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首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 摘要 苛刻环境通信系统蕴藏着巨大的潜在应用价值，抗电磁干扰机制与算法是众多应用 的核心支撑技术。为了提高系统在恶劣环境中的通信能力，本研究拟通过冗余和低电压 差分方法为抗电磁干扰通信建立模型，并设计相应的错误校验及恢复机制，降低电磁干 扰、单粒子事件导致的故障，进而提高通信速度。最后，我们将集成阶段性研究成果， 设计一种速率可随应用环境需求动态调节的，适合苛刻环境通信系统技术特点和工程应 用背景的抗电磁干扰机制及其实现算法，并对算法的性能进行实验分析与评价。 本文首先给出了不同苛刻级别的环境中选择总线技术的一般标准，然后根据该标准 对现存应用较多的总线技术进行了详细的比较，并最终确定对该苛刻环境高速总线协议 进行重点研究开发。 该苛刻环境高速总线是一种高速的、点对点、全双工的串行总线网络。该协议标准 致力于对航天器有效载倚系统数据和控制信息的处理，以满足未来高性能高速数据传输 为目标，提供了一种统一的用来连接传感器、数据处理单元、大容量存储器、遥测子系 统以及电地支持设备e g s e ( e l e c t r o n i cg r o u n ds u p p o r t e q u i p m e n t ) 的基础架构。 文中随后对该苛刻环境高速总线协议进行了深入的分析、研究，从总线的体系结构 角度，详细阐述了其主要性能和关键技术。在对该总线系统开发过程中，采用x i l i n x i s e 7 1 和m o d e l s i m 6 0 相结合的软件环境。硬件上，采用x i l i n x 的s p a r t a n 3 系列的 f p g a 开发板对总线系统进行物理验证，同时总线的传输电缆选用千兆网网线来实现。 最终，该总线系统在实验室环境中其通信速率可达到3 3 m b i t s s e c ，基本实现预定的 目标，可以满足航天数管系统的需要。目前，该总线系统的原理样机即将交付使用。 关键词 苛刻级别总线f p g a l v d sd s 编码e m c 首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 a b s t r a c t t h ec o m m u n c i t o n ss y s t e mi nr u g g e ds u r r o u n d i n gi sv a l u a b l e ，a n t i e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n da r i t h m e t i ca r et h em o s ti m p o r t a n t f o ri n c r e a s i n gt h ea b i l i t yo fc o m m u n c i t o n s i nr u g g e ds u r r o u n d i n g ，r e d u n d a n c ya n dl v d sa r eu s e di n t h i sr e s e a r c ht ot r e a tt h es y s t e m ， i n c l u d i n gt h ev e r i f y i n ge r r o r , r e c o v e r y , d e b a s i n ge l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n da v o i d i n g s i n g l ep a r t i c l ee v e n t a n dt h es y s t e mc a na d j u s tt h es p e e da c c r o u n d i n gt ot h es p e c i a ld e m a n d a tl a s t ，t h ea r i t h m e t i ci si m p l e m e n t e da n de x p a t i a t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h e r ei st h es t a n d a r dt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t eb u si nd i f f e r e n tr u g g e ds u r r o u n d i n g s i nt h i sp a p e r a n dt h e na c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d ，t