空间站有效载荷综合处理单元设计研究

2019-08-29李典,陈颖,柴霖

载人航天 2019年4期

李典,陈颖,柴霖

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

1 引言

我国载人航天发展进入新的历史阶段,为顺应天基信息技术发展趋势,基于空间站国家空间实验室的定位要求[1-3],采用在空间站上搭载一种综合化有效载荷的方法来对影响未来发展的新技术、新体制、新概念开展实验验证。该有效载荷的主要特点是：①通过一种平台满足对地观测、信息传输等多领域的新技术试验需求；②能与时俱进地满足在空间站的全寿命周期内适应任务需求的变化及新任务、新技术的插入；③确保任务规划中已明确的功能应用的部署。

按传统的航天电子载荷实现方式[4-6],将按照功能独立设计天线、信道及处理设备,这种方式占用平台资源较多,资源利用效率低,并且由于体系架构封闭,不具备开放性和扩展性,无法满足新技术持续滚动试验的需要。

针对传统航天电子载荷存在的不足,在空间站环境约束下,以“软件定义”为设计理念,采用基于微系统天线阵列、高速传输与交换、高性能计算等技术为基础的有效载荷架构如图1所示。在该有效载荷中主要通过综合处理单元(Integrated Processing Unit,IPU)完成多种应用功能的核心算法部署和执行。为达到开放式综合一体化处理的目标,本文重点从体系架构、处理能力、传输能力和部署能力等方面对IPU进行设计,并最终完成原理样机的测试验证。

图1 空间站电子信息综合应用系统架构Fig.1 Architecture of integrated electronic information application system in space station

2 IPU设计

2.1 总体架构设计

根据对有效载荷系统总体功能需求和资源需求的分析,IPU需要采用开放式的架构[7],支持不小于6种应用功能算法的部署,对外接口传输能力不小于600 Gbps,处理能力不小于1000 GFLOPS。针对上述需求,IPU采用高速信号网络传输结合通用信号处理模块池硬件架构,如图2所示。硬件由通用信号处理(FPGA密集型和DSP密集型)、对外接口、单元控制等模块通过串行RapidIO总线[8-9]和高速数字光纤[10]进行互连组成；软件采用基于虚通道机制的分层架构[11],由底层驱动软件、平台软件、RCM通信中间件和功能构件等组成；结构采用6U ASSAC标准模块[12-13]和双层机箱,占据1个标准II型载荷单元物理空间。

图2 IPU架构Fig.2 IPU architecture

硬件模块具体连接关系是：单模光纤直接与FPGA信号处理模块连接,FPGA信号处理模块间以及与对外接口模块间采用多模光纤互联,所有模块之间通过串行RapidIO总线互联(除二次电源模块)。单个信号处理模块的信号处理能力设计为100 GFLOPS。IPU的硬件型谱图如图3所示,总共包含18块信号处理模块,实际处理能力为1800 GFLOPS。

图3 IPU硬件型谱Fig.3 Type spectrum of IPU hardware

IPU为实现与硬件无关的构件化软件开发和部署,采用基于虚通道机制的RCM通信中间件来设计软件体系。采用分层思想,将软件分为功能应用层、系统框架层、通信服务层和平台层。在同一节点部署的软件的不同层之间通过API函数接口实现信息交换。其软件层次架构如图4所示。

IPU在整体结构上采用标准模块加综合机架的形式,散热方式采用机架液冷形式,如图5所示。整个IPU包括机架结构件、机架连接器、背板和可拆卸模块,安装在一个标准II型载荷单元(426 mm×600 mm×331 mm)内。综合考虑 IPU体积、模块功能及相互间的互联关系等因素,所有模块分2列排布,设置1个入水口和1个出水口,通过分汇流装置,将液体工质分为3块冷板。IPU内部模块与前面板平行布置,分为2列安装在3块冷板之间,通过锁紧装置与机架冷板连接,模块所需耗散的热量通过传导方式传递至安装机架冷板。

为验证热设计措施的有效性,利用工具软件建立分析模型,通过数字仿真计算,获得IPU运行典型功能时,机箱、模块和内部芯片在真空、微重力环境下的温度云图如图6所示。从仿真结果可以看出,IPU机箱框架上的凸台温度低于47℃,内部模块壳温均低于55℃,最高出现在FPGA密集型通用信号处理模块,其余模块的壳体温度均在50℃以下。内部芯片温度均低于62℃,最高温度出现在电源模块中。

图4 IPU软件架构Fig.4 Software architecture of IPU

图5 IPU结构设计图Fig.5 Structual design of IPU

图6 IPU温度云图Fig.6 Temperature nephogram of IPU

2.2 网络拓扑设计

为适应高速数字信号传输的实时性和系统开放性灵活性的综合需求,IPU主要通过光纤高速信号传输网络和双星型SRIO交换网络这2种网络进行互联互通。

2.2.1 光纤高速信号传输网络

有效载荷系统综合孔径单元采用数字阵列体制方案,在舱外完成射频信号的收发和数字采样,通过数字光纤完成信号的大容量、高速率的穿舱传输,然后在舱内的综合处理单元完成数字信号处理,要求舱外综合孔径单元与舱内综合处理单元之间有多达数百路信号的双向高速传输,经过计算,数据率高达600 Gbps。为达到该目标,IPU的光纤高速信号传输网络的总体拓扑设计如图7所示,主要实现外部接口和内部互联。具体工作原理为：从舱外到舱内的每路输入模拟信号进行A/D数字采样和编码产生的高速串行信号,经过单模光电/电光转换及密集波分复用后通过4路DWDM光波长用光纤进行传输,经过光交换矩阵和EDFA放大后,进入舱内IPU,通过DWDM解波分复用和单模光电/电光转换还原为4路串行电信号,通过高速连接器传输至FPGA密集型信号处理模块进行信号处理,再通过多模光电/电光转换后传输至后续FPGA密集型通用信号处理模块进行信号处理,最后通过多模光电/电光转换后传输至对外接口模块完成信号到DSP密集型信号处理模块和其他单元的分发。从舱内到舱外的输出信号为上述过程的逆过程。

