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CN111800345B - 一种高可靠星座组网空间路由器电路 - Google Patents

一种高可靠星座组网空间路由器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高可靠星座组网空间路由器电路，本发明通过路由计算单元、交换转发单元、管控单元和复位系统，软件在轨重构时，接收到上注数据，如果上注目标是路由计算CPU，则加载与控制FPGA将其写入到对应的FLASH备存储区；如果上注目标是接口处理FPGA或交换处理FPGA，则加载与控制FPGA通过UART接口送给专用刷新芯片，刷新芯片将其写入FLASH备份存储区。本发明融合冗余容错技术、在轨重构技术，满足产品高可靠和空间环境适应性要求。在此基础上开发的空间路由器在卫星星座组网中有广泛的应用基础，并能够在组网星座中推广应用，具有较好的市场前景、经济效益和社会效益。

Description

一种高可靠星座组网空间路由器电路
技术领域
本发明属于卫星星座组网空间路由器领域，具体涉及一种高可靠星座组网空间路由器电路。
背景技术
路由器是星座组网的核心设备，随着互联网卫星的推进，对该设备的需求日趋强烈，当前的空间嵌入式计算机均为管理和处理类产品，无高速路由转发和计算功能，基于单片机或SPARC V8架构处理器、FLASH型或熔丝型FPGA等硬件资源和接口也不支持其路由功能的开发和扩展，无功能性能满足需求且适用于空间应用的同类型产品。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种高可靠星座组网空间路由器电路，以国产双核PPC和K7系列FPGA为核心，对到达互联网卫星的数据进行路由转发，实现数据在星上的高速交换与处理。
为了达到上述目的，本发明包括路由计算单元、交换转发单元、管控单元和复位系统；
路由计算单元采用国产双核PPC作为CPU处理器，用于路由算法计算，控制交换转发单元的读写和信息交互，通过管控单元从FLASH加载应用程序，并读取管控单元相关寄存器值；CPU软件重构时，整个软件上注完成后，地面发送指令通过管控单元触发CPU复位后重新加载管控单元的FLASH备存储区中的程序；如果检测到CPU工作正常，则管控单元将上注软件写入到管控单元的FLASH主存储区；
交换转发单元采用国产K7系列FPGA，用于完成输入/输出分组的处理、转发表查找、遥测/遥控接口、地检数据接口和UTC时间同步功能；用于完成队列管理和总线调度；由刷新芯片对FPGA进行配置和刷新，软件重构时，通过管控单元控制刷新芯片使上注的程序段写入交换转发单元的FLASH备存储区，当整个软件上注完成后，发送指令触发接口处理FPGA和交换处理FPGA重新加载交换转发单元的FLASH备存储区中的程序；如果检测到FPGA工作正常，则将上注软件写入到交换转发单元的FLASH主存储区；
管控单元采用熔丝型FPGA，用于当软件重构时，接收到上注数据，如果上注目标是路由计算CPU，则加载与控制FPGA将其写入到对应交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区；如果上注目标是接口处理FPGA或交换处理FPGA，则加载与控制FPGA通过UART接口送给专用刷新芯片，刷新芯片将其写入交换转发单元的FLASH备存储区；
复位系统用于触发整个路由器的复位。
路由计算单元包括CPU、PROM和DDR2，CPU连接管控单元的FLASH主存储区和管控单元的FLASH备存储区；
CPU连接PROM和DDR2，PROM用于存放引导程序。
交换转发单元包括接口处理FPGA、交换处理FPGA和刷新芯片；
接口处理FPGA和交换处理FPGA均连接刷新芯片，刷新芯片连接交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区，接口处理FPGA和交换处理FPGA均连接管控单元；
交换处理FPGA根据功能要求需外挂用于配合交换处理FPGA进行队列管理的DDR2和SRAM芯片；
刷新芯片用于擦除、烧写和回读交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区，并对交换处理FPGA进行配置刷新。
管控单元包括加载与控制FPGA，加载与控制FPGA连接交换转发单元的接口处理FPGA、交换处理FPGA和刷新芯片；
