空間站有效載荷綜合處理單元設計研究

李 典,陳 穎,柴 霖

(中國西南電子技術研究所,成都610036)

1 引言

我國載人航天發展進入新的歷史階段,為順應天基信息技術發展趨勢,基于空間站國家空間實驗室的定位要求[1-3],采用在空間站上搭載一種綜合化有效載荷的方法來對影響未來發展的新技術、新體制、新概念開展實驗驗證。該有效載荷的主要特點是：①通過一種平臺滿足對地觀測、信息傳輸等多領域的新技術試驗需求；②能與時俱進地滿足在空間站的全壽命周期內適應任務需求的變化及新任務、新技術的插入；③確保任務規劃中已明確的功能應用的部署。

按傳統的航天電子載荷實現方式[4-6],將按照功能獨立設計天線、信道及處理設備,這種方式占用平臺資源較多,資源利用效率低,并且由于體系架構封閉,不具備開放性和擴展性,無法滿足新技術持續滾動試驗的需要。

針對傳統航天電子載荷存在的不足,在空間站環境約束下,以“軟件定義”為設計理念,采用基于微系統天線陣列、高速傳輸與交換、高性能計算等技術為基礎的有效載荷架構如圖1所示。在該有效載荷中主要通過綜合處理單元(Integrated Processing Unit,IPU)完成多種應用功能的核心算法部署和執行。為達到開放式綜合一體化處理的目標,本文重點從體系架構、處理能力、傳輸能力和部署能力等方面對IPU進行設計,并最終完成原理樣機的測試驗證。

圖1 空間站電子信息綜合應用系統架構Fig.1 Architecture of integrated electronic information application system in space station

2 IPU設計

2.1 總體架構設計

根據對有效載荷系統總體功能需求和資源需求的分析,IPU需要采用開放式的架構[7],支持不小于6種應用功能算法的部署,對外接口傳輸能力不小于600 Gbps,處理能力不小于1000 GFLOPS。針對上述需求,IPU采用高速信號網絡傳輸結合通用信號處理模塊池硬件架構,如圖2所示。硬件由通用信號處理(FPGA密集型和DSP密集型)、對外接口、單元控制等模塊通過串行RapidIO總線[8-9]和高速數字光纖[10]進行互連組成；軟件采用基于虛通道機制的分層架構[11],由底層驅動軟件、平臺軟件、RCM通信中間件和功能構件等組成；結構采用6U ASSAC標準模塊[12-13]和雙層機箱,占據1個標準II型載荷單元物理空間。

圖2 IPU架構Fig.2 IPU architecture

硬件模塊具體連接關系是：單模光纖直接與FPGA信號處理模塊連接,FPGA信號處理模塊間以及與對外接口模塊間采用多模光纖互聯,所有模塊之間通過串行RapidIO總線互聯(除二次電源模塊)。單個信號處理模塊的信號處理能力設計為100 GFLOPS。IPU的硬件型譜圖如圖3所示,總共包含18塊信號處理模塊,實際處理能力為1800 GFLOPS。

圖3 IPU硬件型譜Fig.3 Type spectrum of IPU hardware

IPU為實現與硬件無關的構件化軟件開發和部署,采用基于虛通道機制的RCM通信中間件來設計軟件體系。采用分層思想,將軟件分為功能應用層、系統框架層、通信服務層和平臺層。在同一節點部署的軟件的不同層之間通過API函數接口實現信息交換。其軟件層次架構如圖4所示。

IPU在整體結構上采用標準模塊加綜合機架的形式,散熱方式采用機架液冷形式,如圖5所示。整個IPU包括機架結構件、機架連接器、背板和可拆卸模塊,安裝在一個標準II型載荷單元(426 mm×600 mm×331 mm)內。綜合考慮 IPU體積、模塊功能及相互間的互聯關系等因素,所有模塊分2列排布,設置1個入水口和1個出水口,通過分匯流裝置,將液體工質分為3塊冷板。IPU內部模塊與前面板平行布置,分為2列安裝在3塊冷板之間,通過鎖緊裝置與機架冷板連接,模塊所需耗散的熱量通過傳導方式傳遞至安裝機架冷板。