图7 光纤高速信号传输网络拓扑图Fig.7 Topology of fiber optic high-speed signal transmission network

IPU对外接口为24路16DWDM光纤(12收12发),每路单波长光纤传输速率为3.125 Gbps,对外接口能力为12×16×3.125 Gbps=600 Gbps。为适应功能算法信号传输需求,IPU内部多模光纤速率设计为6.25 Gbps。

2.2.2 双星型SRIO交换网络

IPU支持开放性、可扩展性设计,其核心思想是当新功能、新模块插入时,与先前的功能无关,不对先前的功能造成任何影响,这就需要一种主要针对机箱内部的系统互联总线来完成各个处理节点间大数据量、高实时性的传输。IPU选用串行RapidIO总线作为互连总线,其拓扑结构如图8所示。结合高速数据交换、网络负载均衡和系统高可靠的要求,双星型SRIO交换网络采用高速点到点传输模式和双星型架构,端口采用双冗余备份方式,任何端口出现故障的时候都可以自动切换到冗余端口进行数据的收发,不需要系统主控参与切换。IPU内各处理模块通过无源背板接入到RapidIO网络交换模块,再通过RapidIO网络交换模块与其它模块互连,从而实现任意芯片间的互连。

图8 双星型SRIO交换网络拓扑示意图Fig.8 Topology of double-star SRIO switching network

2.3 多功能部署和重构设计

IPU在有效载荷系统中主要完成多种应用功能的核心算法部署和执行,多功能部署和重构是软件定义功能的核心,需要采用蓝图技术,从系统构型特征、网络的特点、冗余备份要求、可扩展性要求、输入输出能力、资源最大处理能力、通用模块物理接口约束、处理芯片接口和计算能力的约束条件以及单机、模块、芯片功耗散热的约束条件等多个维度进行综合设计。

蓝图技术是一种自动化产生综合化系统完成特定功能所需配置信息的方法。设计师通过蓝图设计工具设计顶层蓝图,产生运行蓝图。顶层蓝图包括硬件蓝图、功能蓝图、重构蓝图和部署蓝图；运行蓝图安装在目标系统中,指示系统如何配置以完成特定的系统功能。系统设计师根据应用功能的资源和接口需求、硬件平台的运算和传输能力,设定约束条件,在一定约束条件下扩展出所有可行的部署蓝图,并通过测试验证后提供给系统管控。同时,由系统重构蓝图获得系统在功能模式运行下的所有状态转移图,并根据最优重构算法自动生成重构决策代码。最后将所有可以的部署蓝图和所有重构决策代码提供给系统管控,实现多功能动态部署和重构,如图9所示。

3 测试及结果

3.1 测试环境

为验证综合处理单元总体架构设计合理性、网络拓扑性能、多功能部署和重构可实现性,对一套对外接口传输能力为600 Gbps,处理能力为1800 GFLOPS的原理样机的网络链路性能和具体功能部署能力进行了测试。测试条件为常温实验室环境,参与测试的仪器设备情况见表1,测试环境主要分为IPU原理样机(图10(a))、光纤链路测试环境(图10(b))、多功能部署重构测试环境(图10(c))。

图9 多功能部署和重构实现流程图Fig.9 Flow chart of multi-functional deployment and refactoring implementation

表1 参试设备仪器和工具Table 1 Test equipment and tools

图10 IPU测试环境图Fig.10 Test environment of IPU

3.2 测试方法

测试项目1。光纤高速信号传输网络和双星型SRIO交换网络互连拓扑及速率测试。测试方法：IPU上电完成后,通过网络扫描工具测试互连拓扑；再通过FPGA回环和光谱分析仪测试光纤连通性、传输速度、误码率和波长；最后通过FPGA回环和高速差分示波器在背板测试SRIO传输速率和传输质量。

测试项目2。测试2个功能线程在IPU的部署,确保功能线程的连通测试。测试步骤为：①对IPU原理样机建模形成物理蓝图；②根据功能A、B的算法流程形成功能蓝图；③根据算法所需的运算资源和网络吞吐能力,确定需要加载应用组件的硬件模块,形成部署蓝图；④自动生成XML格式的运行蓝图,完成系统蓝图部署。最后,通过多次重复测试完成6种功能部署和重构测试。

3.3 结果分析

经过测试,IPU主要功能性能指标如表2所示。从测试结果可以看出,IPU原理样机SRIO网络入网节点数为44个,按照1个FPGA密集型模块2个节点入网,1个DSP密集型信号处理模块3个节点入网计算,总共有10块FPGA密集型模块和8块DSP密集型信号处理模块正常上电入网,则IPU的处理能力为1800 GFLOPS；IPU原理样机有6块FPGA密集型信号处理模块正常入网,且模块对外单模光纤链路速率3.125 Gbps,则IPU对外接口速率达到600 Gbps；IPU能够通过蓝图技术完成6种功能的部署和重构,则系统为芯片级互联的开放式架构。