h el i v i n ga n dm o r eu s e db u s e sa r ec o m p a r e d d e t a i l e d l y a tl a s tt h eh i 曲s p e e db u s p r o t o c o li ss t u d i e dm a i n l y t h eb u ss t a n d a r da d d r e s s e st h eh a n d l i n go fp a y l o a dd a t aa n dc o n t r o li n f o r m a t i o no n b o a r d as p a c e c r a f t i ti sas t a n d a r df o rah i 曲s p e e dd a t al i n k ，w h i c hi si n t e n d e dt om e e tt h en e e d so f f u t u r e ，h i g hc a p a b i l i t y , r e m o t es e n s i n gi n s t r u m e n t sa n do t h e rs p a c em i s s i o n s t h eb u sp r o v i d e s au n i f i e dh i 曲s p e e dd a t a - h a n d l i n gi n f r a s t r u c t u r ef o rc o n n e c t i n gt o g e t h e rs e n s o r s ，p r o c e s s i n g e l e m e n t s ，m a s s m e m o r yu n i t s ，d o w n l i n kt e l e m e t r ys u b s y s t e m sa n de g s ee q u i p m e n t s e c o n d l y , t h eb u s p r o t o c o li sd e e p l ya n a l y s e da n di n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , f r o mt h ea s p e c t o f f r a m e w o r ko f t h i ss t a n d a r d ，t h ea u t h o re x p a t i a t e dt h eg r e a tp e r f o r m a n c ea n dk e yt e c h n o l o g y o ft h es t a n d a r d i nt h ep r o c e s so fc o d i n g ，t h es o f t w a r ec o d i n gt o o l so fx i l i n xi s e 7 1a n d m o d e l s i m 6 0a r ec h o s e nt ou s e i nt h eh a r d w a r es u r r o u n d i n g ，x i l i n xs p a r t a n 3s e r i a lf p g aa r e c h o s e nt ou s et oc a r r yo u tt h ep h y s i c a lv a l i d a t i o n ，a tt h es a m et i m e ，t h ek i l o m e g ar e t i c l ei su s e a st h et r a n s m i s s i o nc a b l e f i n a l l y , t h ex i l i n xf p g ao fs p a r t a n 3 s 4 0 0 - p c ii su s et oi m p l e m e n tt h eh i 曲s p e e db u s s y s t e m i nl a bs u r r o u n d i n g , t h ec o m m u n i c a t i o ns p e e dw i t h3 3 m b i t s s e c i sa c h i e v i n gt h e s c h e d u l e dg o a la n dc a nm e e tt h en e e do f s p a c es y s t e m n o wt h es y s t e ms a m p l ew i l lb eu s e d k e y w o r d r u g g e dl e v e l b u sf p g al v d sd sc o d i n ge m c 首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 