基于TCA的航电串行背板总线设计研究

杨同智,周汝志

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

基于TCA的航电串行背板总线设计研究

杨同智,周汝志

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

为解决航天电子系统背板内总线因采用自定义专用设计，继承性较差、内总线信号难以监控测试等弊端，对基于电信计算构架(TCA)的航天电子串行背板总线设计进行了研究。介绍了TCA总线中先进电信构架(ATCA)和微型电信构架(MTCA)的类型、分区和用途。讨论了基于TCA总线的背板总线设计：按信号分为分级数据管理总线、数据更新接口、电源分配区、时钟分配与触发、自定义信号和测试6个功能区，通过背板资源的分区规范化管理、内总线测试接口设计和基于交换策略的冗余设计，分别采用交换结构和串行背板技术设计功能区。给出了一个基于TCA设计的开放式、可扩展、可测试、适应不同码率需求的通用型可靠背板内总线构架，具可靠性高、带宽大等优点。研究表明TCA可作为航天电子背板总线设计的一种可选方案。

综合电子； 电信计算构架； 先进电信构架； 微型电信构架； 串行背板； 交换结构； 总线拓扑； 可测试性

0 引言

以往航天电子系统采用分离式设计，单机规模小而多。为进一步提升航天电子系统的模块化与集成化水平，减轻平台重量，国内航天器引入了综合电子理念，将多个单机以子板的形式集成到一个单机中，这就对背板总线集成能力提出了更高的要求[1]。传统的1553B，CAN总线，以及目前热点研究SpaceWire，TTEthernet等高速总线主要针对单机间互联，国内针对背板内总线的研究较少，单机内部互联仍采用自定义专用设计，每个单机的背板内总线均不同，彼此间难以继承，增加了重复设计的开销；背板内总线在单机封盖后难以监视，有问题必须对单机开盖检测，带来了诸多弊端[2-3]。因此，新一代航电背板总线应具通用、冗余可靠与可测试等特点，背板标准化设计，各类型资源丰富，满足各单板的配电、时钟分配、管理、数据通信、背板信号监测、模拟量总线、自定义离散信号监控等需求，板间通信采用多级总线与冗余拓扑设计，通信可靠性高。2005年NASA研究报告建议采用串行背板技术和交换构架设计航天电子背板，可获得较高的速率、较低的电磁干扰(EMI)和良好的可靠性[4]。在常用的背板总线构架中，传统紧凑型外设部件互连标准(CPCI)构架采用并行总线构架，较难实现冗余设计；CPCI-Serial基于串行点对点交换构架，虽解决了冗余可靠性设计问题，但背板带宽资源受限，不适应航天电子背板采用更高码率的发展趋势，尤其是大载荷或数据中继转发型的卫星应用[5]。2012年NASA发布的SpaceAGE和2003年ESA发布的SpaceWire也可用于背板通信，但任务延时不确定，主要用于数据传输，不适于背板任务管理[6-7]。TCA电信计算构架是PCI工业计算机制造商集团(PICMG)制定的面向高可靠高带宽应用的规范，采用基于交换构架的多冗余配置管理，可承受加速度3g以上的正弦振动与8g以上的随机振动。与SpaceAGE，SpaceWire等总线相比，该背板采用分级数据管理总线，兼容低速的背板任务管理和高速的背板数据传输功能，提供了更丰富的背板带宽资源，具备一定的时钟分配与自测试能力，可在较长时期内满足航天器背板总线资源的需求[8]。本文以TCA为基础，设计了一种通用型航天电子背板总线构架。

1 TCA总线简介

TCA包含功能全面的先进通信计算机构架(ATCA)和精简的微小通信计算机构架(MTCA)，在PICMG 3.X，MTCA.X系列协议中详细制定了机械、电源、互联、系统管理等内容，其规范化的背板结构支持冗余配置管理，可靠性达到99.999 9%。标准ATCA为 14或16槽，其中包含Hub交换槽2个、中心控制槽2个、节点功能槽12或10个，此外也存在6槽等精简构架；标准MTCA为14槽，系统槽与交换槽的功能合并，称之为微型TCA载波交换板(MCH)，其余为节点功能板(AMC)，此外也存在4槽、8槽等精简尺寸构架。