加载与控制FPGA用于控制解析并转发上注指令到交换转发单元的刷新芯片，并控制交换转发单元进行擦除、烧写和回读交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区；用于控制路由计算单元上注软件解析并对交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区进行擦除、编程操作，产生CPU复位指令、接收CPU脉冲信号以及触发CPU重加载；用于控制复位系统。
复位系统采用看门狗电路，看门狗电路连接路由计算单元的CPU、交换转发单元的接口处理FPGA和交换处理FPGA以及管控单元的加载与控制FPGA。
与路由计算单元的CPU连接复位系统还能够采用上电复位和指令复位的方式。
与现有技术相比，本发明通过路由计算单元、交换转发单元、管控单元和复位系统，软件在轨重构时，接收到上注数据，如果上注目标是路由计算CPU，则加载与控制FPGA将其写入到对应交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区；如果上注目标是接口处理FPGA或交换处理FPGA，则加载与控制FPGA通过UART接口送给专用刷新芯片，刷新芯片将其写入交换转发单元的FLASH备存储区。本发明融合冗余容错技术、在轨重构技术，满足产品高可靠和空间环境适应性要求。在此基础上开发的空间路由器在卫星星座组网中有广泛的应用基础，并能够在组网星座中推广应用，具有较好的市场前景、经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明中路由计算单元与其他单元的连接原理图；
图3为本发明中交换转发单元与其他单元的连接原理图；
图4为本发明中管控单元与其他单元的连接原理图；
图5为实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括路由计算单元、交换转发单元、管控单元和复位系统；
路由计算单元用于路由算法计算，控制交换转发单元的读写和信息交互，通过管控单元从FLASH加载应用程序，并读取管控单元相关寄存器值；CPU软件重构时，整个软件上注完成后，地面发送指令通过管控单元触发CPU复位后重新加载管控单元的FLASH备存储区中的程序；如果检测到CPU工作正常，则管控单元将上注软件写入到管控单元的FLASH主存储区；
交换转发单元用于完成输入/输出分组的处理、转发表查找、遥测/遥控接口、地检数据接口和UTC时间同步功能；用于完成队列管理和总线调度；由刷新芯片FPGA进行配置和刷新，软件重构时，通过管控单元控制刷新芯片使上注的程序段写入交换转发单元的FLASH备存储区，当整个软件上注完成后，发送指令触发接口处理FPGA和交换处理FPGA重新加载交换转发单元的FLASH备存储区中的程序；如果检测到FPGA工作正常，则将上注软件写入到交换转发单元的FLASH主存储区；
管控单元用于当软件重构时，接收到上注数据，如果上注目标是路由计算CPU，则加载与控制FPGA将其写入到对应交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区；如果上注目标是接口处理FPGA或交换处理FPGA，则加载与控制FPGA通过UART接口送给专用刷新芯片，刷新芯片将其写入交换转发单元的FLASH备存储区；
复位系统用于触发整个路由器的复位。
1、路由计算单元
参见图2，路由计算单元采用双核PPC芯片作为CPU处理器，CPU外挂DDR2芯片，运行时存放VxWorks等实时操作系统，协议栈应用程序和中间过程变量等；CPU芯片外挂PROM芯片用于存放引导程序，当CPU芯片上电后，首先运行PROM的引导程序，然后通过加载与控制FPGA芯片从FLASH主(或备)存储区中搬移操作系统和应用程序到DDR2中运行，CPU软件加载采用16位数据总线。
CPU芯片初始化完成后运行应用程序功能，同时输出心跳脉冲到加载与控制FPGA，如果心跳脉冲停止输出，则加载与控制FPGA触发CPU芯片复位，重新加载程序。
当路由计算CPU软件在轨重构时，首先由加载与控制FPGA接管FLASH的读写控制，将上注的程序段写入管控单元的FLASH备存储区，当整个软件上注完成后，地面发送指令触发CPU芯片重新加载管控单元的FLASH备存储区中的程序；如果检测到CPU工作正常，则将上注软件写入到管控单元的FLASH主存储区。