英文缩略词 n a s a ( n a t i o n a la m e r i c ms p a c e a g e n c y ) e s a ( e u r o p e a ns p a c e a g e n c y ) e g s e ( e l e c t r o n i cg r o u n ds u p p o r t e q u i p m e r i t ) f p g a ( f i l e dp r o g r a m m i n gg a t e a r r a y ) v h d l ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) e m l ( e l e c t r o m a g n e r i ci n t e r f e r e n c e ) p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb e a r d ) l 、，d s ( 1 0 wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l l i n g ) d s ( d a t a - s t r o b e ) e o p ( e n do f p a c k e t m a r k e r ) e e p ( e r r o r e n do f p a c k e t ) f c t ( f l o wc o n t r o lt o k e n ) e s c ( e s c a p ec h a r a c t e r ) l c h a r ( 1 i n k - c h a r a c t e r ) n c b a r ( n o r m a l - c h a r a c t e r ) m b s ( m e g a b i t sp e rs e c o n d ) f i f o ( f i r s ti nf i r s to u tm e m o r y ) 3 美国航空航天局 欧洲空间局 电地支持设备 现场可编程fj 阵列 硬件编程语言 电磁兼容性 电磁干扰 印刷电路板 低电压差分信号 数据滤波 包结束标记 错误数据包尾 流控制标记 转义字符 链路字符符 常字符 每秒兆字节 先进先山寄存器 首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 图索引 图l ：苛刻环境高速总线体系结构“1 7 图2 ：d s 编码1 8 图3 ：字符的描述1 9 图4 ：数据包格式2 0 图5 ：苛刻环境高速总线网络的示意i 室i 一2 l 图6 ：完整的f p g a c p l d 设计流程2 5 图7 ：高速总线链路接口基本状态图2 9 图8 ：控制模块结构图+ 3 0 图9 ：发送模块结构图”3 2 图1 0 ：接收模块结构图一3 4 图l1 ：恢复模块结构图3 5 图1 2 ：错误模块结构图3 7 图1 3 ：时间模块结构图”3 7 图1 4 ：信誉模块结构图3 8 图1 5 ：波特率选择模块结构图3 9 图1 6 ：控制模块仿真波形图“4 l 图1 7 ：发送模块仿真波形图4 2 图1 8 ：接收模块仿真波形图“4 2 图1 9 ：恢复模块仿真波形图4 3 图2 0 ：错误模块仿真波形图4 3 图2 1 ：时间模块仿真波形图“4 3 图2 2 ：信誉模块仿真波形图4 3 图2 3 ：波特率选择模块仿真波形图4 4 图2 4 ：整体系统链路初始化仿真波形图- 4 4 图2 5 ：整体系统某端只发送不接收数据的仿真波形幽一4 5 图2 6 ：整体系统某端只接收不发送数据的仿真波形图4 5 图2 7 ：整体系统某端只发送不接收，包括发送包结束标记的仿真波形图4 6 图2 8 ：整体系统某端只发送不接收，包括发送错误包结束标记的仿真波形图4 7 图2 9 ：整体系统某端只接收不发送数据，包括接收包结束标记的仿真波形图。4 7 图3 0 ：整体系统某端只接收不发送数据，包括接收错误包结束标记的仿真波形图4 8 4 首都师范大学硕士学位论文特殊环境高速总线技术的研究与实现 图3 l ：整体系统某端只发送不接收数据，包括发送时间码的仿真波形图“4 9 图3 2 ：整体系统某端只接收不发送数据，包括接收时间码的仿真波形图4 9 图3 3 ：整体系统某端既发送也接收数据的仿真波形图一5 0 图3 4 ：整体系统某端检测到奇偶校验错误的仿真波形图5 1 图3 5 ：整体系统某端检测到链路断开错误的仿真波形图”5 l 图3 6 ：s p a r t a n 一3l c 开发板5 4 图3 7 ：s p a r t a n 3l c 开发板跳线接口一5 4 图3 8 ：s p a r t a n 3 s 4 0 0 一p c i 开发板- 5 5 圈3 9 ：苛刻环境高速总线原理样机5 7 图4 0 ：苛刻环境高速总线原理样机局部连接5 8 图4 1 ：苛刻环境高速总线系统连接、发送、接收界面5 8 图4 2 ：苛刻环境高速总线系统工作时钟频率示波器采集5 9 5 首都师范大学硕士学位论文特殊环境高速总线技术的研究与实现 表索引 表1 ：苛刻环境标准具体参数 表2 ：总线标准主要特点 表3 ：总线标准比较一 表4 ：苛刻环境高速总线电缆的最大检测标准 表5 ：波特率选择值的设定 表6 ：多种传输线的链路建立时间最优情况比较 6 b b 坫弦 首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 1 1 课题的背景和研究意义 1 1 1 课题的背景 第1 章绪论 本课题来自国防科工委卫星型号项目支持，是中国科学院国家天文台s s t 项目组的 一个关键技术攻关课题。 1 1 2 研究意义 国家战略需求和国民经济发展离不开精密、实时、动态的信息遥测和监视，而这些 监测任务绝大多数都是在特殊的苛刻环境中完成的。因此，探索、构建为国家经济建设 与安全服务的苛刻环境通信系统意义明显。 苛刻环境通信系统一般是指可以装载在卫星、飞机或地面上( 野外露天、矿井等苛 刻或危险环境) 的无人职守监测系统，它具有对待测目标的参数进行长时间连续监测或 周期监测的功能，用以实时获得待测目标空间、时间和频谱的动态变化信息，获取待测 量的统计分布和预测其突变的几率；同时它也是可重组的通用综合系统，能够按任务需 求实时组成不同功能的监测系统。 从国家安全的战略需求上讲，国家和军队需要分辨率更高的，且能详察空间、陆地 和海洋的军事卫星；需要能及时预测到突发事件的局域和全域预警体系；需要在必要时 刻对“对手”实施信息对抗的军事系统，这一切都离不开精密、实时、动态的信息遥测 和监视，且多数任务都只能在恶劣的环境中完成的。 从国民经济发展市场需求来讲，工作在特殊环境中的各种通信系统能帮助人们深入 了解工业布局、农业收成，植被病虫害，森林火警、气象变化、洪涝预测，环境污染， 地质突变状态等与人民的生产及生命安全戚戚相关的信息。比如：在空| 日j 科学探测、矿 山安全监测、无人区监测、环境污染监测等自然灾害的预警系统中，由于被测环境中存 在较强的电磁干扰、辐射、单粒子事件，所以，使用基于计算机的数据采集系统来完成 监测任务是相当危险和不可靠的，而且系统的布控也难以实现。因此，研究苛刻环境通 信系统已经成为当务之急。 本课题是一个涉及通信、容错、计算机科学等多学科的综合性研究课题，其中涉及 到抗干扰设计、低电压差分传输技术都是国内外的研究热点，具有一定的前瞻性。国家 首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 战略需求和国民经济发展的市场需求是我国苛刻环境通信系统的发展动力。同时，这项 具有自主知识产权的基础技术研究也有助于打破国外的技术封锁与禁运，促进我们在这 个领域的技术创新能力。 近年来的大量研究与实验表明：由于野外露天或恶劣环境现场的特殊性，使本已成 熟应用的传统系统在此遇到重重困难，严重制约了各类传统系统在苛刻环境中的推广和 使用，现实告诉我们：不能照搬传统系统的通信方式来解决苛刻环境中的通信问题。因 此，设计苛刻环境通信系统是一项具有挑战性的研究工作。 1 。2 国内外研究现状 通信环境的优劣对苛刻环境通信系统的可用性影响很大。由于系统通常工作在野外 露天或环境恶劣的现场，所以，除了要进行防爆、防尘、防潮、防霉等必要的设计外， 还必须考虑电磁辐射、单粒子事件对系统通信产生的影响，要解决可靠性和高速传输两 个关键技术问题。 由于不能照搬传统系统的通信方式来解决苛刻环境中的通信问题。因此，探索基于 苛刻环境的通信系统已成为国内外研究者共同追求的目标，随着研究工作的不断深入， 逐渐形成了一些苛刻环境通信标准，主要包括： r s 4 2 2 ( r s - - 4 8 5 ) , 营, 线【1 1 ：1 加拿大研制的m o s t 卫星( 2 0 0 2 ) 中采用，用于实现星 务计算机与两个互为备份的姿控计算机之问的通信。o r b i t a l 公司研制的m i c r o s t a r 、 p e g a s t a r 、m i n i s t a r 、p i c o s t a r 等卫星中采用了r s 一4 2 2 ( 或r s 一4 8 5 ) 总线。 c a n 2 1 总线：英国萨里大学研制的f a s a t a l f a ( 1 9 9 5 ) 小卫星中采用，用于实现 所有的处理节点及一个基于i n t e l 3 8 6 e x 的星载计算机之间的通信。另外u o s a t 1 2 ， s n a p 一1 ( 2 0 0 0 ) d , 卫星中、清华大学与英国萨瑞大学联合研制的小卫星“清华一号”中也 采用了这种总线。 m i l s t d 一1 5 5 3 b 习总线：这是一种到目前为止，已经得到了成功的应用，并在星 载总线中应用的最为广泛的一种主从式数据总线，我国的“神舟”飞船和“实践5 号” 小卫星及国际空间站上都采用了这种总线，这是一种n a s a 推荐将来在空间应用的总 线。 