ATCA有交换板、中心控制板和节点板三种类型。背板用于电源分配、系统管理、数据传输和自定义接口扩展，分为三个区(如图1所示)：1区用于电源分配、自测试和关键低速管理信号传送；2区用于中高速数据通信，包含基本中速监控、高级高速交换、板间数据更新、时钟分配4类接口；3区为自定义信号区[8]。

MTCA包含MCH载波交换板和AMC节点板两种类型板卡，MCH兼具中心控制板与交换板功能，背板资源如图2所示。分为上下两个区：下区至多可配置连接器4个，用于电源与时钟分配、模块互连、系统管理、联合测试工作组(JTAG)测试等；上区为自定义信号扩展区[9]。

2 基于TCA总线的背板总线设计

现有航天电子背板信号类型见表1。除具可承

表1 航天电子系统背板总线信号类型

受航天器振动与噪声冲击的坚固机械机构、良好的配电与热控能力、板间直接信息交互、支持冗余配置管理和良好的电气可靠度等传统特性外，背板总线构架还应有以下优点。

a)具备良好的通用性与可继承性，对背板资源分区规范化管理，保留自定义信号区，既满足差异化设计需求，又提高背板通用性。

b)可适应不同码率应用需求，将背板数据管理总线分为三级：关键的低速监控总线、基本的中速监控总线、高级的高速数据流总线。

c)具备冗余时钟分配与触发同步能力，用于系统时序节拍统一。

d)具备一定的可测试性，具备内总线数据监视、板卡内建测试能力。

根据表1，将背板按信号类型分为6个功能区。参考TCA，分别对每个功能区进行设计。

2.1 分级数据管理总线区

背板总线中，数据管理总线占据背板最大资源，为适应不同码率应用，此功能区分为三级：关键的低速监控总线、基本的中速监控总线和高级的高速数据流总线。设计涉及拓扑、物理层接口和协议。

2.1.1 拓扑

航天电子系统背板要求具备冗余能力。在标准总线中，采用点对点串行交换构架便于实现冗余设计。不同的总线拓扑结构，冗余度与设计复杂度各异。常用的背板总线拓扑如图3所示，冗余可靠度从图3(a)到图3(e)依次增大，实现的复杂度也相应上升。参考TCA设计，关键低速监控总线拓扑可为ATCA采用的双总线式或MTCA采用的双星型拓扑结构，基本中速监控总线拓扑为ATCA与MTCA均采用的双星型拓扑结构，高级高速数据流总线拓扑可为ATCA采用的全网型或MTCA采用的双星型拓扑，全网型拓扑向下兼容双星型、双双星型和多层中心节点型，冗余性好，但实现复杂度较高[8]。

2.1.2 物理层接口

低速总线面向兆级码率的健康安全管理应用需求，可采用TTL，CMOS，RS422等电平形式。参考TCA构架，采用TTL电平的I2C电气协议总线接口。I2C具备强大管理能力，美国推进喷气实验室(JPL)的深空系统技术计划(X2000)将I2C列为低功耗总线标准[10]。

中高速总线常用接口主要有射极耦合逻辑(ECL)、低电压差分信号(LVDS)、电流模式逻辑(CML)三类。ECL最高码率可达10 Gb/s，但功耗

较高，EMI较大；CML是PCI-E 3.0，RapidIO，SATA等总线的物理层接口，最高码率可达10 Gb/s，接口类似ECL，但更简单，是码率4 Gb/s乃至10 Gb/s以上常用的接口，只支持点对点互连，功耗适中，但传输距离较短；LVDS是TCA，SpaceWire，SpaceAGE，PCI-E 2.0，DisplayPort等总线的物理层接口，最高码率可达3.125 b/s，EMI最小，功耗最低，支持点对点、多分支、多点总线结构，在航天中应用较广泛。综合比较，LVDS码率适中，EMI最小，在航天中应用较广泛，CML的优点是码率较高[11]。因此，中速总线采用单通道LVDS接口，高速总线采用4通道的LVDS接口或CML接口，可获得更大带宽。