CPU芯片采用EMIF总线与接口处理FPGA连接，并预留SRIO和PCIe高速串行总线接口，用于路由协议控制命令、异常数据分组、转发表等参数配置信息、路由遥测/遥控信息的片间传递；CPU芯片采用EMIF总线与交换处理FPGA连接，用于队列管理和总线调度的参数配置等。
2、交换转发单元
参见图3，交换转发单元采用2片K7系列SRAM型FPGA芯片和刷新芯片组成，按功能划分为接口处理FPGA和交换处理FPGA。接口处理FPGA完成输入/输出分组的处理、转发表查找、遥测/遥控接口、地检数据接口和UTC时间同步等功能，交换处理FPGA完成队列管理和总线调度等功能。接口处理FPGA根据实际需求进行接口外扩；交换处理FPGA外挂80位宽的SRAM芯片和72位宽DDR2芯片，具有EDAC或ECC功能，用于配合交换处理FPGA进行队列管理。接口处理FPGA和交换处理FPGA之间采用SRIO 4X接口连接，同时预留不小于30个GPIO接口连接。
接口处理FPGA和交换处理FPGA位流不同，程序采用主/备存储方式，通过专用刷新芯片连接FLASH芯片；当接口处理FPGA软件和交换处理FPGA软件在轨重构时，首先经过加载与控制FPGA将上注的程序段通过串口转发给刷新芯片写入交换转发单元的FLASH备存储区，当整个软件上注完成后，发送指令触发接口处理FPGA和交换处理FPGA重新加载交换转发单元的FLASH备存储区中的程序；如果检测到FPGA工作正常，则将上注软件写入到相应的交换转发单元的FLASH主存储区。
专用FPGA刷新芯片主要完成擦除、烧写和回读FLASH，接口处理FPGA和交换处理FPGA的加载、刷新、单粒子功能检测和复位控制等功能。
专用刷新芯片外挂FLASH芯片，存储接口处理FPGA和交换处理FPGA的主备份程序，有重构需求时，将上注程序通过刷新芯片写入备FLASH中，通过配置刷新芯片将程序从备FLASH中重新加载配置FPGA，实现在轨功能重构。
3、管控单元
参见图4，管控单元主要由加载与控制FPGA组成，加载与控制FPGA主要完成擦除、烧写、回读FLASH，解析CPU复位指令，接收CPU脉冲信号，触发CPU重加载等功能，同时还负责解析并转发FPGA上注指令到专用刷新芯片。
加载与控制FPGA通过异步RS422接口与其它设备连接，同时对看门狗电路进行喂狗；如果监测到应用软件跑飞则触发CPU复位，重新加载程序；专用刷新芯片和加载与控制FPGA之间通过UART接口连接；加载与控制FPGA剩余的IO端口按平均的方式连接到接口处理FPGA和交换处理FPGA，预留给关键变量三模表决使用。
当软件在轨重构时，RS422接口接收到上注数据，如果上注目标是路由计算CPU，则加载与控制FPGA将其写入到对应交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区；如果上注目标是接口处理FPGA或交换处理FPGA，则加载与控制FPGA通过UART接口送给专用刷新芯片，刷新芯片将其写入交换转发单元的FLASH备存储区。
4、复位系统
复位系统是提高产品空间环境适应性和可靠性的重要措施，本设计采用的复位措施包括：上电复位、看门狗复位、指令复位以及软复位。
1)路由板上电复位信号宽度为200ms，低电平有效，为整板复位，复位结束后CPU、FPGA开始程序加载；
2)路由器采用硬件看门狗电路，由加载与控制FPGA在1.6s时间内进行清狗操作，否则将输出200ms复位低脉冲，完成整板复位；同时加载与控制FPGA监控CPU输出心跳脉冲信号，若连续在50ms内未监测到该信号，则输出复位信号单独复位CPU；
3)路由器接收外部OC复位指令，低电平有效，加载与控制FPGA监测到该信号有效后，停止喂狗操作，由看门狗电路输出复位信号，整板复位；
4)路由器接收来自RS422总线的软件复位指令，加载与控制FPGA接收到该指令后，FPGA停止喂狗，由看门狗电路输出整板复位信号；
无论硬件复位还是软件复位，一旦发生，看门狗电路输出RST信号连接到路由计算CPU、接口处理FPGA和交换处理FPGA芯片的复位管脚，触发整个路由器的复位。
实施例：
参见图5，由功能实现方案以路由器电路设计方法为核心，补充接口电路、时钟、供电以及电连接器等，构成路由器的完整功能。
路由器上电后，各电源转换模块输出板内三次电源，上电复位电路同时输出200ms宽度复位信号；
复位结束后，配置刷新芯片开始配置接口处理FPGA和交换处理FPGA，同时处理器加载boot程序，并顺序加载应用程序，加载过程以及整个运行中需进行喂狗操作；
