基于TCA的航電串行背板總線設計研究

楊同智,周汝志

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

基于TCA的航電串行背板總線設計研究

楊同智,周汝志

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

為解決航天電子系統背板內總線因采用自定義專用設計，繼承性較差、內總線信號難以監控測試等弊端，對基于電信計算構架(TCA)的航天電子串行背板總線設計進行了研究。介紹了TCA總線中先進電信構架(ATCA)和微型電信構架(MTCA)的類型、分區和用途。討論了基于TCA總線的背板總線設計：按信號分為分級數據管理總線、數據更新接口、電源分配區、時鐘分配與觸發、自定義信號和測試6個功能區，通過背板資源的分區規范化管理、內總線測試接口設計和基于交換策略的冗余設計，分別采用交換結構和串行背板技術設計功能區。給出了一個基于TCA設計的開放式、可擴展、可測試、適應不同碼率需求的通用型可靠背板內總線構架，具可靠性高、帶寬大等優點。研究表明TCA可作為航天電子背板總線設計的一種可選方案。

綜合電子； 電信計算構架； 先進電信構架； 微型電信構架； 串行背板； 交換結構； 總線拓撲； 可測試性

0 引言

以往航天電子系統采用分離式設計，單機規模小而多。為進一步提升航天電子系統的模塊化與集成化水平，減輕平臺重量，國內航天器引入了綜合電子理念，將多個單機以子板的形式集成到一個單機中，這就對背板總線集成能力提出了更高的要求[1]。傳統的1553B，CAN總線，以及目前熱點研究SpaceWire，TTEthernet等高速總線主要針對單機間互聯，國內針對背板內總線的研究較少，單機內部互聯仍采用自定義專用設計，每個單機的背板內總線均不同，彼此間難以繼承，增加了重復設計的開銷；背板內總線在單機封蓋后難以監視，有問題必須對單機開蓋檢測，帶來了諸多弊端[2-3]。因此，新一代航電背板總線應具通用、冗余可靠與可測試等特點，背板標準化設計，各類型資源豐富，滿足各單板的配電、時鐘分配、管理、數據通信、背板信號監測、模擬量總線、自定義離散信號監控等需求，板間通信采用多級總線與冗余拓撲設計，通信可靠性高。2005年NASA研究報告建議采用串行背板技術和交換構架設計航天電子背板，可獲得較高的速率、較低的電磁干擾(EMI)和良好的可靠性[4]。在常用的背板總線構架中，傳統緊湊型外設部件互連標準(CPCI)構架采用并行總線構架，較難實現冗余設計；CPCI-Serial基于串行點對點交換構架，雖解決了冗余可靠性設計問題，但背板帶寬資源受限，不適應航天電子背板采用更高碼率的發展趨勢，尤其是大載荷或數據中繼轉發型的衛星應用[5]。2012年NASA發布的SpaceAGE和2003年ESA發布的SpaceWire也可用于背板通信，但任務延時不確定，主要用于數據傳輸，不適于背板任務管理[6-7]。TCA電信計算構架是PCI工業計算機制造商集團(PICMG)制定的面向高可靠高帶寬應用的規范，采用基于交換構架的多冗余配置管理，可承受加速度3g以上的正弦振動與8g以上的隨機振動。與SpaceAGE，SpaceWire等總線相比，該背板采用分級數據管理總線，兼容低速的背板任務管理和高速的背板數據傳輸功能，提供了更豐富的背板帶寬資源，具備一定的時鐘分配與自測試能力，可在較長時期內滿足航天器背板總線資源的需求[8]。本文以TCA為基礎，設計了一種通用型航天電子背板總線構架。

1 TCA總線簡介

TCA包含功能全面的先進通信計算機構架(ATCA)和精簡的微小通信計算機構架(MTCA)，在PICMG 3.X，MTCA.X系列協議中詳細制定了機械、電源、互聯、系統管理等內容，其規范化的背板結構支持冗余配置管理，可靠性達到99.999 9%。標準ATCA為 14或16槽，其中包含Hub交換槽2個、中心控制槽2個、節點功能槽12或10個，此外也存在6槽等精簡構架；標準MTCA為14槽，系統槽與交換槽的功能合并，稱之為微型TCA載波交換板(MCH)，其余為節點功能板(AMC)，此外也存在4槽、8槽等精簡尺寸構架。