m i l s t d 一1 7 7 3 f 4 】：目前只有在n a s a 发射的小型探测卫星s m e x 上进行唯一的 应用，这也是一种n a s a 推荐将来在空间应用的总线。 2 首都师范大学硕士学位论文特殊环境高速总线技术的研究与实现 o b d h 总线【5 】：这种由e s a 开发的总线也是目前应用比较广泛的总线之一， g i o t t o ( 1 9 8 5 ) ，o l y m p u s ( 1 9 8 9 ) 、h i p p a r c o s ( 1 9 8 9 ) 和e r s 一1 ( 1 9 9 1 ) 以及法国研制的s p o t 卫 星系列都使用了这种总线。 e n t h e m e t 总线【6 】：清华大学研制的“清华一号”( 1 9 9 9 ) 中采用了这种总线。通 过1 0 m b p s 的e n t h e r n e t 总线实现了多个t r a n s p u t e r 设备与o b c 3 8 6 星载计算机之间的通 信。这是一种n a s a 推荐将来在空间应用的总线。 i e e e 1 3 9 4 总线p l ：这是一种n a s a 准备用于星载设备问的i e e e 标准总线。目 前尚未见到实际的星载应用。n a s a 推荐将来在空间进行应用。 i e e e l 3 5 5 s p a c e w i r e 总线【8 】：这是一种e s a 准备用于星载设备间的i e e e 标准总 线，e s a 推荐在空间进行应用。 ( 9 f d d i 总线【9 】：“自由”号空间站采用了这种总线。 ( 煎) f o d b ( f i b e ro r ，t i cd a t ab u s ) 总纠1 0 】：美国航空航天局( n a s a ) 在2 0 0 0 年1 1 月 2 1 日发射的“地球观测1 ”( e o 1 ) 卫星中使用了这种总线，其中仅使用了三个节点。 由此可见，为了完成在特殊环境中的通信、监控和数据交换，目前存在着相当多的 各种各样的接口类型和标准。而且这些总线技术在国际上的应用已经崭露头角，而且应 用的领域也是较为尖端，蓬勃发展的势头更是不可阻挡。 下面，我们就简单介绍下这些总线技术的主要应用： s p a c e w i r e u s bb r i c k t l l l 这个s p a c e w i r e u s bb r i c k 是一个便携的u s b 2 0 的接口，它为主机和 s p a c e w i r e 之间提供一个接口。它的电源是经过u s b 电缆通过主机供应的。这个 s p a c e w i r e u s bb r i c k 提供了两个接口，单独使用时可以达到2 0 0 m b i t s s 的速率。 该驱动程序对于l i n u x 和w i n d o w s 系统都是可用的。当与s p a c e w i r e 通信时， l i n u x 驱动支持t c p i p 协议。这些产品的用途是在主机和s p a c e w i r e 网络之间建立一个 简单的接口连接，使得数据能够以高速的，连续的数据速率到达主机的存储器。 ) s p a c e w i r er o u t e r - u s b 1 2 1 这个s p a c e w i r er o u t e r - u s b 是一个有八端口的s p a c e w i r e 路由器，其中它的第 九个端口和一个u s b 2 0 的接1 3 相连，这样就可以通过该路由器将主机和s p a c e w i r e 网络连接起来。 当前的驱动程序对于l i n u x 系统( 完全支持u s b 2 0 的版本) 和w i n d o w s ( x p ， 2 0 0 0 ) 都是可用的。驱动程序可以从p c 机的存储器中以较高的速率经过u s b 2 0 接收 首都师范大学硕士学位论文特殊环境高速总线技术的研究与实现 和发送s p a c e w i r e 数据包。在必要的时候，还可以接收和发送较大的数据包，比如一 副完整的图像等。 这种路由器与正在由e s a 研制，将有a t m e l 制造的耐辐射的路由器是相互兼容 的。s p a c e w i r e 接口运行的速率可以达到2 0 0 m b i t s s 。该路由器的电源是由其自带的一 个5 伏的电池提供的。 s p a c e w i r em o n i t o r t l 3 】 这个s p a c e w i r em o n i t o r 是解码的s p a c e w i r e 信号的一个触发器。一个s p a c e w i r e 链 路可以由一个监测仪连接两根电缆来模拟。监测仪上的发光二极管可以显示出链路中每 个方向上的通信情况。