FPGA及CPU程序加载成功后，路由器具备工作状态；
路由器根据指令、接口以及软件功能完成载荷间不同接口数据的路由转发功能。
在功能实现的基础上，为提高产品空间环境适应性，设计上采取ECC、定时刷新、看门狗监控、在轨重构以及备份存储等措施。

Claims (6)

1.一种高可靠星座组网空间路由器电路，其特征在于，包括路由计算单元、交换转发单元、管控单元和复位系统；
路由计算单元用于路由算法计算，控制交换转发单元的读写和信息交互，通过管控单元从FLASH加载应用程序，并读取管控单元相关寄存器值；CPU软件重构时，整个软件上注完成后，地面发送指令通过管控单元触发CPU复位后重新加载管控单元的FLASH备存储区中的程序；如果检测到CPU工作正常，则管控单元将上注软件写入到管控单元的FLASH主存储区；
交换转发单元用于完成输入/输出分组的处理、转发表查找、遥测/遥控接口、地检数据接口和UTC时间同步功能；用于完成队列管理和总线调度；由刷新芯片FPGA进行配置和刷新，软件重构时，通过管控单元控制刷新芯片使上注的程序段写入交换转发单元的FLASH备存储区，当整个软件上注完成后，发送指令触发接口处理FPGA和交换处理FPGA重新加载交换转发单元的FLASH备存储区中的程序；如果检测到FPGA工作正常，则将上注软件写入到交换转发单元的FLASH主存储区；
管控单元用于当软件重构时，接收到上注数据，如果上注目标是路由计算CPU，则加载与控制FPGA将其写入到对应交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区；如果上注目标是接口处理FPGA或交换处理FPGA，则加载与控制FPGA通过UART接口送给专用刷新芯片，刷新芯片将其写入FLASH备存储区；
复位系统用于触发整个路由器的复位。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠星座组网空间路由器电路，其特征在于，路由计算单元包括CPU、PROM和DDR2，CPU连接管控单元的FLASH主存储区和管控单元的FLASH备存储区；
CPU连接PROM和DDR2，PROM用于存放引导程序。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠星座组网空间路由器电路，其特征在于，交换转发单元包括接口处理FPGA、交换处理FPGA和刷新芯片；
接口处理FPGA和交换处理FPGA均连接刷新芯片，刷新芯片连接交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区，接口处理FPGA和交换处理FPGA均连接管控单元；
交换处理FPGA根据功能要求需外挂用于配合交换处理FPGA进行队列管理的DDR2和SRAM芯片；
刷新芯片用于擦除、烧写和回读交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区，并对交换处理FPGA进行配置刷新。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠星座组网空间路由器电路，其特征在于，管控单元包括加载与控制FPGA，加载与控制FPGA连接交换转发单元的接口处理FPGA、交换处理FPGA和刷新芯片；
加载与控制FPGA用于控制解析并转发上注指令到交换转发单元的刷新芯片，并控制交换转发单元进行擦除、烧写和回读交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区；用于控制路由计算单元上注软件解析并对交换转发单元的FLASH主存储区和交换转发单元的FLASH备存储区进行擦除、编程操作，产生CPU复位指令、接收CPU脉冲信号以及触发CPU重加载；用于控制复位系统。
5.根据权利要求1所述的一种高可靠星座组网空间路由器电路，其特征在于，复位系统采用看门狗电路，看门狗电路连接路由计算单元的CPU、交换转发单元的接口处理FPGA和交换处理FPGA以及管控单元的加载与控制FPGA。
6.根据权利要求1或5所述的一种高可靠星座组网空间路由器电路，其特征在于，与路由计算单元的CPU连接复位系统还能够采用上电复位和指令复位的方式。
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