汪明曉，岳曉奎，馬衛(wèi)華，賀 亮

（1.西北工業(yè)大學 航天學院，陜西 西安 710072；2.上海航天控制工程研究所 上海 200233）

現有的航天系統研制模式決定了航天器的研制周期長、研制成本高、發(fā)射準備時間長、發(fā)射昂貴。傳統航天器在軌運行過程中，一旦由于各種原因出現故障，幾乎不能實現在軌維修或及時補充，將直接導致任務的失敗。為了實現航天器的快速研發(fā)、快速發(fā)射、在軌維護，降低成本，需發(fā)展新的航天系統研制模式。

即插即用技術定義了一種兼容的系統框架，軟硬件可以自由的加入到該框架中，及時有效地形成更復雜、龐大的系統。已經成為人類日?；顒硬豢苫蛉钡腜C機采用的就是這樣一種即插即用框架，它具有一系列標準的端口，各種具有相似接口的組件可以方便、自由加入到系統中，如鼠標、鍵盤、板卡等。如果能夠定義適當的系統框架，即插即用概念也可以應用于其他系統中，如航天系統。國外，主要是美國，在2004年就開始著手研究將PC機領域的即插即用技術進行擴展，應用到航天領域，實現航天系統的快速、低成本研制、發(fā)射與運行，取得了一系列成果，如接口標準、軟件框架，并已經在多個航天任務中進行了演示驗證。

本文將對國外在航天領域即插即用技術研究現狀進行研究分析，給出空間即插即用技術相關的問題與約束、關鍵技術和應用前景。研究了一種基于轉換模塊的空間即插即用技術[1]驗證系統，分析了空間即插即用技術的功能、組成，給出了轉換模塊的主要功能、信息交互流程、組成與工作流程，介紹了利用FPGA與ARM開發(fā)的轉換模塊，同時設計了轉換模塊的研制方案，給出了基于轉換模塊的空間即插即用驗證系統的開發(fā)與測試，驗證了基于轉換模塊的空間即插即用技術的可行性與技術特點。

1 空間即插即用技術研究現狀

21世紀初期，國際標準委員會的空間數據與信息轉化機構開始研究用于航天器在軌信息交互的新技術[1]。空間數據系統合作委員會 （CCSDS）開展衛(wèi)星在軌信息系統研究（SOIS）[2]。SOIS意在探究用于靈活搭建衛(wèi)星在軌信息系統的新技術標準，它可能的發(fā)展方向就是即插即用，SOIS第一次將開放的計算機標準引入到航天器領域。

2004年，美國空軍研究實驗室（AFRL）為了解決空間平臺的快速設計、制造、裝配與集成等快速響應問題，正式開展作戰(zhàn)響應空間 （Operationally Responsive Space：ORS）計劃。ORS確定利用空間即插即用技術對航天器內部設備進行優(yōu)化重構，實現航天器更快的響應能力。第一個空間即插即用電子系統工作組于同年組成，第一個適用于空間系統的標準協議選擇的是USB1.1，并在此基礎上，進行了擴展與修改。2007年，由該組織開發(fā)形成了現在國際上唯一公開的衛(wèi)星模塊化即插即用接口標準，即空間即插即用電子系統標準（Space Plug-and-Play Avionics：SPA）[1]， 它是在外嵌式傳感器網絡的概念上發(fā)展而來的，它的官方定義是：一套用于促進航天器總線平臺和有效載荷快速開發(fā)的接口驅動式標準。該組織提出了一系列核心原理，包括基于USB和Spacewire標準設計的空間即插即用接口標準“SPA-U”[1-3]和“SPA-S”[4-7]。

自從ORS和SPA提出之日起，國外對空間即插即用技術開展了一系列的研究與驗證項目，如美國國防轉型辦公室領導的戰(zhàn)術星技術[8]（TacSat1-TacSat4）、NASA的 ST-5星座計劃、AFRL的作戰(zhàn)響應空間先進技術研究計劃（RSATS）、堪薩斯大學的技術評估衛(wèi)星計劃等。2004年開始的即插即用衛(wèi)星項目（PnPSat）[9-11]，是AFRL在SPA基礎上，基于即插即用和模塊化設計理念研制的衛(wèi)星平臺，其體系結構集中體現了即插即用和模塊化設計理念的核心思想。目前國際上唯一公開的，也是發(fā)展最為成熟的衛(wèi)星模塊化即插即用標準SPA主要包括4個組成部分[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）衛(wèi)星數據模型（Satellite Data Model：SDM）