為驗證熱設計措施的有效性,利用工具軟件建立分析模型,通過數字仿真計算,獲得IPU運行典型功能時,機箱、模塊和內部芯片在真空、微重力環境下的溫度云圖如圖6所示。從仿真結果可以看出,IPU機箱框架上的凸臺溫度低于47℃,內部模塊殼溫均低于55℃,最高出現在FPGA密集型通用信號處理模塊,其余模塊的殼體溫度均在50℃以下。內部芯片溫度均低于62℃,最高溫度出現在電源模塊中。

圖4 IPU軟件架構Fig.4 Software architecture of IPU

圖5 IPU結構設計圖Fig.5 Structual design of IPU

圖6 IPU溫度云圖Fig.6 Temperature nephogram of IPU

2.2 網絡拓撲設計

為適應高速數字信號傳輸的實時性和系統開放性靈活性的綜合需求,IPU主要通過光纖高速信號傳輸網絡和雙星型SRIO交換網絡這2種網絡進行互聯互通。

2.2.1 光纖高速信號傳輸網絡

有效載荷系統綜合孔徑單元采用數字陣列體制方案,在艙外完成射頻信號的收發和數字采樣,通過數字光纖完成信號的大容量、高速率的穿艙傳輸,然后在艙內的綜合處理單元完成數字信號處理,要求艙外綜合孔徑單元與艙內綜合處理單元之間有多達數百路信號的雙向高速傳輸,經過計算,數據率高達600 Gbps。為達到該目標,IPU的光纖高速信號傳輸網絡的總體拓撲設計如圖7所示,主要實現外部接口和內部互聯。具體工作原理為：從艙外到艙內的每路輸入模擬信號進行A/D數字采樣和編碼產生的高速串行信號,經過單模光電/電光轉換及密集波分復用后通過4路DWDM光波長用光纖進行傳輸,經過光交換矩陣和EDFA放大后,進入艙內IPU,通過DWDM解波分復用和單模光電/電光轉換還原為4路串行電信號,通過高速連接器傳輸至FPGA密集型信號處理模塊進行信號處理,再通過多模光電/電光轉換后傳輸至后續FPGA密集型通用信號處理模塊進行信號處理,最后通過多模光電/電光轉換后傳輸至對外接口模塊完成信號到DSP密集型信號處理模塊和其他單元的分發。從艙內到艙外的輸出信號為上述過程的逆過程。

圖7 光纖高速信號傳輸網絡拓撲圖Fig.7 Topology of fiber optic high-speed signal transmission network

IPU對外接口為24路16DWDM光纖(12收12發),每路單波長光纖傳輸速率為3.125 Gbps,對外接口能力為12×16×3.125 Gbps=600 Gbps。為適應功能算法信號傳輸需求,IPU內部多模光纖速率設計為6.25 Gbps。

2.2.2 雙星型SRIO交換網絡

IPU支持開放性、可擴展性設計,其核心思想是當新功能、新模塊插入時,與先前的功能無關,不對先前的功能造成任何影響,這就需要一種主要針對機箱內部的系統互聯總線來完成各個處理節點間大數據量、高實時性的傳輸。IPU選用串行RapidIO總線作為互連總線,其拓撲結構如圖8所示。結合高速數據交換、網絡負載均衡和系統高可靠的要求,雙星型SRIO交換網絡采用高速點到點傳輸模式和雙星型架構,端口采用雙冗余備份方式,任何端口出現故障的時候都可以自動切換到冗余端口進行數據的收發,不需要系統主控參與切換。IPU內各處理模塊通過無源背板接入到RapidIO網絡交換模塊,再通過RapidIO網絡交換模塊與其它模塊互連,從而實現任意芯片間的互連。

