小卫星常用数据总线技术.doc

小卫星常用数据总线技术 来源：中国航天 2007年第2期 作者：赵剑尤政张高飞 发表时间：2010-07-08 10:39:36 从20世纪80年代开始，微电子技术的发展使得制造较高功能密度的小卫星(重量400Mbs，网络拓扑为树型结构，最多可以连接63台设备，支持实时传输。IEEE1394作为商业总线已经非常成熟，然而应用于小卫星仍需进一步研究，而且由于技术复杂，其开发难度较大。USB2.0通信速率可达480Mbs，但必须互联为菊花链结构、非对称、异步，且需要集线器作为容错方案，管理较复杂，同样有待研究。 另外，对于某些模块，比如装在太阳翼上的太阳敏感器，由于距离星载计算机很远，而且连线不方便，可以采用蓝牙等无线设备构成无线网络。这也是目前比较新颖的研究方向。 3、常用数据总线比较 前面介绍了目前小卫星上较常用和较有应用前景的几种数据总线的优缺点。经过比较，我们可以看到： (1)随着小卫星系统复杂性的提高，SpaceWire、Ethernet、光纤数据总线、IEEE1394、USB等高速数据总线(百兆每秒量级)会得到更广泛的应用。 (2)MILSTD-1553B、SpaceWire等军用总线具有极高的可靠性、稳定性，不过由于价格和保密等原因，不是普通用户能使用的，但对于有特殊可靠性要求的小卫星具有很高的应用价值。 (3)RS-232、RS-485、BITBUS等较简单的数据总线已不能满足日益复杂的小卫星数据总线任务要求，但仍可以作为较次要的数据通信方式。 (4)1212作为芯片量级的数据总线，对基于微电子、微机械工艺的纳型卫星意义重大。 (5)对普通用户来说，CAN总线性能、价格都比较有优势，是目前小卫星领域最有前途的数据总线之一。多次成功的飞行经历为更好地应用CAN总线打下了良好的基础。 在对各种数据总线有了一定了解的基础上，具体选择何种数据总线，除了考虑可靠性、通信速率、实时性、容错性、成本等总线本身的因素外，还需要考虑以下两点： (1)根据实际功能用途，搭配选择恰当的数据总线。例如传输测控数据，让多个模块能同时接收所需信息，需要采用广播型总线，因此可以选择CAN、Ethernet这样的总线；而用于传输控制指令的总线，可以采用主从结构的总线或点对点的传输方式，比如MIL-STD1553B、SpaceWire、RS232、RS-485等。 (2)充分应用商业可现货供应电子系统是小卫星的设计原则之一，因此，数据总线也要尽量利用成熟的工业、商业总线技术，比如CAN、Ethernet、USB等。 总之，在研制小卫星时，数据总线的选择搭配需综合考虑，以实现小卫星“一体化”设计原则。 4、结束语 数据总线是小卫星上各模块之间的数据传输枢纽，选择合适的数据总线对小卫星的成功研制意义重大。遵循“更快、更好、更省”的小卫星研发及应用目标，不断完善各种数据总线应用的标准软硬件设计，提高可靠性、通用性；充分利用改造成熟的现场总线技术，特别是高速总线，将更多的工业、商业总线引入航空航天领域，应用到小卫星上是数据总线未来的发展方向。“在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。 如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。 二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。 在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形失真，码元不完全重合，眼图的迹线就会不清晰，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。 通常眼图可以用下图所示的图形来描述，由此图可以看出： （1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。 （2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜率越大，系统对定时抖动越敏感。 图一 眼图（3）眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。(4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。