天文学

ASIC1553B IP

周莉，安军社，谢彦，等

基于ASIC技术的1553B IP核的设计

周莉，安军社，谢彦，等

目的：美国军用数据总线标准MIL-STD-1553B（简称1553B总线），以其高可靠性和实时性的优异性能而广泛应用于航空、航天等领域。传统1553B总线接口设计存在体积大、功耗大、集成化程度不高等缺点，成为阻碍卫星轻小型化发展的因素之一。大规模集成电路和中国ASIC技术的飞速发展和成熟，使得卫星传统板级功能集成到一个芯片内成为可能，因此基于ASIC技术的1553B IP核是当前1553B总线技术的研究热点。方法：针对卫星常用功能，提出一种面向航天综合电子的1553B总线协议ASIC芯片设计方案，集成了卫星常用的数据采集和状态控制功能，可满足卫星1553B总线功能及常用的CAN，EMI，AD，OC，UART，PWM，PCM，PPC和GPIO功能，对CPU的接口可配置为PCI接口、ISA接口或特别设计的1553B RT接口。另外，该ASIC芯片内嵌一个32位的龙芯CPU，也可以自主访问上述资源。通过与中国几款1553B协议芯片的对比，本ASIC芯片具有独立的自主知识产权，性能优良，可靠性高，接口丰富，应用范围广。1553B IP核是ASIC芯片的重要功能部件和设计重点，采用自顶而下的设计方法，利用Verilog硬件设计语言进行编程，实现总线控制器BC和远程终端RT功能。1553B IP核的设计参考航天领域常用的DDC公司的1553B协议芯片BU61580。分别从1553B IP核总体框架、BC/RT共享模块、BC功能模块和RT功能模块详细介绍了IP核的设计。IP核功能模块包括AXI从设备接口、寄存器/模式使能模块、BC模块、RT模块、RAM仲裁模块、共享RAM、通道选择模块、编码器模块、解码器模块、计时器等。BC模块主要由协议控制模块、RT发送模块、RT接收模块、RT到RT模块、广播模块、多路选择器模块等组成。协议控制模块为顶层模块，完成消息的管理、分析和调度，各子模块的入口均依据该模块的状态，同时该模块也依据各子模块的结束信号（或超时）作为状态转移条件。RT模块对解码器得到的有效命令字进行解析，依据协议要求，对各种命令字做出响应，包括数据接收、发送，状态字的设置以及各种方式命令的响应等。为应对航天环境的特殊性，ASIC芯片的元件库级、部件级和版图级采取了可靠性措施。结果：ASIC芯片系统仿真由中国科学院计算技术研究所龙芯团队开展。ASIC芯片经过模块仿真验证、系统仿真验证和FPGA验证，均符合预期设计要求。通过DDC的1553B板卡对1553B IP核设计进行验证，包括BC功能和RT功能正常通信测试、可靠性设计测试。正常通信测试包含所有1553B总线消息类型，可靠性设计测试包括误码率测试、错误注入和异常事件处理，测试结果与预期结果一致，通信误码率小于10－9。结论：实验验证了1553B IP核设计的可行性和可靠性。将1553B IP核与卫星常用数据采集和状态控制功能集成到一片ASIC芯片，可大大减少电路面积，降低功耗，提高电路集成度，有利于卫星的轻小型化发展。

来源出版物：空间科学学报, 2014, 34(1): 127-136

入选年份：2015

磁尾等离子片中偶极化锋面的数值模拟研究

申井然，曹晋滨，吕浩宇，等

摘要：目的：磁尾偶极化现象可以分为两类：一是在近地等离子体片X＝-10Re附近观测到的偶极化现象，也称为喷射刹车，该现象可解释为高速流在近地磁尾区域减速而形成的磁场堆积效应；二是由高速流地向输运引起的当地磁场倾斜角增大的偶极化，也称为瞬态偶极化。这两种磁场偶极化现象中都伴随有偶极化锋面的出现。尽管偶极化锋面研究已开展得比较多，但仍有许多问题不清楚，包括偶极化锋面中Bz变化特性的物理机制和原因、偶极化锋面的空间和时间尺度以及与其相关的变化参数等。采用三维数值模拟方法，通过构建三维磁尾爆发性高速流物理图像模型，对上述问题进行解释。方法：对三维非理想可压磁流体方程组发展了守恒型TVD（全变差减小）算法。八方程模型磁流体方程组属于非严格的非凸双曲型方程组，Powell对该方程进行修正并建立一组新的磁流体方程组。该方程组在形式上是非守恒的，不能直接采用守恒型TVD格式。利用特征系统分析构造了守恒型TVD格式。结果：利用八波模型磁流体方程组对磁尾中高速流引起的偶极化锋面现象进行模拟研究。构建了磁尾中由于瞬态偶极化机制的模拟方法，该方法由3个步骤组成。（1）采用半经验T96磁场模型给出初始磁场分布。T96模型对近地磁尾中地球磁场进行了很好的处理，但是由于仅给出了磁场分布，没有提供磁层中等离子体热压与密度的分布，因此并非受力平衡模型，即系统中合力密度并非处处为零。基于弹道松弛法，并通过合理的边界条件和监控网格点上合力的变化趋势，利用理想MHD模拟方法使得系统达到收敛后的平衡态。（2）模拟了磁层亚暴增长相后期近地磁尾区域电流片变薄过程。在亚暴增长相期间，电流片变薄，而且薄电流片对触发磁层亚暴十分重要。以第一步骤中的平衡态为初始条件，在模拟区域南北边界施加晨昏电场影响，利用所发展的八波模型磁流体算法进行数值模拟，获得变薄的电流片，该过程即为亚暴增长相。外加晨昏电场的目的是对磁尾注入磁通量，从而获得类似于亚暴增长相后期的磁尾结构。（3）利用上述薄电流片和不同的磁重联触发机制，形成释放能量的磁层亚暴恢复相。磁重联采用内部自发重联机制，由此产生的地向高速流BBF类型通量管产生偶极化锋面。内部自发重联之前形成的薄电流片采用随时间变化的晨昏电场驱动，亚暴触发时在磁尾指定区域给定有限反常电阻，从而触发自发重联，诱导产生地向高速流。模拟结果很好地再现了磁尾中地向高速流BBF类型通量管产生的偶极化锋面。伴随着高速流的出现，磁场Bz分量呈非对称双极变化结构，即锋面前减小为负值，在锋面上急剧增大。当Bz增大到极大值后回落并趋于稳定。偶极化锋面上除高速流与磁场Bz分量具有上述特性外，还伴随有密度减小、温度增大、热压减小以及总压减小的特征。当偶极化锋面伴随地向高速流向地球运动，偶极化锋面上Bz的变化越来越小。结论：利用三维磁流体数值模拟再现了磁尾中由于重联产生的偶极化锋面形成过程。偶极化锋面特性与观测结果一致，并给出偶极化锋面随地向高速流的传播特性。研究结果有助于全面理解偶极化锋面的产生和物理特性，为观测结果提供有力的理论依据。

来源出版物：空间科学学报, 2015, 35(4): 409-414

入选年份：2015