ATCA有交換板、中心控制板和節點板三種類型。背板用于電源分配、系統管理、數據傳輸和自定義接口擴展，分為三個區(如圖1所示)：1區用于電源分配、自測試和關鍵低速管理信號傳送；2區用于中高速數據通信，包含基本中速監控、高級高速交換、板間數據更新、時鐘分配4類接口；3區為自定義信號區[8]。

MTCA包含MCH載波交換板和AMC節點板兩種類型板卡，MCH兼具中心控制板與交換板功能，背板資源如圖2所示。分為上下兩個區：下區至多可配置連接器4個，用于電源與時鐘分配、模塊互連、系統管理、聯合測試工作組(JTAG)測試等；上區為自定義信號擴展區[9]。

2 基于TCA總線的背板總線設計

現有航天電子背板信號類型見表1。除具可承

表1 航天電子系統背板總線信號類型

受航天器振動與噪聲沖擊的堅固機械機構、良好的配電與熱控能力、板間直接信息交互、支持冗余配置管理和良好的電氣可靠度等傳統特性外，背板總線構架還應有以下優點。

a)具備良好的通用性與可繼承性，對背板資源分區規范化管理，保留自定義信號區，既滿足差異化設計需求，又提高背板通用性。

b)可適應不同碼率應用需求，將背板數據管理總線分為三級：關鍵的低速監控總線、基本的中速監控總線、高級的高速數據流總線。

c)具備冗余時鐘分配與觸發同步能力，用于系統時序節拍統一。

d)具備一定的可測試性，具備內總線數據監視、板卡內建測試能力。

根據表1，將背板按信號類型分為6個功能區。參考TCA，分別對每個功能區進行設計。

2.1 分級數據管理總線區

背板總線中，數據管理總線占據背板最大資源，為適應不同碼率應用，此功能區分為三級：關鍵的低速監控總線、基本的中速監控總線和高級的高速數據流總線。設計涉及拓撲、物理層接口和協議。

2.1.1 拓撲

航天電子系統背板要求具備冗余能力。在標準總線中，采用點對點串行交換構架便于實現冗余設計。不同的總線拓撲結構，冗余度與設計復雜度各異。常用的背板總線拓撲如圖3所示，冗余可靠度從圖3(a)到圖3(e)依次增大，實現的復雜度也相應上升。參考TCA設計，關鍵低速監控總線拓撲可為ATCA采用的雙總線式或MTCA采用的雙星型拓撲結構，基本中速監控總線拓撲為ATCA與MTCA均采用的雙星型拓撲結構，高級高速數據流總線拓撲可為ATCA采用的全網型或MTCA采用的雙星型拓撲，全網型拓撲向下兼容雙星型、雙雙星型和多層中心節點型，冗余性好，但實現復雜度較高[8]。

2.1.2 物理層接口

低速總線面向兆級碼率的健康安全管理應用需求，可采用TTL，CMOS，RS422等電平形式。參考TCA構架，采用TTL電平的I2C電氣協議總線接口。I2C具備強大管理能力，美國推進噴氣實驗室(JPL)的深空系統技術計劃(X2000)將I2C列為低功耗總線標準[10]。

中高速總線常用接口主要有射極耦合邏輯(ECL)、低電壓差分信號(LVDS)、電流模式邏輯(CML)三類。ECL最高碼率可達10 Gb/s，但功耗

較高，EMI較大；CML是PCI-E 3.0，RapidIO，SATA等總線的物理層接口，最高碼率可達10 Gb/s，接口類似ECL，但更簡單，是碼率4 Gb/s乃至10 Gb/s以上常用的接口，只支持點對點互連，功耗適中，但傳輸距離較短；LVDS是TCA，SpaceWire，SpaceAGE，PCI-E 2.0，DisplayPort等總線的物理層接口，最高碼率可達3.125 b/s，EMI最小，功耗最低，支持點對點、多分支、多點總線結構，在航天中應用較廣泛。綜合比較，LVDS碼率適中，EMI最小，在航天中應用較廣泛，CML的優點是碼率較高[11]。因此，中速總線采用單通道LVDS接口，高速總線采用4通道的LVDS接口或CML接口，可獲得更大帶寬。