（5）在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决。（6）横轴对应判决门限电平。 ”便携多总线测试仪(mil-std-1553b总线测试、Arinc429总线测试、CAN总线测试、RS485232)便携多总线测试仪主要完成对MIL-STD-1553B、Arinc429、MIC、CAN、RS232/422/485等总线形式的在线仿真测试、数据分析、数据存盘、数据回放、图形化显示等功能，满足了设备检测和故障定位的需要，为总线测试提供了强大的分析工具。应用于飞机综合航电系统、装甲车辆综合电子系统、舰船综合电子系统、导弹等武器系统中。1553B总线测试：主要性能指标： 通过软件可设置为BC,RT,MT任意一种工作模式使用； RT地址可配置； 32位实时时钟RTC； 采用USB总线实现1553B总线与上位机的控制； 采用双路隔离变压器实现双余度总线通信； 支持软件查询和硬件中断的工作方式； 支持自测试；MIC总线测试：主要性能指标： 通过软件可设置为BC,RT,MT任意一种工作模式使用； RT地址可配置； 仿真、测试及验证MIC协议； 实现MIC总线与上位机的控制； 支持软件查询和硬件中断的工作方式； 支持自测试；Arinc429总线测试： 实现2收1发的功能； 多速率支持(12.5Ksps、48Ksps、50Ksps、100Ksps) 大容量存储：128KB/C 故障诊断，自测试功能，自测试功能包括：存储器、中断和回环测试； 时间戳， 在接收的所有数据中都带时间戳。时间戳的精度为1us。CAN总线测试：主要性能参数： PC接口： 标准USB接口； 数据传送速率： CAN总线速率可编程，范围在10Kbit/s1Mbit/s内； CAN通讯接口： DB9 针型插座，符合DeviceNET和CANopen标准； CAN协议： 支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，接口规范符合ISO/IS11898； 数据缓冲区： 256字节CAN接收FIFO队列； RS232通讯速率： 用户可设置RS232通讯速率，最高可达57600 bps/s； 最高帧流量： 300帧/秒（）； 光电隔离耐压： 1000VDC；串口总线测试： PC接口： 标准USB接口； 通道数：四发四收功能。每个端口内建16Byte FIFO缓冲寄存器。 通信波特率：串口传输率可设置，最高可达115kbps。设备特点： 采用便携设计、方便外场测试、移动灵活性高； 集中各种总线模块，集成度高； 各测试模块采用独立模块设计，便于维护； 可裁减，具有可扩展性。 人机界面友好、美观，各种物理量直观显示 系统软件支持数据的在线处理和分析功能 多种供电模式，便于室内和外场灵活使用。技术指标： 温 度：按GJB150.3、GJB150.4的规定进行试验，其中： 存储温度范围:-40至+70； 工作温度范围: -20至+55 显示分辨率：1024 x 768 冲击：满足MIL-STD-810F方法516.5 振动：满足MIL-STD-810F方法514.5 3%(35)。相对湿度95 电磁兼容：满足GJB151A-97、GJB152A-97要求。 电 源：外接220vAC供电或28vDC供电。 软件开发平台：Visual C+ 6.0和CVI/Windows 6.0。 产品重量：便携式手提箱，15kg。可选E：扩展温度：-40至+55；显示分辨率：480640；无冲击试验；无振动试验。订货信息： BUS-TESTER-01（-E）：便携MIL-STD-1553B总线测试仪； BUS-TESTER-02（-E）：便携Arinc429总线测试仪； BUS-TESTER-03（-E）：便携MIC总线测试仪； BUS-TESTER-04（-E）：便携CAN总线测试仪； BUS-TESTER-05（-E）：便携总线测试仪（1553B、429、MIC、CAN、串口中任意两种总线结合）； BUS-TESTER-06（-E）：便携总线测试仪（1553B、429、CAN、串口总线）备注：-E表示工作温度为：-40至+55，显示分辨率480640，无冲击，无振动试验。选定型号后，货期及具体指标根据客户实际要求定。更详细资料可邮件：捷伦最新数字信号分析仪适用于LVDS信号测试 更新于2007-01-10 05:06:26 文章出处:数字电视 DSA 安捷伦科技(Agilent)日前发表一套示波器量测系统，包含设计、除错与验证工具，特别适合于高数据速率序列总线的设计使用。