3）基于 XML的電子數據描述表單（XML Transducer Electronic Data Sheet：xTEDS）

4）公用數據字典（Common Data Dictionary：CDD）。

2 即插即用技術的基本功能

即插即用是指不需要跳線和手動軟件配置過程，當在支持即插即用的平臺上插入一個即插即用設備時，可以在運行過程中動態(tài)的進行檢測與配置。從這個定義的表述看，即插即用的實現要完成自動檢測與軟件自動配置兩項基本工作。所謂自動檢測就是在系統運行時，可以通過某種方式，檢測到設備存在或是插入這樣的實際動作，從而得知有新的設備加入到硬件系統中；而自動配置就是在檢測到設備后，自動的為該硬件分配系統資源，加載驅動程序，然后告訴操作系統可以對該設備進行操作以及操作的途徑和方法，同時告知設備都做了什么。即插即用的任務是把物理設備和軟件相配合，在每個設備和它的驅動程序之間建立通信信道。

在以上分析的基礎上，即插即用技術主要涉及到以下基本功能：

1）設備的發(fā)現與識別功能：該功能主要實現設備連入硬件系統中后，系統對該設備的自動檢測，發(fā)現該設備的連入，并獲取該設備的描述信息，根據描述信息對該設備基本特點進行解析。

2）設備參數的自動配置功能：在功能1）的基礎上，該功能主要實現對設備參數的識別、系統資源的配置、驅動程序的啟動，然后將該設備的功能告知系統，并廣播該設備的連入與功能；

3）通信通道的建立：該功能主要實現系統中兩設備之間通信通道的建立、維護和取消，實現設備間數據、命令的傳輸與管理。

3 轉換模塊功能與組成

即插即用最終想實現的一個主要目標是上層軟件與物理設備的無關性，上層軟件將不再與繁瑣的硬件參數和接口函數綁在一起。衛(wèi)星的外部設備都是通過描述文件進行功能的抽象，上層應用調用設備時不再依靠設備的接口函數，而是依靠描述文件的描述，通過星務管理軟件向設備發(fā)送消息；設備也不是直接執(zhí)行指令，而是通過轉換模塊將消息翻譯成設備可執(zhí)行的指令；星務管理軟件屏蔽了硬件的物理地址信息，并有意不區(qū)別硬件設備與軟件服務功能上的差別。以上特性使得即插即用衛(wèi)星上層軟件移植性、可重用性都非常高，上層軟件完全不會受到新設備的影響；當底層硬件設備型號發(fā)生改變時，只需修改轉換模塊中的翻譯代碼，并保證新型號設備的描述文件與舊型號設備的一致，上層應用就不會受到影響，以上特性極大地提高了即插即用衛(wèi)星上層軟件的可重用性，降低了衛(wèi)星軟件的研發(fā)成本。在這一特性的實現中主要是轉換模塊的設計與實現。

3.1 轉換模塊主要功能

轉換模塊主要功能：實現設備機械接口與電氣接口的統一，另外，轉換模塊還實現了數據與通信接口的統一，定義統一的數據格式與傳輸協議，實現星載機與轉換模塊之間的交互是通用的格式，實現星載機的軟件與硬件單機的同步開發(fā)，而不是傳統方法中的，先生產出硬件單機，再根據硬件單機的數據接口與通信協議，來設計實現星載機的軟件，這樣可以實現系統的開發(fā)時間短，軟件的移植性、重用性得到提高；除此之外，轉換模塊還需要提供設備能量管理的能力和時間同步信號，如開啟、關閉、重啟設備等。下圖給出了PnP轉換機構在星務管理軟件、上層應用軟件和傳統設備之間的連接關系，描述了轉換機構對數據、描述信息、命令的處理與交互過程，它利用描述信息實現系統對設備的識別與驅動，實現了上層應用軟件與低層物理設備之間無關性。

3.2 轉換模塊主要組成

圖1 基于轉換模塊的即插即用系統信息交互流程Fig.1 Message interactive process of PnP test System

轉換模塊簡化了傳統設備即插即用設備的轉換過程，提供了統一的機械、電氣接口，同時在鏈路層與協議層上提供了統一的數據、通信接口。轉換模塊自身的內部結構通常包括微處理器、設備描述信息、存貯器、測試接口、通用接口和與傳統設備互聯的特定接口等如圖所示。