串行化反串行化、數據時鐘恢復(CDR)、8B/10B編碼和前向糾錯編碼是串行背板接口的關鍵技術，高速背板對PCB布線、接口連接器的抖動、串擾、偏斜等信號完整性提出了更高要求。建議可用同步高速接口代替異步串行接口，以耗費接口通道資源為代價，降低接口設計難度。

2.1.3 協議

低速總線協議采用基于雙路冗余I2C接口的智能平臺管理總線(IPMB)，通過背板連接器連接至各單板，完成基本的關鍵特性管理控制。參考MTCA構架，采用雙總線式的IPMB-0總線協議與雙星型的IPMB-L總線協議并存的混合模式，獲得更高的關鍵低速控制接口可靠度。IPMB采用Request/Response消息機制，IPMB消息傳輸地址類型有4種：硬件地址(通過1區中的引腳獲取)、IPMB總線地址、物理地址(單機中的板卡位置)、機架地址(多個單機互訪時，區分單機來源)[8]。

與TCA，SpaceAGE總線未明確規定高速總線協議，各子板背板協議可根據用戶需求靈活定制相同，設計的中速總線可采用IP，TTEthernet，SpaceWire等協議，高速總線可采用PCI-E，RapidIO，SATA等總線協議[8]。

本文對數據管理總線采用分級設計，可滿足不同碼率應用需求，同時各檔總線使用冗余拓撲設計，提高了系統可靠性，各級總線的特性統計見表2。

2.2 數據更新接口區

數據更新接口區用于建立鄰近板卡間的直接數據通道，參考TCA更新接口設計，采用LVDS接口建立鄰近板卡間的點對點互連，為相鄰板卡通信提供更簡單可靠的直接通道。另外，通過菊花鏈多跳的方法可實現從一塊板卡與其余板卡間的通信，能以此作為數據管理總線故障后的一種備份通信方式。對需要進行主備切換的應用，中心控制器A、B機(如MTCA的MCH1，MCH2間)可通過更新通道實現數據共享，同時更新通道還提供了呼叫奪權策略的實現接口。

2.3 電源分配區

電源分配區用于完成電源板一次、二次母線供電分配，ATCA采用雙冗余一次母線供電，1區大功率接插件可提供200 W功率承受能力；MTCA采用12，5 V二次母線供電。根據實際使用需求，電源分配區應提供豐富的42，28 V等一次電源與12，5 V等二次電源資源，滿足航天器實際電源使用需求。

TCA采用智能配電管理策略，中心控制器可自動切斷節點板的負載供電，保證節點板負載安全。TCA支持熱插拔，定義供電長短針結構，滿足加斷電時序要求，實現現場可替換單元(FRU)功能[9]。在使用中可根據實際需要，進行剪裁應用。

2.4 時鐘分配與觸發區

此功能區用于實現時鐘分配、板卡間時間統一和同步觸發等。

板卡間時鐘分配：各板卡可選用外參考時鐘作為本地時鐘的一種備份，同時一定程度保證各板卡時鐘共源，滿足時鐘共源類型的應用需求。同步時鐘接口提供一組時鐘總線，用于板間的時間同步，時鐘分配采用總線廣播和點對點兩種方式。ATCA多采用基于雙M-LVDS總線廣播式，節省背板資源，但可靠度與信號質量會受一定影響。仿真分析發現，總線廣播式時鐘源應處于中間板卡位置，向兩側廣播，由此可較好地保證信號質量；MTCA較多采用雙星型點對點式，占用較多背板資源，但因采用點對點設計，鏈路阻抗較匹配，信號質量較好[9]。本文總線時鐘區以MTCA的點對點時鐘分配為主，保留部分雙M-LVDS總線廣播時鐘，組成混合時鐘分配網絡。