新的Agilent DSA80000B数字信号分析仪(DSA)系统具有最低的噪声底线、抖动量测底线和触发抖动，以及最平坦的频率响应，可让工程师更准确地搜集到与设计中的低电压差动信号有关的数据。DSA80000B DSA最适合通信、数据储存、计算机、航天/国防，以及消费电子产业的工程师使用。 Agilent DSA80000B DSA是以Infiniium DSO80000B系列示波器和InfiniiMax探棒系统为基础所设计，二者可以提供进行准确又稳定一致的量测所需的重要能力，再配上高速序列资料分析和EZJIT Plus抖动分析软件，将可以进一步协助设计人员设计、验证、以及侦测和找出含序列数据总线之设计问题。 高速序列数据分析软件可提供设计人员快速又容易的方式，找出信号完整性的问题，以及验证序列接口设计效能。此软件可以让设计人员执行波罩测试、量测采用嵌入式频率之序列数据串流的特性、以及从序列数据串流中解出8b/10b数据编码。这套软件也可以让设计人员验证设计结果是否符合计算机、通讯和数据通讯的标准，如PCI Express、SATA、SAS、Fibre Channel (FC)、XAUI，以及Gigabit Ethernet。眼图是观测高速数字通信链路信号质量的有效方法，可以帮助工程师分析码间串扰等通信质量的问题。眼图测量方法有两种：2002年以前的传统眼图测量方法和2002年之后力科发明的现代眼图测量方法。传统眼图测量方法可以用两个英文关键词来表示：“Triggered Eye”和“Single-Bit Eye”。 现代眼图测量方法用另外两个英文关键词来表示：“Continuous-Bit Eye ”和“Single-Shot Eye”。 传统眼图测量方法用中文来理解是八个字：“同步触发+叠加显示”，现代眼图测量方法用中文来理解也是八个字：“同步切割+叠加显示”。 两种方法的差别就四个字：传统的是用触发的方法，现代的是用切割的方法。“同步”是准确测量眼图的关键，传统方法和现代方法同步的方法是不一样的。“叠加显示” 就是用模拟余辉的方法不断累积显示。 传统的眼图方法就是同步触发一次，然后叠加一次。每触发一次，眼图上增加了一个UI，每个UI的数据是相对于触发点排列的，因此是“Single-Bit Eye”,每触发一次眼图上只增加了一个比特位。图一形象表示了这种方法形成眼图的过程。 图一 传统眼图测量方法的原理 传统方法的第一个缺点就是效率太低。对于现在的高速信号如PCI-Express Gen2，PCI-SIG要求测量1百万个UI的眼图，用传统方法就需要触发1百万次，这可能需要几个小时才能测量完。第二个缺点是，由于每次触发只能叠加一个UI,形成1百万个UI的眼图就需要触发1百万次，这样不断触发的过程中必然将示波器本身的触发抖动也引入到了眼图上。对于2.5GBbps以上的高速信号，这种触发抖动是不可忽略的。 如何同步触发，也就是说如何使每个UI的数据相对于触发点排列？也有两种方法，一种方法是在被测电路板上找到和串行数据同步的时钟，将此时钟引到示波器作为触发源，时钟的边沿作为触发的条件。另外一种方法是将被测的串行信号同时输入到示波器的输入通道和硬件时钟恢复电路(CDR)通道，硬件CDR恢复出串行数据里内嵌的时钟作为触发源。 这种同步方法引入了CDR抖动，这是传统方法的第三个缺点。 此外，硬件CDR只能侦测连续串行信号才能工作正常，如果被测信号不是连续的，譬如两段连续比特位之间有一段低电平，硬件CDR就不能恢复出正确的时钟。另外，传统方法的工作原理决定了它不能对间歇性的串行信号做眼图，不能对保存的波形做眼图，不能对运算后的波形做眼图，这限制了应用范围。 这是传统方法的第四个缺点。 力科于2002年发明的现代方法形成眼图的原理如图二所示。 示波器首先捕获一组连续比特位的信号，然后用软件PLL方法恢复出时钟，最后利用恢复出的时钟和捕获到的信号按比特位切割，切割一次，叠加一次，最终将捕获到的一组数据的每个比特位都叠加到了眼图上。在力科的示波器中，恢复出的时钟可以单独输出来另作它用。 软件PLL方法恢复时钟代替了传统方法中的硬件CDR方法是一大进步。我们需要对软件PLL的工作原理深入理解。关于软件PLL，我们将另文介绍。 如果一次捕获了1百万UI的PCI-E Gen2的数据，那么用这种方法基于力科的第四代示波器可以在1-2秒内形成眼图，因此，这种方法形成眼图的效率非常高，这是现代方法的第一个优点。