基于转换模块的空间即插即用综合电子系统研究

汪明晓，岳晓奎，马卫华，贺 亮

（1.西北工业大学 航天学院，陕西 西安 710072；2.上海航天控制工程研究所 上海 200233）

现有的航天系统研制模式决定了航天器的研制周期长、研制成本高、发射准备时间长、发射昂贵。传统航天器在轨运行过程中，一旦由于各种原因出现故障，几乎不能实现在轨维修或及时补充，将直接导致任务的失败。为了实现航天器的快速研发、快速发射、在轨维护，降低成本，需发展新的航天系统研制模式。

即插即用技术定义了一种兼容的系统框架，软硬件可以自由的加入到该框架中，及时有效地形成更复杂、庞大的系统。已经成为人类日常活动不可或缺的PC机采用的就是这样一种即插即用框架，它具有一系列标准的端口，各种具有相似接口的组件可以方便、自由加入到系统中，如鼠标、键盘、板卡等。如果能够定义适当的系统框架，即插即用概念也可以应用于其他系统中，如航天系统。国外，主要是美国，在2004年就开始着手研究将PC机领域的即插即用技术进行扩展，应用到航天领域，实现航天系统的快速、低成本研制、发射与运行，取得了一系列成果，如接口标准、软件框架，并已经在多个航天任务中进行了演示验证。

本文将对国外在航天领域即插即用技术研究现状进行研究分析，给出空间即插即用技术相关的问题与约束、关键技术和应用前景。研究了一种基于转换模块的空间即插即用技术[1]验证系统，分析了空间即插即用技术的功能、组成，给出了转换模块的主要功能、信息交互流程、组成与工作流程，介绍了利用FPGA与ARM开发的转换模块，同时设计了转换模块的研制方案，给出了基于转换模块的空间即插即用验证系统的开发与测试，验证了基于转换模块的空间即插即用技术的可行性与技术特点。

1 空间即插即用技术研究现状

21世纪初期，国际标准委员会的空间数据与信息转化机构开始研究用于航天器在轨信息交互的新技术[1]。空间数据系统合作委员会 （CCSDS）开展卫星在轨信息系统研究（SOIS）[2]。SOIS意在探究用于灵活搭建卫星在轨信息系统的新技术标准，它可能的发展方向就是即插即用，SOIS第一次将开放的计算机标准引入到航天器领域。

2004年，美国空军研究实验室（AFRL）为了解决空间平台的快速设计、制造、装配与集成等快速响应问题，正式开展作战响应空间 （Operationally Responsive Space：ORS）计划。ORS确定利用空间即插即用技术对航天器内部设备进行优化重构，实现航天器更快的响应能力。第一个空间即插即用电子系统工作组于同年组成，第一个适用于空间系统的标准协议选择的是USB1.1，并在此基础上，进行了扩展与修改。2007年，由该组织开发形成了现在国际上唯一公开的卫星模块化即插即用接口标准，即空间即插即用电子系统标准（Space Plug-and-Play Avionics：SPA）[1]， 它是在外嵌式传感器网络的概念上发展而来的，它的官方定义是：一套用于促进航天器总线平台和有效载荷快速开发的接口驱动式标准。该组织提出了一系列核心原理，包括基于USB和Spacewire标准设计的空间即插即用接口标准“SPA-U”[1-3]和“SPA-S”[4-7]。

自从ORS和SPA提出之日起，国外对空间即插即用技术开展了一系列的研究与验证项目，如美国国防转型办公室领导的战术星技术[8]（TacSat1-TacSat4）、NASA的 ST-5星座计划、AFRL的作战响应空间先进技术研究计划（RSATS）、堪萨斯大学的技术评估卫星计划等。2004年开始的即插即用卫星项目（PnPSat）[9-11]，是AFRL在SPA基础上，基于即插即用和模块化设计理念研制的卫星平台，其体系结构集中体现了即插即用和模块化设计理念的核心思想。目前国际上唯一公开的，也是发展最为成熟的卫星模块化即插即用标准SPA主要包括4个组成部分[12]：

1）即插即用物理接口：SPA-x（如 SPA-I、SPA-U、SPA-S、SPA-O和SPA-E）

2）卫星数据模型（Satellite Data Model：SDM）

3）基于 XML的电子数据描述表单（XML Transducer Electronic Data Sheet：xTEDS）

4）公用数据字典（Common Data Dictionary：CDD）。

2 即插即用技术的基本功能

即插即用是指不需要跳线和手动软件配置过程，当在支持即插即用的平台上插入一个即插即用设备时，可以在运行过程中动态的进行检测与配置。从这个定义的表述看，即插即用的实现要完成自动检测与软件自动配置两项基本工作。所谓自动检测就是在系统运行时，可以通过某种方式，检测到设备存在或是插入这样的实际动作，从而得知有新的设备加入到硬件系统中；而自动配置就是在检测到设备后，自动的为该硬件分配系统资源，加载驱动程序，然后告诉操作系统可以对该设备进行操作以及操作的途径和方法，同时告知设备都做了什么。即插即用的任务是把物理设备和软件相配合，在每个设备和它的驱动程序之间建立通信信道。