圖8 雙星型SRIO交換網絡拓撲示意圖Fig.8 Topology of double-star SRIO switching network

2.3 多功能部署和重構設計

IPU在有效載荷系統中主要完成多種應用功能的核心算法部署和執行,多功能部署和重構是軟件定義功能的核心,需要采用藍圖技術,從系統構型特征、網絡的特點、冗余備份要求、可擴展性要求、輸入輸出能力、資源最大處理能力、通用模塊物理接口約束、處理芯片接口和計算能力的約束條件以及單機、模塊、芯片功耗散熱的約束條件等多個維度進行綜合設計。

藍圖技術是一種自動化產生綜合化系統完成特定功能所需配置信息的方法。設計師通過藍圖設計工具設計頂層藍圖,產生運行藍圖。頂層藍圖包括硬件藍圖、功能藍圖、重構藍圖和部署藍圖；運行藍圖安裝在目標系統中,指示系統如何配置以完成特定的系統功能。系統設計師根據應用功能的資源和接口需求、硬件平臺的運算和傳輸能力,設定約束條件,在一定約束條件下擴展出所有可行的部署藍圖,并通過測試驗證后提供給系統管控。同時,由系統重構藍圖獲得系統在功能模式運行下的所有狀態轉移圖,并根據最優重構算法自動生成重構決策代碼。最后將所有可以的部署藍圖和所有重構決策代碼提供給系統管控,實現多功能動態部署和重構,如圖9所示。

3 測試及結果

3.1 測試環境

為驗證綜合處理單元總體架構設計合理性、網絡拓撲性能、多功能部署和重構可實現性,對一套對外接口傳輸能力為600 Gbps,處理能力為1800 GFLOPS的原理樣機的網絡鏈路性能和具體功能部署能力進行了測試。測試條件為常溫實驗室環境,參與測試的儀器設備情況見表1,測試環境主要分為IPU原理樣機(圖10(a))、光纖鏈路測試環境(圖10(b))、多功能部署重構測試環境(圖10(c))。

圖9 多功能部署和重構實現流程圖Fig.9 Flow chart of multi-functional deployment and refactoring implementation

表1 參試設備儀器和工具Table 1 Test equipment and tools

圖10 IPU測試環境圖Fig.10 Test environment of IPU

3.2 測試方法

測試項目1。光纖高速信號傳輸網絡和雙星型SRIO交換網絡互連拓撲及速率測試。測試方法：IPU上電完成后,通過網絡掃描工具測試互連拓撲；再通過FPGA回環和光譜分析儀測試光纖連通性、傳輸速度、誤碼率和波長；最后通過FPGA回環和高速差分示波器在背板測試SRIO傳輸速率和傳輸質量。

測試項目2。測試2個功能線程在IPU的部署,確保功能線程的連通測試。測試步驟為：①對IPU原理樣機建模形成物理藍圖；②根據功能A、B的算法流程形成功能藍圖；③根據算法所需的運算資源和網絡吞吐能力,確定需要加載應用組件的硬件模塊,形成部署藍圖；④自動生成XML格式的運行藍圖,完成系統藍圖部署。最后,通過多次重復測試完成6種功能部署和重構測試。

3.3 結果分析

經過測試,IPU主要功能性能指標如表2所示。從測試結果可以看出,IPU原理樣機SRIO網絡入網節點數為44個,按照1個FPGA密集型模塊2個節點入網,1個DSP密集型信號處理模塊3個節點入網計算,總共有10塊FPGA密集型模塊和8塊DSP密集型信號處理模塊正常上電入網,則IPU的處理能力為1800 GFLOPS；IPU原理樣機有6塊FPGA密集型信號處理模塊正常入網,且模塊對外單模光纖鏈路速率3.125 Gbps,則IPU對外接口速率達到600 Gbps；IPU能夠通過藍圖技術完成6種功能的部署和重構,則系統為芯片級互聯的開放式架構。

表2 綜合處理單元測試結果Table 2 Test results of IPU

4 結論

該綜合處理單元綜合化程度高、傳輸和處理能力強,實現了軟件定義功能,靈活性好,能有效解決空間載荷處理能力與綜合任務需求之間的矛盾,在實現多功能綜合化處理的同時,有效節約系統資源。IPU可廣泛應用于航天電子綜合化設計中,并對航天飛行器一體化設計提供一定的指導意義。