此外，该方法通过触发一次捕获的大量数据就能形成大量数据的眼图，触发抖动约等于零，这是该方法的第二个优点。由于是用软件PLL方法，因此时钟恢复抖动也为零，这是该方法的第三个优点。该方法可以对局部放大之后的波形做眼图，可以对历史保存的波形做眼图，可以有一些高级眼图分析功能，如眼图失败定位跟踪功能，ISOBer功能等，这是该方法的第四个优点。 图二 现代眼图测量方法的原理 图三所示清楚表示了现代方法对于非连续性的信号做眼图的优势。传统的方法无法分离出发射数据和接收数据，但用现代的方法则能隔离出发射和接收数据。 在实际应用中这种非连续性的信号比较常见，如处于实际工作模式下的PON信号，就是突发的一帧一帧的数据。 图三 现代眼图方法的优势对局部放大之后的波形做眼图四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势 自2002年力科发明创新的眼图测量方法以来,力科一直在眼图测量方面保持了绝对领先优势。 力科的串行数据分析仪SDA系列成为测量眼图的首选工具。现在总结力科公司在眼图测量方面的特点和优势如下： 1，眼图测量是衡量高速信号质量的最常用方法。力科是业界最先采用软件恢复时种的方法来形成眼图的，而现在这种方法已成为眼图测量的行业标准。也就是说，力科定义了眼图测量的新标准。 前面已详细比较了两种方法的优缺点。下面这张图片是用力科示波器和其它品牌示波器测试相同信号的对比。用传统方法引入的触发抖动和CDR抖动带来了150ps的峰-峰值误差,这是不能忽略的误差。在力科的示波器中保留了用硬件时钟形成图的功能，但已几乎没有工程师再喜欢用这种传统的方法了。 图四 现代方法和传统方法测量眼图的差别 2,力科示波器的眼图测量操作界面非常的简洁快速, 而且不需要利用第三方面软件，眼图的测试结果显示在示波器显示界面上，不需要打开第三个窗口。 在关于示波器的第三方调查报告中，易于操作常作为使用者对理想示波器的期待的首项。 “Although ease-of-use means different things to different people.”,但稍微有一点点公正之心的人都会同意这个结论：力科示波器的操作界面是最清晰简洁的，最容易上手的，眼图测量更是最方便的。 图五是力科SDA操作界面。 一级菜单，一目了然的操作步骤。第一步点击选择信号源，第二步选择信号类型，第三步查找比特率，第四步点击眼图出来了。如果PLL不是Golden PLL，多一次点击PLL设置的操作。 第一步、第二步、第三步在第一次进入测试界面设置完成后，随后不用再重复设置。所以在持续测试过程中，通常每次只需要点一键“Mask Tes”就产生了眼图。更是可以在点击“Summary”之后，同时产生了眼图、浴盆曲线、抖动趋势图、抖动直方图、各种抖动测量参数等,如图六所示。何其方便哉！ 图五 力科SDA 眼图测试操作步骤 在一次面对面的PK中，客户要求同时测量眼图和抖动参数，我们一秒钟操作完之后，大家开始观看T公司的AE在操作，只见鼠标飞速点击上百次，结果等了整整几分钟后还不见结果出来（也有可能那天是操作上出现了失误）。 一级又一级深埋的菜单，呼啦啦弹出一个又一个的窗口。图七就是那次PK的时候D公司点击上百次鼠标之后的结果。但显然和力科的图片相比，缺少了抖动测量参数。 这些参数去哪里了？为什么没有显示出来？因为D公司的示波器测试眼图的窗口和眼图参数的窗口是两个窗口，不能同时保存起来，除非是接上键盘按PrintScreen键。 为了完成眼图测量，D公司的示波器总共需要有四个窗口操作设置窗口，眼图结果显示窗口，测量参数窗口，示波器自身的窗口。 除了窗口多以外，D公司的眼图测量操作真的有那么复杂吗？是的，但也未必，如果你是D公司示波器的Fans，你已经知道如何飞速地点击鼠标，可能你也不会觉得复杂，但对于初学者，其操作怎一个“烦”字了得！第一次我们在培训中和D公司的示波器亲密接触，我和我的同事们都象遇到一个刺猬一样无从下手，最后都只得利用其操作向导的方式（如图八所示）来执行，但这种向导方式必须要设置七步，每一步至少要点击两次鼠标。操作到第七步时如果发现第一步设置不对，要重新点击六次回到第一步。但如果第三步时发现被测信号不是标准的总线信号，这个向导似乎不能用来测试普通的串行信号。（可能有更简便的操作步骤，我仅提供的是我两次测试的体验感受，不对之处，请指正。）