在以上分析的基础上，即插即用技术主要涉及到以下基本功能：

1）设备的发现与识别功能：该功能主要实现设备连入硬件系统中后，系统对该设备的自动检测，发现该设备的连入，并获取该设备的描述信息，根据描述信息对该设备基本特点进行解析。

2）设备参数的自动配置功能：在功能1）的基础上，该功能主要实现对设备参数的识别、系统资源的配置、驱动程序的启动，然后将该设备的功能告知系统，并广播该设备的连入与功能；

3）通信通道的建立：该功能主要实现系统中两设备之间通信通道的建立、维护和取消，实现设备间数据、命令的传输与管理。

3 转换模块功能与组成

即插即用最终想实现的一个主要目标是上层软件与物理设备的无关性，上层软件将不再与繁琐的硬件参数和接口函数绑在一起。卫星的外部设备都是通过描述文件进行功能的抽象，上层应用调用设备时不再依靠设备的接口函数，而是依靠描述文件的描述，通过星务管理软件向设备发送消息；设备也不是直接执行指令，而是通过转换模块将消息翻译成设备可执行的指令；星务管理软件屏蔽了硬件的物理地址信息，并有意不区别硬件设备与软件服务功能上的差别。以上特性使得即插即用卫星上层软件移植性、可重用性都非常高，上层软件完全不会受到新设备的影响；当底层硬件设备型号发生改变时，只需修改转换模块中的翻译代码，并保证新型号设备的描述文件与旧型号设备的一致，上层应用就不会受到影响，以上特性极大地提高了即插即用卫星上层软件的可重用性，降低了卫星软件的研发成本。在这一特性的实现中主要是转换模块的设计与实现。

3.1 转换模块主要功能

转换模块主要功能：实现设备机械接口与电气接口的统一，另外，转换模块还实现了数据与通信接口的统一，定义统一的数据格式与传输协议，实现星载机与转换模块之间的交互是通用的格式，实现星载机的软件与硬件单机的同步开发，而不是传统方法中的，先生产出硬件单机，再根据硬件单机的数据接口与通信协议，来设计实现星载机的软件，这样可以实现系统的开发时间短，软件的移植性、重用性得到提高；除此之外，转换模块还需要提供设备能量管理的能力和时间同步信号，如开启、关闭、重启设备等。下图给出了PnP转换机构在星务管理软件、上层应用软件和传统设备之间的连接关系，描述了转换机构对数据、描述信息、命令的处理与交互过程，它利用描述信息实现系统对设备的识别与驱动，实现了上层应用软件与低层物理设备之间无关性。

3.2 转换模块主要组成

图1 基于转换模块的即插即用系统信息交互流程Fig.1 Message interactive process of PnP test System

转换模块简化了传统设备即插即用设备的转换过程，提供了统一的机械、电气接口，同时在链路层与协议层上提供了统一的数据、通信接口。转换模块自身的内部结构通常包括微处理器、设备描述信息、存贮器、测试接口、通用接口和与传统设备互联的特定接口等如图所示。

图2 转换模块的系统组成方案Fig.2 Components of transfer mode

3.3 转换模块的工作流程

转换模块的工作流程主要有：

1）由于即插即用外部设备的即插即用特性，星载机会发现设备连接到系统中，星载机向设备的转换模块发送读取设备描述文件的指令；

2）设备的转换模块接收到指令后，会将设备描述文件信息发送给星载机，完成注册，星载机根据描述文件中的信息对设备进行系统资源配置、驱动加载等操作；

3）星载机在接收到应用程序的消费消息后，将指令发送给对应设备的转换模块；

4）转换模块接收到消费消息后，根据存储器上存储的协议、数据格式，将该指令解包、重新装帧成外部设备可执行的指令；

5）设备执行完成后将数据、命令反馈给转换模块；

6）转换模块将结果根据对应的协议、数据格式封装后，反馈给星载机，完成数据、命令的交互。

具体交互过程如图3所示。

图3 转换模块的工作流程Fig.3 Workflow of transfer model

4 转换模块硬件设计

PnP转换模块主要由ARM（STM32F103）配合FPGA芯片来实现，通过串口对ARM-CPU进行软件配置，可以使转换模块适用于不同的数据接口，不同的软件配置可以演示验证不同分系统功能。ARM通过总线实现对FPGA的读写访问控制，将FPGA中的标准总线格式数据读入进行处理、存储等操作，并将自身组帧产生的数据送FPGA后通过标准总线接口发出；同时ARM本身集成了USB、CAN、RS232控制器，通过 对 USB、CAN、RS232 接口 芯 片 的控 制 实 现 USB、CAN、RS232接口功能。FPGA主要实现地址译码、标准总线协议、接口控制等功能，具体方案与内部结构如图4所示。

