规范化管理, 保留自定义信号区, 既满足差异化设计需求, 又提高背板通用性。b) 可适应不同码率应用需求, 将背板数据管理总线分为三级:关键的低速监控总线、基本的中速监控总线、高级的高速数据流总线。c) 具备冗余时钟分配与触发同步能力, 用于系统时序节拍统一。d) 具备一定的可测试性, 具备内总线数据监视、板卡内建测试能力。根据表 1, 将背板按信号类型分为 6 个功能区。参考 TCA, 分别对每个功能区进行设计。2.1 分级数据管理总线区背板总线中, 数据管理总线占据背板最大资源, 为适应不同码率应用, 此功能
15、区分为三级:关键的低速监控总线、基本的中速监控总线和高级的高速数据流总线。设计涉及拓扑、物理层接口和协议。2.1.1 拓扑航天电子系统背板要求具备冗余能力。在标准总线中, 采用点对点串行交换构架便于实现冗余设计。不同的总线拓扑结构, 冗余度与设计复杂度各异。常用的背板总线拓扑如图 3 所示, 冗余可靠度从图 3 (a) 到图 3 (e) 依次增大, 实现的复杂度也相应上升。参考 TCA 设计, 关键低速监控总线拓扑可为 ATCA 采用的双总线式或 MTCA 采用的双星型拓扑结构, 基本中速监控总线拓扑为 ATCA 与MT-CA 均采用的双星型拓扑结构, 高级高速数据流总线拓扑可为 ATCA 采
16、用的全网型或 MTCA 采用的双星型拓扑, 全网型拓扑向下兼容双星型、双双星型和多层中心节点型, 冗余性好, 但实现复杂度较高8。图 3 互连拓扑 Fig.3 Interconnecting topology 下载原图2.1.2 物理层接口低速总线面向兆级码率的健康安全管理应用需求, 可采用 TTL, CMOS, RS422 等电平形式。参考 TCA 构架, 采用 TTL 电平的 IC 电气协议总线接口。IC 具备强大管理能力, 美国推进喷气实验室 (JPL) 的深空系统技术计划 (X2000) 将 IC列为低功耗总线标准10。中高速总线常用接口主要有射极耦合逻辑 (ECL) 、低电压差分信号 (LVDS) 、电流模式逻辑 (CML) 三类。ECL 最高码率可达 10Gb/s, 但功耗较高, EMI 较大;CML 是 PCI-E 3.0, RapidIO, SA-TA 等总线的物理层接口, 最高码率可达10Gb/s, 接口类似 ECL, 但更简单, 是码率 4 Gb/s 乃至 10
