一种基于SpaceWire总线的APS冗余系统的制作方法

本实用新型的一种基于SpaceWire总线的APS冗余系统，属于航天通信技术领域，具体涉及一种基于SpaceWire总线的APS(Auto-Protection Switch)自动保护倒换冗余技术。

背景技术：

SpaceWire总线是由欧空局、欧洲空间公司和学术界共同制定提出的一种全新的高速(2Mb/s～400Mb/s)、点对点、全双工的串行总线网络。总线标准致力于航天器有效载荷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，提供一种统一的用来连接传感器、数据处理单元、大容量存储器的基础架构。SpaceWire总线具有很好的电磁兼容特性，同时加强了在线错误检测与恢复、故障处理和保护以及时间广播等方面的功能。

上述优点使得SpaceWire总线在众多航天总线中脱颖而出，受到国内外越来越多的科研组织关注，并开始或将要为多个航天任务服务。近年来，SpaceWire总线先后在ESA、NASA和JAXA的发射任务中得以成功应用。中国风云四号气象卫星计划将SpaceWire总线作为主控网络。

在对长期有效、可靠运行有特殊要求的领域，冗余是重要的容错技术之一，是提高整机及系统可靠性的一种重要设计技术。SpaceWire标准包括物理层、信号层、字符层、交换层、信息包层以及网络层六层。实际上其中的物理层、信号层和字符层对应于OSI模型的物理层，而交换层、包层和网络层对应于OSI模型的链路层。在SpaceWire规范中，并未提供有关冗余机制。实现这一机制有很多方法，但没有一种称为SpaceWire规范。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于SpaceWire总线的APS冗余系统，以提高SpaceWire总线可靠性为目标，对其传输链路、通信协议、关键设备等的冗余技术进行研究，根据SpaceWire总线协议特点，结合现有的冗余技术，提出一种自动保护倒换装置(APS)，将互为主备的两个SpaceWire节点联系起来实现SpaceWire总线的主备冗余倒换功能，大大提高了SpaceWire总线传输的可靠性。

为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种SpaceWire总线的APS冗余系统，通过SpaceWire总线节点的APS装置，实现系统的冗余，确保总线传输的可靠性。SpaceWire总线冗余验证系统由计算机、PC总线、SpaceWire节点1，SpaceWire总线节点2，以及执行器组成。计算机通过PC总线与SpaceWire总线节点1相连接，总线节点1和节点2之间通过两组双向收发的总线电缆连接，SpaceWire总线节点2与执行器相连接。节点1与节点2分别配置有APS自动倒换装置。正常工作情况下，仅有主收、主发链路工作，备收与备发不工作，当主收或主发链路发生故障时，APS装置保证系统自动切换到备收和备发链路上，确保设备间的正常通讯。

一种基于SpaceWire总线的APS冗余系统，在满足SpaceWire总线协议的前提下，另外开发设计带有冗余功能的SpaceWire总线节点。采用自动保护倒换装置，将互为主备的两个SpaceWire节点联系起来，实现SpaceWire总线的主备冗余倒换功能。具体的冗余方法包括如下步骤：

步骤S1：基于SpaceWire总线的数据通信开始后，APS自动保护倒换装置开始工作；

步骤S2：APS模块将两个独立的SpaceWire节点模块联系起来，APS模块不断检测两个互为主备的SpaceWire节点的工作状态；

步骤S3：APS模块检测到主节点链路发生故障(LOS－A：Loss of Signal for Node A)时，APS模块利用远端失效指示信号(RDI－B：Remote Defect Indicator for Node B)通过备用节点链路向对端发出倒换请求数据码，对端的备用接收模块收到该倒换请求数据码后，产生倒换信号给对端的APS模块，APS模块收到后立即将对端的总线切换到备用SpaceWire总线上，同时对端的备用发送模块发送倒换确认数据码给本端备用节点，本端备用节点收到倒换确认数据码后，产生本地倒换信号给本地APS模块，本端APS立即将本地的总线切换到备用SpaceWire总线上，完成冗余保护倒换。

其中，正常工作情况下，仅有主节点链路工作，备用节点链路不工作，当主要节点链路发生故障时，APS装置自动切换到备用节点链路上，保证设备间的通讯正常。

其中，正常工作情况下，APS模块不断检测两个互为主备的SpaceWire节点的工作状态；当检测到链路发生故障时，APS模块能够与SpaceWire节点收发数据信号，互相通信，完成总线的切换，实现冗余保护功能。

本实用新型一种基于SpaceWire总线的APS冗余系统，其优点及功效在于：在满足SpaceWire总线协议的前提下，另外开发设计带有冗余功能的SpaceWire总线节点，采用自动保护倒换装置，将互为主备的两个SpaceWire节点联系起来，实现SpaceWire总线的主备冗余倒换功能，大大提高了SpaceWire总线传输的可靠性。

附图说明

图1 SpaceWire总线冗余验证系统原理。

图2带自动保护倒换APS功能的SpaceWire总线板卡。

图3 APS倒换工作原理示意图之上游主发送到下游主接收链路发生故障。

图4 APS倒换工作原理示意图之下游主发送到上游主接收链路发生故障。

图5 APS倒换工作原理示意图之双向链路发生故障。

图6总线冗余验证系统主链路中主发故障。

图7总线冗余验证系统主链路中主收故障。

图8总线冗余验证系统主链路中主收和主发同时故障。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

传统的SpaceWire总线板卡(带两个独立SpaceWire节点)实例化两个节点IP作为双通道。每个节点IP包含以下子模块：主机控制接口(HCI)、发送器(带有Credit-Counter模块)、接收器(带有OutstandingCounter模块)、接口主状态机(FSM)、接收FIFO、发送FIFO、时间码模块。发送器用来进行Data-Strobe(数据-滤波)编码并且发送数据，它可以发送来自主机的数据或者时间码。接收器用来完成DS编码的解码工作、并且将解出的数据序列发送给主机系统。接收器的FIFO用作缓冲和速度匹配。SpaceWire控制器负责SpaceWire总线的一切运作，包括初始化、正常运作和错误处理。两通道共用一个pll时钟单元。主机系统通过PCI总线接口对节点各寄存器进行读写，实现链路状态的监测控制与数据传输。