图4 转换模块设计方案与内部结构Fig.4 Programme and structure of transfer model

在该空间即插即用验证系统中，协议从下到上包括以下3层：物理层、链路层和应用支持层（即协议层），如图5所示。每一层都是独立存在的，因此分配到各层的任务能够独立地执行，这样使得变更其中某层提供的方案时不影响其他层。数据链路层位于物理层和协议层之间，数据链路层由FPGA实现；协议层则由ARM来模拟单机设备。数据链路层需要实现物理层和协议层之间的数据交互：将物理层传输的信号转换为可供协议层使用的数据；将协议层需要发送的数据转换为一定格式的信号，送到物理层进行传输。

图5 协议体系结构Fig.5 Protocol structure of the PnP system

对于从上一层传送下来的数据，附加在前面的控制信息称为头，附加在后面的称为尾。当数据在各层间传送时，每一层都可以在数据上增加头和尾，而这些数据已经包含了上一层增加的头和尾。协议头包含了有关层与层间的通信信息。实际物理板卡如图6所示。

5 测试平台的搭建与测试

综合电子测试平台主要包括：星载机、即插即用转换模块、传统单机（飞轮、星敏感器、太阳敏感器、GPS和陀螺）、电源模块和上位机（主要负责数据显示与指令发送等功能）。测试平台组成结构如图7所示。

图6 PnP转换模块实际物理板卡Fig.6 Structure diagram of the PnP transfer model

综合电子测试平台的主体是星载机与即插即用转换模块。其中，星载机上运行星务管理软件，对连入系统中的各个单机进行自主检测、设备参数识别、资源配置、驱动加载、通信通道的建立与维护、数据的传输；即插即用转换模块实现对传统单机的转换，实现单机连入系统中，自动向星载机发送加入指令，实现系统对单机的自主识别、设备描述文件的注册、数据格式的转换等工作。测试前端根据星载机发送的指令，产生航天器轨道运行数据和环境数据，然后将这些数据经过转换模块转发给单机，实现单机数据的产生。界面显示上位机实现对测试前端发送的轨道数据进行STK模拟显示，遥控上位机实现对系统中设备在线状态的控制与通信通道的建立的控制指令发送、接收与显示。

为了对空间即插即用技术进行测试与验证，本文设计了两种测试工况，分别是地面装配即插即用基本功能测试与组合功能测试，主要是为了验证即插即用技术应用于航天领域中涉及到的相关功能特点和可行性。具体的测试内容如表1所示。

图7 综合电子测试平台组成结构Fig.7 Components of the intergrated electronic test system

表1 即插即用综合电子测试平台测试工况Tab.1 The contents of system test

系统的测试结果如下图所示，（a）为系统在端口2识别到飞轮，并对其进行自主识别、分配系统资源、加载驱动等相关信息；（b）为系统识别到星敏感器失效，系统对取消其系统资源、驱动等；（c）为星敏感器与太阳敏感器进行数据交互，星载机建立它们两者之间的通信通道，然后其进行数据通信；（d）、（e）为遥测遥控上位机显示界面，包括数据接收、指令发送、数据显示等模块；（f）为系统识别出太阳敏感器1失效后，在一定时间内启动敏感器2，实现系统的重建。

由测试结果可看出，设计的转换模块能够将传统航天器单机向具有即插即用功能单机的转变，实现了单机连入系统后，星载机可以自主完成检测该单机的加入、自动获取单机的设备描述信息，给设备分配系统资源、加载驱动、获取对该设备的操作方式等操作；同时，可以根据系统要求，建立与维护两单机间的数据交互通道，实现系统自主的数据、功能的交互；还可以根据单机的故障情况，更换新的单机实现系统的重构，完成系统的自主运行与管理等即插即用特性。

图8 测试结果Fig.8 The results of test

6 结束语

本文首先分析了空间即插即用技术的基本特点，即完成设备自动检测与软件自动配置两项工作，给出了空间即插即用技术的的基本功能，包括设备的自主发现与识别机制，设备参数的自动配置和设备间通信通道的建立。然后重点介绍了PnP转换模块的特点，它在空间即插即用技术中的作用，实现设备机械接口、电气接口的统一，通信协议的划分、设备描述信息的存储与注册，从而完成上层应用软件与低层物理设备之间的无关性，实现传统设备向即插即用设备的转换。其次介绍了转换模块的组成、工作流程、传输协议与设计方案，给出了利用ARM和FPGA开发的转换模块，介绍了该模块的组成和各部分的功能，给出了FPGA和ARM实现数据链路层与协议层的通信的方法。最后，给出了基于PnP转换模块搭建的空间即插即用技术验证系统，给出了系统的组成与系统框图，介绍了主要的测试的内容，验证了基于转换模块的空间即插即用技术在航天领域的可行性和空间即插即用技术在实际在轨更换中的应用特点。

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