此外，该产品还提供了两个逻辑分析连接器，这样一来，无论是 a g i l e n t 还是t e k t r o n i x 的逻辑分析仪都可以直接插到监测器上。它们就可以更为详尽的 记录解码的s p a c e w i r e 的通信情况。 s p a c e w i r el i n ka n a l y s c f 【1 4 】 这个s p a c e w i r el i n ka n a l y s e r 用来记录和分析一个s p a c e w i r e 链路中的数据流。它 带有两个s p a c e w i r e 接口，一个u s b 2 0 接口，而且，是通过u s b 接口提供电源。一个 s p a c e w i r e 链路可以由一个连接了两根电缆的分析仪代替。这个链路分析仪就可以监 测、记录和分析经过s p a c e w i r e 链路的通信流情况。 分析的结果可以通过u s b 接口在主机上显示。该产品为那些使用s p a c e w i r e 网络的 软硬件工程师，在想知道经过这个网络的通信情况、各种各样的数据包的内容、以及什 么样的情况会产生错误时提供了帮助。 1 3 本人所做的主要工作 1 3 1 研究的主要内容 该毕业设计最终要解决的问题就是找到一种能够在特殊环境中进行高速通信的总线 技术，并在实验室中将其初步实现。那么，为了最终达到这样的目的，我们需要主要研 究下面四个问题： ( 1 ) 选择通信总线技术 首先，我们对目前已经存在的、优势显而易见的、有过一定应用的总线技术从各个 角度进行全方面的比较，尤其是其在特殊环境下，对温度、湿度、日照强度，风力变换 等苛刻条件的适应能力，以及通信总线技术的冗余纠错能力，抗干扰能力，电器可靠 4 首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 性，稳定性，响应的延时程度等等，都是决定我们选择哪种总线技术来进行重点研究的 首要标准。 在研究这一问题时，我们先是研究、总结出了适合于特殊环境下通信总线技术的一 般标准；接着叉探讨出了特殊环境中苛刻条件的具体定义，以及各项规定的详细参数； 然后我们将那些已经应用于或即将应用于特殊环境中的总线技术进行了周详的对比；最 后挑选出我们希望得到的能够在特殊环境中进行高速通信的总线技术。 针对上面提到的这些需要研究的问题，我们将在“拟采用的解决途径和方法”中详 细介绍。 ( 2 ) 掌握通信总线的协议 然后，当我们通过查阅大量的相关资料，按照一定的比较策略，对从相应渠道获得 的一些精准可靠的数字进行了反反复复的研究分析，最终找到一种最为适合我们的应用 需求，能够较好的在特殊环境中完成高速通信的总线技术后，我们对支持该技术的相关 协议，以及这些协议的历史背景，应用该协议研发产品的相关资料等，进行了认真的学 习、研究，在最短的时间内，了解、掌握了该协议的层次体系结构，数据的编码、解码 策略，错误校验、恢复机制，如何控制链路中信号的抖动和倾斜，如何保证高可靠性等 等较为重要的内容，对我们下一步进行代码的开发打好坚实的基础。 ( 3 ) 设计代码，仿真研究 其次，当我们对该通信总线技术的相关协议有了一定的了解后，再根据我们的应用 需求，对要开发的代码进行模块的划分，对各模块的功能，输入输出端口，模块间的相 互关联信号等进行了尽可能全面的定义。当然，随着同后代码开发编写地不断深入，这 部分内容难免会进行相应的改动。接着，我们就对该高速通信总线技术的最核心模 块一发送( t r a n s m i t t e r ) 和接收( r e c e i v e r ) 功能模块由简单到复杂的过程进行代码的 开发工作，当最基本的功能可以实现时，我们在此基础上再加入时间码，控制字符，数 据包结束字符的判断，以及奇偶校验、错误恢复的机制等等。然后，我们利用软件的测 试工具，查看代码综合、实现后的仿真波形，以此来判断代码编写的正确与否，不断进 行完善。 ( 4 ) 硬件设备验证 最后，我们将开发好的代码下载到x i l i n xf p g a 1 5 1 开发板上，通过示波器、逻辑分 析仪等工具，验证代码的正确性和稳定性。当这一步确定可靠后，我们将两块开发板分 别和两台主机相连，利用该高速通信总线实现数据的发送和接收功能，最终实现图像的 5 首都师范大学硕士学位论文特殊环境高速总线技术的研究与实现 发送和接收。 1 3 2 关键技术与难点 随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，从而使得 能够在一定条件下满足特殊环境中使用的总线技术也是种类繁多，各具特色。我们如何 在众多的总线中选择一种性能最为优越，能够在最大程度上满足我们需求的总线技术 呢? 我们应该以怎样的标准来评判和筛选这些已经存在的各种各烊的总线技术? 这是我 们首当其冲需要解决的问题。 其次，当我们选择好一种总线技术准备进行研究时，我们在软件方面又该选择何种 开发、测试工具，对代码进行编写和验证呢? 