表2 分級數據管理總線特性

板卡間時間統一：在TCA背板3區中定義IRIG-B碼與對時秒脈沖，實現1 μs量級時統，滿足高精度時統需求。

板卡間同步觸發：基于TCA，測試測量領域推出了儀器與測試高級TCA擴展(AXIe)測量背板標準，與PCI改進的PXI體系構架相比，其帶寬更大，更能適應大數據量測試測量的需求。AXIe較TCA引進了觸發總線，用于實現板卡間的快速同步觸發。因此，參考AXIe，在TCA背板3區增加觸發總線，用于板卡間時序節拍同步[12]。

2.5 自定義信號區與測試功能區

自定義信號區：為滿足差異化設計需求，提供了信號定制區，用于滿足不同航天器的專用需求，ATCA，MTCA的3區用于自定義信號擴展，用戶可在此區定義離散的狀態信號，如權狀態、部分離散遙測與遙控等，滿足不同單機的特性需求。此外，可參考SpaceAGE總線，在各節點板與中心交換板間定義模擬量總線。中心交換板具備AD采集功能，可控制各節點板的多路復用開關，完成對各子板模擬遙測量的采集[13]。

標準內測試：參考TCA構架的JTAG IEEE 1149.1測試接口，測試功能區采用JTAG-Switch交換構架點對點完成JTAG測試。菊花鏈式JTAG構架雖然簡單并節省資源，但JTAG-Switch交換構架更可靠便利[9]。

內總線數據流監控：單機不需開蓋即可完成內總線數據流分析，這對航天器集成測試非常重要，基于交換構架的背板總線設計為內部數據流監視提供了便利條件。參考SpaceWire總線測試設備，通過可接入TCA交換板的外圍測試設備即可實現內部總線數據流的監視[14]。

3 設計結果與展望

基于TCA設計的通用型背板總線分區如圖4所示，豎列為各子板槽位，包含中心控制交換板與節點板兩種類型，橫行為6個分區，各分區特性見表3。自定義擴展區用于定制化設計，滿足航天器的差異化設計需求，其余各區標準化，提高了背板設計的通用性與可繼承性；分級總線與冗余拓撲設計保障板間管理控制與數據通信的可靠性，通過背板測試功能區設計，提高板卡內建測試和內總線數據流監測能力。功能全面的ATCA背板帶寬可大于2 TB/s，精簡的MTCA，AXIe背板帶寬可大于40 GB/s，本背板的信號完整性、背板帶寬等電氣特性遵循TCA規范，能滿足航天電子系統背板資源需求。

基于TCA的背板總線與1553B，CAN等常用總線比較見表4。

表3 背板總線各功能區特性

項目TCA1553B/CANFlexRaySpaceWireTTEthernet總線分級 低、中、高三級總線，適應管理與數據通信的不同需求單一總線單一總線單一總線單一總線碼速率 分級：兆級、兆級至吉級、吉級至太級1Mb/s級10Mb/s級兆級至吉級兆級至吉級總線拓撲 雙總線式、雙星型、全網型等多種拓撲雙總線式雙總線式雙星型雙星型電源分配有無無無無時鐘分配有無無無無自測試強一般一般一般一般模擬量總線模擬量采集總線無無無無自定義自定義板間離散信號、數據通信無無無無功能定位 機內板間互連、成套背板解決方案 單機間互連、板間互連的部分功能組件 單機間互連、板間互連的部分功能組件 單機間互連、板間互連的部分功能組件 單機間互連、板間互連的部分功能組件