整个片上系统共包含5个时钟源：基准时钟CLK_BASE，用作850ns、6.4us、12.8us超时定时器的计数基准；经PLL倍频得到的高速全局时钟gclk，用于协调整个芯片各模块同步工作，即在每个gclk上升沿判断其他时钟的电平状态，再执行相应动作，为防止因脉宽问题重复触发同一个动作，也可以用gclk锁住其他时钟的跳沿再进行逻辑判断；内部逻辑分频得到的发送器时钟tclk，以实现发送波特率可配置；DS解码得到的接收器时钟rclk，用以对D_in信号进行采样得到有效数据；HCI的同步时钟LCLK。不同时钟域之间的数据交换采用读写时钟独立的异步FIFO实现。发送FIFO的读时钟为tclk，写时钟为LCLK；接收FIFO的写时钟为rclk，读时钟为LCLK。

基于SpaceWire总线协议，结合现有冗余技术，在传统的SpaceWire总线板卡上(设计有两个SpaceWire总线节点)，设计本实用新型中的自动保护倒换装置(APS)。通过一个APS模块将两个独立的SpaceWire节点模块联系起来。

本实用新型的一种SpaceWire总线冗余验证系统，如图1及图2所示，通过SpaceWire总线节点的APS装置，实现系统的冗余，确保总线传输的可靠性。SpaceWire总线冗余验证系统由计算机、PC总线、SpaceWire节点1，SpaceWire总线节点2，以及执行器组成。计算机通过PC总线与SpaceWire总线节点1相连接，总线节点1和节点2之间通过两组双向收发的总线电缆连接，SpaceWire总线节点2与执行器相连接。节点1与节点2分别配置有APS自动倒换装置。

APS自动倒换装置不断检测两个互为主备的SpaceWire总线节点的工作状态，当检测到主节点链路发生故障(LOS－A：Loss of Signal for Node A)时，APS模块利用远端失效指示信号(RDI－B：Remote Defect Indicator for Node B)通过备用节点链路向对端发出倒换请求数据码，对端的备用接收模块收到该倒换请求数据码后，产生倒换信号给对端的APS模块，APS模块收到后立即将对端的总线切换到备用SpaceWire总线上，同时对端的备用发送模块发送倒换确认数据码给本端备用节点，本端备用节点收到倒换确认数据码后，产生本地倒换信号给本地APS模块，本端APS立即将本地的总线切换到备用SpaceWire总线上，完成一次冗余保护倒换。

假设如图3中上游主发送到下游主接收链路发送故障，图中红色X标记出的链路发送故障，图中数字代表倒换过程的顺序。

上游主节点发送到下游的主节点接收间的链路发生故障；

下游主节点检测到该链路失效后，向下游备节点发送失效指示信号；

下游备节点发送倒换请求数据码给上游备节点；

上游备节点收到倒换请求数据码后发送倒换信号给上游APS模块，APS模块将上游总线从主节点倒换到备节点上。

上游备节点发送倒换确认数据码给下游备节点；

下游备节点收到倒换确认数据码后产生倒换确认信号给下游的APS模块，APS模块将下游总线从主节点倒换到备节点上，完成一次APS倒换，上游与下游站点开始通过备用节点进行数据传输。

假设如图4中下游主发送到上游主接收链路发送故障，图中红色X标记出的链路发送故障，图中数字代表倒换过程的顺序。

下游主节点发送到上游的主节点接收间的链路发生故障；

上游主节点检测到该链路失效后，向上游备节点发送失效指示信号；

上游备节点发送倒换请求数据码给下游备节点；

下游备节点收到倒换请求数据码后发送倒换信号给下游APS模块，APS模块将下游总线从主节点倒换到备节点上。

下游备节点发送倒换确认数据码给上游备节点；

上游备节点收到倒换确认数据码后产生倒换确认信号给上游的APS模块，APS模块将上游总线从主节点倒换到备节点上，完成一次APS倒换，上游与下游站点开始通过备用节点进行数据传输。

假设如图5中上游主节点到下游主节点间的双向链路同时发送故障，如图中红色X标记所示，图中数字和字母分别代表一个方向链路倒换过程的顺序。

上游主节点到下游主节点间的双向链路同时发生故障时，其各单向倒换过程与图3和图4一致。唯一不同的是(4)(f)和(6)(d)步骤。在(4)(f)和(6)(d)步骤中设置了倒换互锁电路，用于防止双向链路重复倒换。

当APS自动倒换装置应用于图1中系统时，工作状况如图6,7,8所示。

正常工作时，主链路接通，备用链路不工作，当主链路中主发发生故障，其冗余倒换过程与图3一致，倒换后执行器仍能保持正常工作。

当主链路中主收发生故障，其冗余倒换过程与图4一致，倒换后执行器仍能保持正常工作。

当主链路中，主收与主发同时发生故障时，其冗余倒换过程与图5一致，倒换后执行器仍能正常工作。