在开发代码的过程中，我们该怎样进行模 块的划分，以怎样的顺序着手编写代码? 当代码编写完成并进行软件仿真、测试后，我 们又该选择何种硬件工具，何种开发板将代码下载并得以实现呢? 如何使得我们的测 试、实现环境和实际情况最为接近昵? 以上这些都是我们在进行本次毕业设计时，应该想到而且也会遇到的问题，其中总 线的选择是最根本的问题，代码丌发过程中模块的划分、软件的仿真、测试是最难点的 问题。我们只有将这些问题都逐一解决，才能保证此次毕业设计的顺利完成。 1 3 3 解决途径与方法 对于第一个问题，我们收集了大量的数据和信息，力求确保这些参考文献真实可靠 的前提下，我们以一定的标准来评判哪些总线技术能更好的在特殊环境中出色的完成任 务。 根据一些已经存在的总线标准和我们的需求，制定了一个在特殊环境中高速总线选 择的一般原则：即该总线协议是否是一种国际标准、其商业化程度如何，其实时性、等 时性、容错性、可维护性、是否具有高带宽、以及其抗恶劣环境的能力等等。 接着，我们就根据上面给出的特殊环境中总线技术选择的一般原则，以及特殊环境 苛刻条件的各项要求，对国内外研究较多的各项总线技术进行了详细的分析和比较。 当我们确定好一种总线技术来研究时，我们选择了美国赛灵思( x i l i n x ) 公司的 x i l i n xi s e7 1 i 1 6 1 作为软件代码的开发工具，采用硬件编程语言v h d l 1 8 1 作为编程语 言，同时选择m o d e l s i ms e6 0 t 丌】对编写的代码进行各种级别的仿真、测试。 利用i s e 集成开发工具可以完成上述整个f p g a 的开发过程。此外，在对设计开发 6 首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 进行各种级别的仿真时，我们还借助了功能强大的m o d e l s i me s6 0 测试、仿真工具。 这样使得我们在仿真工具的使用上又多了一个选择，可以和x i l i n xi s e 自带的仿真工 具相互协调使用。 最后，我们利用x i l i n xs p a r t a n 一3l c 系列f p g a 开发板实现原理样机系统通信 平台的构建。 1 4 本文的组织结构 第一章：引言 本章中首先介绍了本课题的背景及其研究意义，详细分析、比较了国内外相关工作 的研究现状，着重介绍了国外相关技术的主要产品以其应用领域。然后，对本人所做的 主要工作进行了详尽的阐述，主要包括研究的主要内容、特色与创新、关键技术与难点 以及解决的途径和方法。 第二章：总线技术 本章中首先介绍了总线的基本概念，对特殊环境的苛刻级别分别从温度、湿度、高 度、冲击、振动等方面进行了比较具体的划分。接着，给出了选择总线标准的一般原 则，然后按照该原则对常见的各种总线技术进行了比较。 第三章：苛刻环境高速总线协议 本章中首先介绍了该苛刻环境高速总线协议的主要内容，包括该总线的主要性能和 六层体系结构。然后，分别着重分析、介绍了物理层、信号层、字符层、交换层、数据 包层、网络层以及应用程序接口层等的主要功能和实现原理及关键技术。 第四章：苛刻环境高速总线系统开发 本章中首先介绍了该总线系统开发环境的选择，包括自顶向下的设计方法、f p g a 技术以及硬件开发语言。然后，根据总线协议对所需要的功能模块进行了划分，主要有 控制模块、发送模块、接收模块、恢复模块等。 第五章：苛刻环境高速总线系统的综合、仿真与验证 本章中首先介绍了验证该总线系统时所需的综合、仿真工具，重点阐述了这些验证 工具的优势和不足。然后，对各个功能模块进行了相应级别的波形仿真，最后，对整个 系统进行了整体的综合、仿真分析。 第六章：苛刻环境高速总线原理样机的设计与实现 7 首都师范大学硕士学位论文特殊环境高速总线技术的研究与实现 本章中首先介绍了该总线系统硬件环境中所使用的x i l i n xs p a r t a n 3f p g a 实验开发 板，并根据实验验证要求分别设计了管脚约束和时序约束文件。最后，着重介绍了该苛 刻环境高速总线系统原理样机的整体设计及其工作流程。 第七章：结论与展望 本章中首先对该总线系统的主要性能进行了评价，总结了设计过程中的经验、教 训，明确自身存在的不足并找出改进的方向和方法。然后，对该总线系统的下一步发展 提出了大胆的规划和展望，并结合总线协议中的具体标准将其功能更加完善。 8 首都师范大学硕士学位论文特殊环境高速总线技术的研究与实现 2 1 总线的基本概念 第2 章总线技术 总线，简单地说，就是用来传送信息代码的公共通道。由于其应用的领域很是广 泛，所以从不同的角度和着重点出发，对总线存在着多种不同的分类和比较方法。而且 根据不同领域的特殊需求，各种总线都有其相应的特点和优势。但无论哪种总线，无论 应用在何种领域，都要求总线具有高可靠性，也就是总线要有完善的服务机制，保证总 线运行中的稳定、安全。同时，大多数的总线还需要较高的带宽，保证传输中的速率。 