串行化反串行化、数据时钟恢复(CDR)、8B/10B编码和前向纠错编码是串行背板接口的关键技术，高速背板对PCB布线、接口连接器的抖动、串扰、偏斜等信号完整性提出了更高要求。建议可用同步高速接口代替异步串行接口，以耗费接口通道资源为代价，降低接口设计难度。

2.1.3 协议

低速总线协议采用基于双路冗余I2C接口的智能平台管理总线(IPMB)，通过背板连接器连接至各单板，完成基本的关键特性管理控制。参考MTCA构架，采用双总线式的IPMB-0总线协议与双星型的IPMB-L总线协议并存的混合模式，获得更高的关键低速控制接口可靠度。IPMB采用Request/Response消息机制，IPMB消息传输地址类型有4种：硬件地址(通过1区中的引脚获取)、IPMB总线地址、物理地址(单机中的板卡位置)、机架地址(多个单机互访时，区分单机来源)[8]。

与TCA，SpaceAGE总线未明确规定高速总线协议，各子板背板协议可根据用户需求灵活定制相同，设计的中速总线可采用IP，TTEthernet，SpaceWire等协议，高速总线可采用PCI-E，RapidIO，SATA等总线协议[8]。

本文对数据管理总线采用分级设计，可满足不同码率应用需求，同时各档总线使用冗余拓扑设计，提高了系统可靠性，各级总线的特性统计见表2。

2.2 数据更新接口区

数据更新接口区用于建立邻近板卡间的直接数据通道，参考TCA更新接口设计，采用LVDS接口建立邻近板卡间的点对点互连，为相邻板卡通信提供更简单可靠的直接通道。另外，通过菊花链多跳的方法可实现从一块板卡与其余板卡间的通信，能以此作为数据管理总线故障后的一种备份通信方式。对需要进行主备切换的应用，中心控制器A、B机(如MTCA的MCH1，MCH2间)可通过更新通道实现数据共享，同时更新通道还提供了呼叫夺权策略的实现接口。

2.3 电源分配区

电源分配区用于完成电源板一次、二次母线供电分配，ATCA采用双冗余一次母线供电，1区大功率接插件可提供200 W功率承受能力；MTCA采用12，5 V二次母线供电。根据实际使用需求，电源分配区应提供丰富的42，28 V等一次电源与12，5 V等二次电源资源，满足航天器实际电源使用需求。

TCA采用智能配电管理策略，中心控制器可自动切断节点板的负载供电，保证节点板负载安全。TCA支持热插拔，定义供电长短针结构，满足加断电时序要求，实现现场可替换单元(FRU)功能[9]。在使用中可根据实际需要，进行剪裁应用。

2.4 时钟分配与触发区

此功能区用于实现时钟分配、板卡间时间统一和同步触发等。

板卡间时钟分配：各板卡可选用外参考时钟作为本地时钟的一种备份，同时一定程度保证各板卡时钟共源，满足时钟共源类型的应用需求。同步时钟接口提供一组时钟总线，用于板间的时间同步，时钟分配采用总线广播和点对点两种方式。ATCA多采用基于双M-LVDS总线广播式，节省背板资源，但可靠度与信号质量会受一定影响。仿真分析发现，总线广播式时钟源应处于中间板卡位置，向两侧广播，由此可较好地保证信号质量；MTCA较多采用双星型点对点式，占用较多背板资源，但因采用点对点设计，链路阻抗较匹配，信号质量较好[9]。本文总线时钟区以MTCA的点对点时钟分配为主，保留部分双M-LVDS总线广播时钟，组成混合时钟分配网络。