傳統的1553B，CAN，SpaceWire以及熱點研究的TTEthernet，FlexRay等總線主要定位于單機間互連，總線單一、未分級，且不具備電源分配、時鐘分配與觸發資源，自測試能力也較弱，不適于作為機內互連的背板總線，只能作為背板總線的某個功能區單元。基于TCA的背板總線采用分區設計，滿足系統管理、數據通信、電源分配、時鐘分配、觸發、自測試、模擬量總線與自定義等不同需求，面向功能管理、數據交換等不同需求的任務，采用分級總線(低、中、高碼速率三級總線)與多冗余拓撲設計，保障板件管理與數據通信的可靠性，提供了成套的機內板卡背板互連解決方案，有助于改善目前綜電單機機內互連自定義設計、通用性差、單機內部背板信號監測能力差(需開蓋測量)的不足，建立一種開放式、可擴展、可測試、適應不同碼率需求的通用型可靠背板內總線構架。TCA在電信領域獲得了大量應用，移動、電信、聯通等運營商希望以開放、標準的TCA等平臺替代目前私有的平臺，達到降低成本、保護投資、加快業務部署的目的，華為、摩托羅拉、西門子、HP等供應商在TCA基礎上實現了交換中心、計算中心、存儲中心、寬帶/窄帶軟件無線電信號處理、基帶信號處理等功能應用，已廣泛用于電信市場。在測試測量領域，安捷倫等公司也基于高級TCA擴展(AXIe)測量背板標準，推出了M819x系列等大帶寬高碼率測試測量儀器，滿足雷達、軟件無線電偵查等測試測量要求。PICMG 2.x制定的PCI簇標準已廣泛用于航天航空、國防、測試測量、電信等領域，在通信能力要求越來越高的今天，作為新一代PICMG 3.x制定的TCA簇標準將在航天航空、國防、測試測量、電信等領域占有重要地位。基于TCA探索設計通用開放式航電串行背板總線對衛星電子系統設計有重要意義。

4 結束語

針對自定義航天電子背板內總線的繼承性較差、內總線信號難以監控測試等弊端，本文在繼承TCA構架高帶寬和良好的電氣可靠性的基礎上，通過信號類型的功能分區管理，采用串行背板技術和交換式結構，對一種通用型背板內總線構架進行了研究。與NASA的SpaceAGE總線相比，該通用型背板內總線構架具更多的通道節點、更大的帶寬和更豐富的時鐘及測試資源，可在較長時間內滿足航電系統背板通信的需求，對降低航電產品的重復開發成本、提高航電系統的產品化和通用化水平有重要意義。雖然TCA在電信和測試測量領域已有眾多成功應用參考，但為使該背板構架更好地用于工程，后續還需對高速背板的信號完整性、高速串口技術、可靠的交換協議和智能的安全管理等進行研究。傳統航電背板采用的時鐘、數據與門控的異步時序接口已不能滿足該背板的通信需求，該背板應用基于串行化反串行化、數據時鐘恢復(CDR)、8B/10B編碼和前向糾錯編碼等技術的串行通信接口，對背板PCB的布線質量、串行接口芯片的選用和串行接口邏輯的設計提出了更高要求。冗余拓撲構架的設計是新式背板設計的難點與核心，常用拓撲包括雙總線式、雙星型、3層中心節點型、全網型等拓撲，因此可參考SpaceWire，TCA等總線，設計傳輸可靠、通信速率高、支持多冗余動態切換的交換構架。該背板總線通過IPMB進行整個背板狀態監測、控制與故障管理。IPMB已在民用電信市場有較多應用，功能較強大，但將其應用于航電系統，還需要進行相應的裁剪與適配性設計。

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StudyonSerialBackplaneBusDesigninAdvancedAvionicsArchitecturesBasedonTCA

YANG Tong-zhi, ZHOU Ru-zhi

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

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 studied 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 renewing 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 strategy. 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 electronic system of astronautics.

avionics; telecom computing architecture (TCA); advanced TCA; micro TCA; serial backplane; switch fabric; bus topology; testability

2016-01-09；

2016-03-30

楊同智(1987—)，男，碩士，主要從事衛星綜合集成測試。

1006-1630(2017)06-0083-07

TN492

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.06.013