当然，稳定性和高带宽，很多情况下都不能兼得，这就需要研究人员找到一个平衡点， 最大限度得满足两者得需求。 2 2 特殊环境苛刻级别的划分 苛刻环境通信系统一般是指可以装载在卫星、飞机或地面上( 野外露天、矿井等危 险环境) 的无人职守监测系统，它具有对待测目标、参数进行长时间连续监测或周期监 测的功能，以获得待测目标的空间、时间和频谱上动态变化信息，判别待测量的统计分 布和预测其突变的几率，同时它也是可重组的通用综合系统，可按任务需求实时组成不 同功能的监测系统。 苛刻环境是指那些存在较强的电磁于扰【2 0 】、单粒子事件【2 1 1 ( 空阳j 中的系统，比如： 卫星、火箭) 、拥有极端的温度、较大的热循环压力、高度和湿度范围变化大、容易产 生很高的冲击和振动的环境。 苛刻环境通信系统主要用于隧道、矿山、野外露天或环境恶劣的监测现场，监测环 境中存在易燃易爆条件，湿度大，灰尘多，监测场所分散，距离较远等特殊问题。 与绝大多数室内和一般工业环境相比，在苛刻环境中工作的各种系统必须考虑并解 决以下问题：湿气、水蒸汽、腐蚀与爆炸、极端温度、震动、电磁干扰、电离辐射、单 粒子事件、总剂量效应【2 2 1 、锁定等因素。 电磁干扰：严重的电磁干扰源通常来自临近数据通路的生产设备、电力通道等，这 时系统的各部分电路都会产生感应电场，并能耦合入数据通路中导致噪音，破坏数据信 号的完整性，造成通信错误。 电离辐射：它可能引起m o sf - j 电路的充放电，造成电路暂时性翻转( s i n g l ee v e n t 9 首都师范大学硕士学位论文 特殊环境高速总线技术的研究与实现 u p s e t , s e u ) ，也可能加快电路老化，造成电路永久损坏( s i n g l ee v e n ti t , s e r ) 。 单粒子事件：是指半导体记忆( 存储) 单元，在受到高能粒子轰击时，可能发生状 态翻转( o 变为1 ，1 变为o ) ，这种翻转对于c p u 的指令将直接导致软错误。 总剂量效应：是指空间辐射微粒在电子器件内部的沉积和累积引起的器件性能逐渐 退化甚至失效的现象，每个器件失效前所能承受的最大粒子注入量，称为器件的总剂 量。 锁定：是指当高能射线穿过半导体时，器件将发生可控硅效应，产生大电流，若不 加以保护，器件将会被烧毁。 目前，国际上将总线技术应用的环境大体分为三类 2 4 1 ，分别为：商用级 ( c o m e r c i a l ) ，一般苛刻级( r u g g e d ) ，军用级( m i l i t a r y ) 。在每一个级别中都从温 度，包括静态和动态下的温度要求；振动，各个轴方向上的、随机的和正弦的振动要 求；冲击，各个轴方向上的冲击要求；高度，运行状态下的高度最大值；相对湿度，运 行状态下的湿度要求；保形角涂料，包括丙烯酸和硅树脂西种等几个主要方面作出了具 体参数标准。 其中环境的苛刻程度越高，说明这些环境拥有更极端的温度、更大的热循环压力、 高度和湿度范围变化更大、及其容易产生很高的冲击和振动的环境，在这样的环境中对 保形角涂料的选择也有一定的要求。 此外，根据电子器件抗辐射形式的不同，对每个级别又作出进一步划分，包括空气 冷却( a i r - c o o l e d ) 和导体冷却( c o n d u c t i o n - c o o l e d ) 。除了商用级只有空气冷却的形式 外，其他两个级别均拥有两种冷却形式。表l 给出了各个级别中，不同的抗辐射形式下 各项规定的具体参划25 1 。 苛刻级别 商用级一般苛刻级军用级 ( c o m m e r e i a l ( r u g g e d ) ( m i l i t a r y ) 1 抗辐射形式空气冷却( a i r -导体冷却空气冷却( a i r -导体冷却空气冷却 c o o l e d )( c o n d u c t i o n c o o l e d )( c o n d u c t i o n ( a i r - c o o l e d ) c o o l e d )c o o l e d ) 温度( ) - 4 0 至+ 8 55 0 至+ 1 0 05 0 至+ 1 0 06 2 至+ 1 2 56 2 至+ 1 2 5 静态 0 至+ 5 5 - 4 0 至十7 1- 4 0 至”1巧5 至+ 8 55 5 至+ 8 5 动态 振动( 各轴 向) 2 0 - 2 0 0 0h 加0 2 2 0 - 2 0 0 0h z 0 ，l2 0 - 2 0 0 0 h 加0 42 0 2 0 0 0h z 0 12 0 2 0 0 0 1 0 首部师范大学硕士学位论文特殊环境高速总线技术的研究与实现 随机( 9 2 h z ) 9 0 h z 一h z 小z 一h zh z 00 4 l - l z 1 0 - 1 0 0 h z 2 95 0 - 5 0 0 h z 1 0 95 0 - 1 0 0 h z 5 5 95 0 - 5 0 0 h z i o g5 0 5 0 0 h