表2 分级数据管理总线特性

板卡间时间统一：在TCA背板3区中定义IRIG-B码与对时秒脉冲，实现1 μs量级时统，满足高精度时统需求。

板卡间同步触发：基于TCA，测试测量领域推出了仪器与测试高级TCA扩展(AXIe)测量背板标准，与PCI改进的PXI体系构架相比，其带宽更大，更能适应大数据量测试测量的需求。AXIe较TCA引进了触发总线，用于实现板卡间的快速同步触发。因此，参考AXIe，在TCA背板3区增加触发总线，用于板卡间时序节拍同步[12]。

2.5 自定义信号区与测试功能区

自定义信号区：为满足差异化设计需求，提供了信号定制区，用于满足不同航天器的专用需求，ATCA，MTCA的3区用于自定义信号扩展，用户可在此区定义离散的状态信号，如权状态、部分离散遥测与遥控等，满足不同单机的特性需求。此外，可参考SpaceAGE总线，在各节点板与中心交换板间定义模拟量总线。中心交换板具备AD采集功能，可控制各节点板的多路复用开关，完成对各子板模拟遥测量的采集[13]。

标准内测试：参考TCA构架的JTAG IEEE 1149.1测试接口，测试功能区采用JTAG-Switch交换构架点对点完成JTAG测试。菊花链式JTAG构架虽然简单并节省资源，但JTAG-Switch交换构架更可靠便利[9]。

内总线数据流监控：单机不需开盖即可完成内总线数据流分析，这对航天器集成测试非常重要，基于交换构架的背板总线设计为内部数据流监视提供了便利条件。参考SpaceWire总线测试设备，通过可接入TCA交换板的外围测试设备即可实现内部总线数据流的监视[14]。

3 设计结果与展望

基于TCA设计的通用型背板总线分区如图4所示，竖列为各子板槽位，包含中心控制交换板与节点板两种类型，横行为6个分区，各分区特性见表3。自定义扩展区用于定制化设计，满足航天器的差异化设计需求，其余各区标准化，提高了背板设计的通用性与可继承性；分级总线与冗余拓扑设计保障板间管理控制与数据通信的可靠性，通过背板测试功能区设计，提高板卡内建测试和内总线数据流监测能力。功能全面的ATCA背板带宽可大于2 TB/s，精简的MTCA，AXIe背板带宽可大于40 GB/s，本背板的信号完整性、背板带宽等电气特性遵循TCA规范，能满足航天电子系统背板资源需求。

基于TCA的背板总线与1553B，CAN等常用总线比较见表4。

表3 背板总线各功能区特性

项目TCA1553B/CANFlexRaySpaceWireTTEthernet总线分级 低、中、高三级总线，适应管理与数据通信的不同需求单一总线单一总线单一总线单一总线码速率 分级：兆级、兆级至吉级、吉级至太级1Mb/s级10Mb/s级兆级至吉级兆级至吉级总线拓扑 双总线式、双星型、全网型等多种拓扑双总线式双总线式双星型双星型电源分配有无无无无时钟分配有无无无无自测试强一般一般一般一般模拟量总线模拟量采集总线无无无无自定义自定义板间离散信号、数据通信无无无无功能定位 机内板间互连、成套背板解决方案 单机间互连、板间互连的部分功能组件 单机间互连、板间互连的部分功能组件 单机间互连、板间互连的部分功能组件 单机间互连、板间互连的部分功能组件