第一次操作了D的眼图测量之后激起了我对它的操作步骤的强烈兴趣，我下载了RT-EYE 图六 一键操作，信息大全图七 D公司的资深工程师点击上百次鼠标之后的结果，但测量参数结果不见了 图八 D公司示波器眼图测量操作步骤软件包的操作手册，在操作手册的第66页，有图九所示的操作说明示意图。 仅此一图便可见其操作之繁琐了，难怪D公司的AE不太愿意去教会工程师们去用他们的眼图测量功能， D公司的眼图软件是基于外挂的Java程序开发的，操作的繁琐和界面的复杂是由该基因决定的。图九 引自RT-EYE软件包操作手册3, 力科示波器测量眼图的速度快，不管当前捕获的数据样本数是400Kpts，还是10Mpts，都能一次利用所有的这些数据形成眼图。 信号速率越来越高，眼图测量中要求包含的UI样本数越来越多，为使自己对产品的硬件性能放心，很多工程师喜欢连续测量眼图累计几百万的UI来观察有没有碰到模板。如果您有这种冲动，希望测试很多样本下的眼图，D公司的工程师们会以专业地口吻告诉你，不必要这样做，因为XX协会没有规定测试这么多样本。图六显示力科示波器捕获了4Mpts的采样点，对应的一次测量了494.046K个UI的眼图。图十显示力科示波器捕获了50Mpts的采样点，一次性测量了18.73449M个UI的眼图。力科示波器做10Mpts采样点的PCI-E G1眼图需要1-2秒钟，但D公司的示波器需要6分钟（360秒）。力科示波器做20Mpts采样点的PCI-E G1眼图，需要2-3秒钟，D公司的示波器通常这时候会死机。 以上数据来自于本人实测。但D公司在演示眼图测量时，您不会觉得很慢，反而觉得很快。为什么？ 您注意到图七的左上图有一个标识UIs:8000:574996; Total:8000：574996了吗？ 这表示D示波器这时捕获了574996个UI，但只截取了其中的8000个来做眼图。 如果您要测量100万个UI的眼图，D的这个标识数字会不断增加，8000-16000-24000-32000,一路涨到1000000，数字要翻转125次，整个过程历时大约20分钟，如果当时示波器的状态不好，可能会导致死机。估计等您先去喝一杯咖啡就可以翻转完成。股票每天也都只样翻转就好了J图十 一次捕获测量18.73449M个UI的眼图 在图十一中，我们看到D公司自己声明的软件限制，稍懂英语的朋友可以阅读一下这个限制的含义。其核心意思是这个软件太消耗计算资源了，用的时候要小心一点;如果要去除存储深度的限制，您需要创建一个文本文件来解除限制。在那次PK大战中，D公司坚持要以测量8K个UI来和我们比较测量494K个UI的速度，但坚持不同意解除这个限制不解除限制，测量一次8K个UI就不再翻转数字了，停在8000个，股票一次涨停了! 后来D公司另外一个软件包DPOJET可以在菜单中解除这个限制，如图十二所示，“Enable high performance eye rendering”，选中这个之后就可以不断翻转了。 如果您的测试需求是要测量8K个UI,请注意在测量前设置这个界面。这个设置隐藏在Jitter & Eye Analysis菜单列表下的Preferences子菜单的Measurement子菜单中。我的美国同事给我讲的一个故事是：when I pointed this out to a customer, the manager of the engineering group basically threw out 3 months worth of serial data measurements done by his team using the Tek DPOJET and asked them to do it all over again. 这个客户将之前用DPOJET测试了三个月的数据全部作废了,重新再测试一遍！ 您需要检查一下您之前用D公司示波器测试眼图时是否注意到了这一点。图十一 D公司示自己出具的软件提示信息图十二 D示波器解除限制的菜单设置4, 力科示波器可以方便地自定义模板测试通信行业中通常有一些串行总线是比较独特的，暂时还没有类似于PCI-SIG的权威组织来定义标准，芯片厂家会在芯片手册中定义模板的Spec，用户需要根据这些Spec自定义模板，如现在流行的CRP II，MDDI等都需要自定义模板。力科示波器可以非常方便地自定义模板。用户可用免费的Polymask 软件图形化设计或用免费的Masks Database Editor数据库编