天文學

ASIC1553B IP

周莉，安軍社，謝彥，等

基于ASIC技術的1553B IP核的設計

周莉，安軍社，謝彥，等

目的：美國軍用數據總線標準MIL-STD-1553B（簡稱1553B總線），以其高可靠性和實時性的優異性能而廣泛應用于航空、航天等領域。傳統1553B總線接口設計存在體積大、功耗大、集成化程度不高等缺點，成為阻礙衛星輕小型化發展的因素之一。大規模集成電路和中國ASIC技術的飛速發展和成熟，使得衛星傳統板級功能集成到一個芯片內成為可能，因此基于ASIC技術的1553B IP核是當前1553B總線技術的研究熱點。方法：針對衛星常用功能，提出一種面向航天綜合電子的1553B總線協議ASIC芯片設計方案，集成了衛星常用的數據采集和狀態控制功能，可滿足衛星1553B總線功能及常用的CAN，EMI，AD，OC，UART，PWM，PCM，PPC和GPIO功能，對CPU的接口可配置為PCI接口、ISA接口或特別設計的1553B RT接口。另外，該ASIC芯片內嵌一個32位的龍芯CPU，也可以自主訪問上述資源。通過與中國幾款1553B協議芯片的對比，本ASIC芯片具有獨立的自主知識產權，性能優良，可靠性高，接口豐富，應用范圍廣。1553B IP核是ASIC芯片的重要功能部件和設計重點，采用自頂而下的設計方法，利用Verilog硬件設計語言進行編程，實現總線控制器BC和遠程終端RT功能。1553B IP核的設計參考航天領域常用的DDC公司的1553B協議芯片BU61580。分別從1553B IP核總體框架、BC/RT共享模塊、BC功能模塊和RT功能模塊詳細介紹了IP核的設計。IP核功能模塊包括AXI從設備接口、寄存器/模式使能模塊、BC模塊、RT模塊、RAM仲裁模塊、共享RAM、通道選擇模塊、編碼器模塊、解碼器模塊、計時器等。BC模塊主要由協議控制模塊、RT發送模塊、RT接收模塊、RT到RT模塊、廣播模塊、多路選擇器模塊等組成。協議控制模塊為頂層模塊，完成消息的管理、分析和調度，各子模塊的入口均依據該模塊的狀態，同時該模塊也依據各子模塊的結束信號（或超時）作為狀態轉移條件。RT模塊對解碼器得到的有效命令字進行解析，依據協議要求，對各種命令字做出響應，包括數據接收、發送，狀態字的設置以及各種方式命令的響應等。為應對航天環境的特殊性，ASIC芯片的元件庫級、部件級和版圖級采取了可靠性措施。結果：ASIC芯片系統仿真由中國科學院計算技術研究所龍芯團隊開展。ASIC芯片經過模塊仿真驗證、系統仿真驗證和FPGA驗證，均符合預期設計要求。通過DDC的1553B板卡對1553B IP核設計進行驗證，包括BC功能和RT功能正常通信測試、可靠性設計測試。正常通信測試包含所有1553B總線消息類型，可靠性設計測試包括誤碼率測試、錯誤注入和異常事件處理，測試結果與預期結果一致，通信誤碼率小于10－9。結論：實驗驗證了1553B IP核設計的可行性和可靠性。將1553B IP核與衛星常用數據采集和狀態控制功能集成到一片ASIC芯片，可大大減少電路面積，降低功耗，提高電路集成度，有利于衛星的輕小型化發展。

來源出版物：空間科學學報, 2014, 34(1): 127-136

入選年份：2015

磁尾等離子片中偶極化鋒面的數值模擬研究

申井然，曹晉濱，呂浩宇，等

摘要：目的：磁尾偶極化現象可以分為兩類：一是在近地等離子體片X＝-10Re附近觀測到的偶極化現象，也稱為噴射剎車，該現象可解釋為高速流在近地磁尾區域減速而形成的磁場堆積效應；二是由高速流地向輸運引起的當地磁場傾斜角增大的偶極化，也稱為瞬態偶極化。這兩種磁場偶極化現象中都伴隨有偶極化鋒面的出現。盡管偶極化鋒面研究已開展得比較多，但仍有許多問題不清楚，包括偶極化鋒面中Bz變化特性的物理機制和原因、偶極化鋒面的空間和時間尺度以及與其相關的變化參數等。采用三維數值模擬方法，通過構建三維磁尾爆發性高速流物理圖像模型，對上述問題進行解釋。方法：對三維非理想可壓磁流體方程組發展了守恒型TVD（全變差減?。┧惴?。八方程模型磁流體方程組屬于非嚴格的非凸雙曲型方程組，Powell對該方程進行修正并建立一組新的磁流體方程組。該方程組在形式上是非守恒的，不能直接采用守恒型TVD格式。利用特征系統分析構造了守恒型TVD格式。結果：利用八波模型磁流體方程組對磁尾中高速流引起的偶極化鋒面現象進行模擬研究。構建了磁尾中由于瞬態偶極化機制的模擬方法，該方法由3個步驟組成。（1）采用半經驗T96磁場模型給出初始磁場分布。T96模型對近地磁尾中地球磁場進行了很好的處理，但是由于僅給出了磁場分布，沒有提供磁層中等離子體熱壓與密度的分布，因此并非受力平衡模型，即系統中合力密度并非處處為零?；趶椀浪沙诜?，并通過合理的邊界條件和監控網格點上合力的變化趨勢，利用理想MHD模擬方法使得系統達到收斂后的平衡態。（2）模擬了磁層亞暴增長相后期近地磁尾區域電流片變薄過程。在亞暴增長相期間，電流片變薄，而且薄電流片對觸發磁層亞暴十分重要。以第一步驟中的平衡態為初始條件，在模擬區域南北邊界施加晨昏電場影響，利用所發展的八波模型磁流體算法進行數值模擬，獲得變薄的電流片，該過程即為亞暴增長相。外加晨昏電場的目的是對磁尾注入磁通量，從而獲得類似于亞暴增長相后期的磁尾結構。（3）利用上述薄電流片和不同的磁重聯觸發機制，形成釋放能量的磁層亞暴恢復相。磁重聯采用內部自發重聯機制，由此產生的地向高速流BBF類型通量管產生偶極化鋒面。內部自發重聯之前形成的薄電流片采用隨時間變化的晨昏電場驅動，亞暴觸發時在磁尾指定區域給定有限反常電阻，從而觸發自發重聯，誘導產生地向高速流。模擬結果很好地再現了磁尾中地向高速流BBF類型通量管產生的偶極化鋒面。伴隨著高速流的出現，磁場Bz分量呈非對稱雙極變化結構，即鋒面前減小為負值，在鋒面上急劇增大。當Bz增大到極大值后回落并趨于穩定。偶極化鋒面上除高速流與磁場Bz分量具有上述特性外，還伴隨有密度減小、溫度增大、熱壓減小以及總壓減小的特征。當偶極化鋒面伴隨地向高速流向地球運動，偶極化鋒面上Bz的變化越來越小。結論：利用三維磁流體數值模擬再現了磁尾中由于重聯產生的偶極化鋒面形成過程。偶極化鋒面特性與觀測結果一致，并給出偶極化鋒面隨地向高速流的傳播特性。研究結果有助于全面理解偶極化鋒面的產生和物理特性，為觀測結果提供有力的理論依據。

來源出版物：空間科學學報, 2015, 35(4): 409-414

入選年份：2015