传统的1553B，CAN，SpaceWire以及热点研究的TTEthernet，FlexRay等总线主要定位于单机间互连，总线单一、未分级，且不具备电源分配、时钟分配与触发资源，自测试能力也较弱，不适于作为机内互连的背板总线，只能作为背板总线的某个功能区单元。基于TCA的背板总线采用分区设计，满足系统管理、数据通信、电源分配、时钟分配、触发、自测试、模拟量总线与自定义等不同需求，面向功能管理、数据交换等不同需求的任务，采用分级总线(低、中、高码速率三级总线)与多冗余拓扑设计，保障板件管理与数据通信的可靠性，提供了成套的机内板卡背板互连解决方案，有助于改善目前综电单机机内互连自定义设计、通用性差、单机内部背板信号监测能力差(需开盖测量)的不足，建立一种开放式、可扩展、可测试、适应不同码率需求的通用型可靠背板内总线构架。TCA在电信领域获得了大量应用，移动、电信、联通等运营商希望以开放、标准的TCA等平台替代目前私有的平台，达到降低成本、保护投资、加快业务部署的目的，华为、摩托罗拉、西门子、HP等供应商在TCA基础上实现了交换中心、计算中心、存储中心、宽带/窄带软件无线电信号处理、基带信号处理等功能应用，已广泛用于电信市场。在测试测量领域，安捷伦等公司也基于高级TCA扩展(AXIe)测量背板标准，推出了M819x系列等大带宽高码率测试测量仪器，满足雷达、软件无线电侦查等测试测量要求。PICMG 2.x制定的PCI簇标准已广泛用于航天航空、国防、测试测量、电信等领域，在通信能力要求越来越高的今天，作为新一代PICMG 3.x制定的TCA簇标准将在航天航空、国防、测试测量、电信等领域占有重要地位。基于TCA探索设计通用开放式航电串行背板总线对卫星电子系统设计有重要意义。

4 结束语

针对自定义航天电子背板内总线的继承性较差、内总线信号难以监控测试等弊端，本文在继承TCA构架高带宽和良好的电气可靠性的基础上，通过信号类型的功能分区管理，采用串行背板技术和交换式结构，对一种通用型背板内总线构架进行了研究。与NASA的SpaceAGE总线相比，该通用型背板内总线构架具更多的通道节点、更大的带宽和更丰富的时钟及测试资源，可在较长时间内满足航电系统背板通信的需求，对降低航电产品的重复开发成本、提高航电系统的产品化和通用化水平有重要意义。虽然TCA在电信和测试测量领域已有众多成功应用参考，但为使该背板构架更好地用于工程，后续还需对高速背板的信号完整性、高速串口技术、可靠的交换协议和智能的安全管理等进行研究。传统航电背板采用的时钟、数据与门控的异步时序接口已不能满足该背板的通信需求，该背板应用基于串行化反串行化、数据时钟恢复(CDR)、8B/10B编码和前向纠错编码等技术的串行通信接口，对背板PCB的布线质量、串行接口芯片的选用和串行接口逻辑的设计提出了更高要求。冗余拓扑构架的设计是新式背板设计的难点与核心，常用拓扑包括双总线式、双星型、3层中心节点型、全网型等拓扑，因此可参考SpaceWire，TCA等总线，设计传输可靠、通信速率高、支持多冗余动态切换的交换构架。该背板总线通过IPMB进行整个背板状态监测、控制与故障管理。IPMB已在民用电信市场有较多应用，功能较强大，但将其应用于航电系统，还需要进行相应的裁剪与适配性设计。

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StudyonSerialBackplaneBusDesigninAdvancedAvionicsArchitecturesBasedonTCA

YANG Tong-zhi, ZHOU Ru-zhi

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

To solve the disadvantages of poor inheritance and difficulty in bus signal monitoring and testing because of custom designed backplane bus, the deign of serial backplane bus in electronic system of astronautics was studied based on telecom computing architecture (TCA) in this paper. The type, zoning and usage of advanced TCA and micro TCA in TCA were introduced. The design of backplane bus based on TCA bus was discussed. The backplane was divided into 6 functional zones which were grading data management bus, data renewing joint, power distribution, clock distribution and triggering, custom signal and testing. The functional zones were designed by exchange structure and serial backplane through the subarea management of backplane resources, test interface design and redundancy design on the basis of exchange strategy. A designed sample of backplane bus architecture for common use was given out, which was an open, extensible, testable and suitable to various code rate and had advantages of high reliability and big bandwidth. It proved that TCA would be served as a possible scheme of backplane bus design in the electronic system of astronautics.

avionics; telecom computing architecture (TCA); advanced TCA; micro TCA; serial backplane; switch fabric; bus topology; testability

2016-01-09；

2016-03-30

杨同智(1987—)，男，硕士，主要从事卫星综合集成测试。

1006-1630(2017)06-0083-07

TN492

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.06.013