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美国快速响应卫星遥感相机电子学的技术特点(中)

时间:2017年07月19日 信息来源:《航天返回与遥感》 点击: 【字体:

2.1.2 CPCI 总线的应用

 CPCIcompact peripheral component interconnect)总线,又称为紧凑型 PCI,是在 PCI 技术基础之上经过改造而成。CPCI 总线时钟频率为 66.6MHz,总线宽度为 32 位或 64 位,最大数据传输率为528Mbyte/s,支持 64 位寻址,能够实现高速数据的传输。总线采用数据信号和地址信号分时复用的方式,能够满足突发情况下的数据传输。在兼容性方面,该总线能够实现不同设备和处理器的共存共享,即在同一系统中兼容不同速度的设备,以及兼容多种处理器甚至是未来的新处理器。在应用方面,CPCI 总线能够实现设备的即插即用,能够自动检测、识别和配置外部设备。当板卡插入系统后,系统会自动访问板卡的配置空间,通过读取配置空间中的参数,决定外设映射的基地址和所需的资源,再自动寻找相应的驱动程序。由于 CPCI 设备不占用固定的内存空间或 I/O 空间,而是由操作系统读取板卡参数决定其映射的地址,所以 CPCI 总线可以真正的实现即插即用。CPCI 总线在实际使用中通常需要总线桥接芯片。该芯片的主要功能是连接 CPCI 总线和局部总线,连接板卡上的设备和系统总线。CPCI 桥接芯片的实现方式有两种:一种方法是选择专用的桥接芯片,另一种是使用 FPGA DSP 中的硬件资源。美国的TacSat-3 采用的是第二种方案。TacSat-3 的响应可重构处理器 RA-RCCresponsive avionics reconfigurable computer)采用了 CPCI 总线。总线桥接芯片使用的是 Actel 公司的 RTAX2000 FPGA。该芯片是抗辐射的宇航级反熔丝器件,具有很高的可靠性。Actel 公司为 RTAX2000 提供完整的可用于 CPCI 总线的 IPintellectual property)核,可以有效的节省开发时间和开发成本。

2.1.3 Ethernet 总线的应用

 以太网是在 20 世纪 70 年代初期由 Xerox 公司 Palo Alto 研究中心推出的。1979 XeroxIntel DEC 公司正式发布了 DIX 版本的以太网规范,1983 IEEE 802.3 标准正式发布。以太网是一种能够使通讯设备相互传递信息的介质。它可以由许多物理网段组合而成,每个网段包括导线和网络设备。在接收数据方面,以太网采用广播机制,所有与网络连接的工作站都可以看到网络上传递的数据。网络设备通过查看数据帧中的目标地址,确定是否进行接收。在数据发送方面,为避免冲突,以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问技术(carrier sense multiple access with collision detectionCSMA/CD)。该技术要求通讯设备首先需侦听网络是否空闲,如果空闲,才会把所要发送的信息投放到网络当中。以太网的接入通常使用专用的网卡或主板上的专用电路。无论是哪种方法,实现网络连接功能的电路都需要包含以太网媒体接入控制器和物理接口收发器两个主要的部分。以太网媒体接入控制器主要负责控制和连接物理层的物理介质。物理接口收发器的功能较多:一是实现数据的串并转换和编码输出;二是实现CSMA/CD 的部分功能,检测网络上是否有数据在传送;三是进行网络通讯的自协商。自协商功能允许一个网络设备将自己所支持的工作模式信息传达给网络上的对方,并接收对方传过来的相应信息。自协商功能完全由物理层芯片实现,因此不带来任何高层协议开销。在链路初始化时,自协商协议向对方设备发送 16bit 的报文并从对方设备接收类似的报文。自协商的内容主要包括速度、双工、流控。自协商功能是以太网设备能够实现即插即用的主要原因。以太网设备通过这种协商建立了设备的自动检测和自动配置。目前,千兆以太网、10G 以太网已经在卫星上使用。如 TacSat-3 ARTEMIS 相机的 G4-SBC单板计算机和卫星通信模块之间使用的就是千兆以太网,其以太网媒体接入控制器部分由 G4-SBC 单板计算机上的 DSP 实现,物理接口收发器使用的是专用的接口芯片。

2.2 低等级器件的选用和改造

 选用已有的商业级、军用级产品,或直接使用 COTS 器件进行设计是实现卫星低成本制造的重要技术途径。相对于使用宇航级元器件而言的传统设计方法,这种方法更能节省物资成本和时间成本。

 在卫星上使用低等级产品需要考虑产品的力学特性、温度适应范围、真空漏气和空间辐射等多方面因素。美国在快速响应卫星研制过程中,考虑到卫星运行的轨道较低,在轨寿命通常为 1 年,因此适当的放宽了对电子产品的工作时间和寿命的要求,允许在非关键环节上使用低等级元器件或部组件。

2.2.1 商业级产品的加固和实验

 ARTEMIS TacSat-3 实验任务的主要有效载荷,其中包括一台可见光相机,该相机又称高分辨率成像仪。为了满足成本和进度方面的要求,负责高分辨率成像仪研制的美国雷声公司将 Dalsa 公司的一款成本低、结构紧凑的相机进行了改造。改造后进行了环境实验,重点验证电子学部分的力学、温度、漏气、抗辐射 4 个方面的特性,试验结果表明改造后的产品能够满足设计要求。

2.2.2 军级产品的改造和移植

 移植军用产品是快速响应卫星使用低等级产品的另一种方式。以 ORS-1 卫星的光电侦查载荷为例,该载荷由古德里奇公司“高级光电侦察系统-2”(SYERS-2)多光谱探测设备改进而成,采用了新型时间延迟积分焦平面。该设备曾是 U-2 高空侦察机使用的主要成像侦查设备。改进型 SYERS-2 的侦查设备工作谱段从可见光到中波红外共 7 个谱段,可以完全兼容改进前的地面接收系统,避免了用户系统的升级。

2.2.3 低等级元器件的应用

 美国快速响应卫星的很多产品直接使用 COTS 器件或军级器件。其中比较典型的是 TacSat-3 RA-RCC 单元。该设备主要用于图像压缩,所用主要元器件中包括 3 Xilinx 公司的 XC4VLX160 FPGA1 Actel 公司的 RTAX2000 FPGA。其中 XC4VLX160 FPGA 是非宇航级的低等级器件,RTAX2000 FPGA 是宇航级器件。XC4VLX160 FPGA 主要用于图像处理,RTAX2000 FPGA 主要用于对低等级器件运行状态的监控。    


(作者:荣鹏)
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