圖2 轉換模塊的系統組成方案Fig.2 Components of transfer mode

3.3 轉換模塊的工作流程

轉換模塊的工作流程主要有：

1）由于即插即用外部設備的即插即用特性，星載機會發(fā)現設備連接到系統中，星載機向設備的轉換模塊發(fā)送讀取設備描述文件的指令；

2）設備的轉換模塊接收到指令后，會將設備描述文件信息發(fā)送給星載機，完成注冊，星載機根據描述文件中的信息對設備進行系統資源配置、驅動加載等操作；

3）星載機在接收到應用程序的消費消息后，將指令發(fā)送給對應設備的轉換模塊；

4）轉換模塊接收到消費消息后，根據存儲器上存儲的協議、數據格式，將該指令解包、重新裝幀成外部設備可執(zhí)行的指令；

5）設備執(zhí)行完成后將數據、命令反饋給轉換模塊；

6）轉換模塊將結果根據對應的協議、數據格式封裝后，反饋給星載機，完成數據、命令的交互。

具體交互過程如圖3所示。

圖3 轉換模塊的工作流程Fig.3 Workflow of transfer model

4 轉換模塊硬件設計

PnP轉換模塊主要由ARM（STM32F103）配合FPGA芯片來實現，通過串口對ARM-CPU進行軟件配置，可以使轉換模塊適用于不同的數據接口，不同的軟件配置可以演示驗證不同分系統功能。ARM通過總線實現對FPGA的讀寫訪問控制，將FPGA中的標準總線格式數據讀入進行處理、存儲等操作，并將自身組幀產生的數據送FPGA后通過標準總線接口發(fā)出；同時ARM本身集成了USB、CAN、RS232控制器，通過 對 USB、CAN、RS232 接口 芯 片 的控 制 實 現 USB、CAN、RS232接口功能。FPGA主要實現地址譯碼、標準總線協議、接口控制等功能，具體方案與內部結構如圖4所示。

圖4 轉換模塊設計方案與內部結構Fig.4 Programme and structure of transfer model

在該空間即插即用驗證系統中，協議從下到上包括以下3層：物理層、鏈路層和應用支持層（即協議層），如圖5所示。每一層都是獨立存在的，因此分配到各層的任務能夠獨立地執(zhí)行，這樣使得變更其中某層提供的方案時不影響其他層。數據鏈路層位于物理層和協議層之間，數據鏈路層由FPGA實現；協議層則由ARM來模擬單機設備。數據鏈路層需要實現物理層和協議層之間的數據交互：將物理層傳輸的信號轉換為可供協議層使用的數據；將協議層需要發(fā)送的數據轉換為一定格式的信號，送到物理層進行傳輸。

圖5 協議體系結構Fig.5 Protocol structure of the PnP system

對于從上一層傳送下來的數據，附加在前面的控制信息稱為頭，附加在后面的稱為尾。當數據在各層間傳送時，每一層都可以在數據上增加頭和尾，而這些數據已經包含了上一層增加的頭和尾。協議頭包含了有關層與層間的通信信息。實際物理板卡如圖6所示。

5 測試平臺的搭建與測試

綜合電子測試平臺主要包括：星載機、即插即用轉換模塊、傳統單機（飛輪、星敏感器、太陽敏感器、GPS和陀螺）、電源模塊和上位機（主要負責數據顯示與指令發(fā)送等功能）。測試平臺組成結構如圖7所示。

圖6 PnP轉換模塊實際物理板卡Fig.6 Structure diagram of the PnP transfer model

綜合電子測試平臺的主體是星載機與即插即用轉換模塊。其中，星載機上運行星務管理軟件，對連入系統中的各個單機進行自主檢測、設備參數識別、資源配置、驅動加載、通信通道的建立與維護、數據的傳輸；即插即用轉換模塊實現對傳統單機的轉換，實現單機連入系統中，自動向星載機發(fā)送加入指令，實現系統對單機的自主識別、設備描述文件的注冊、數據格式的轉換等工作。測試前端根據星載機發(fā)送的指令，產生航天器軌道運行數據和環(huán)境數據，然后將這些數據經過轉換模塊轉發(fā)給單機，實現單機數據的產生。界面顯示上位機實現對測試前端發(fā)送的軌道數據進行STK模擬顯示，遙控上位機實現對系統中設備在線狀態(tài)的控制與通信通道的建立的控制指令發(fā)送、接收與顯示。

為了對空間即插即用技術進行測試與驗證，本文設計了兩種測試工況，分別是地面裝配即插即用基本功能測試與組合功能測試，主要是為了驗證即插即用技術應用于航天領域中涉及到的相關功能特點和可行性。具體的測試內容如表1所示。

圖7 綜合電子測試平臺組成結構Fig.7 Components of the intergrated electronic test system

表1 即插即用綜合電子測試平臺測試工況Tab.1 The contents of system test

系統的測試結果如下圖所示，（a）為系統在端口2識別到飛輪，并對其進行自主識別、分配系統資源、加載驅動等相關信息；（b）為系統識別到星敏感器失效，系統對取消其系統資源、驅動等；（c）為星敏感器與太陽敏感器進行數據交互，星載機建立它們兩者之間的通信通道，然后其進行數據通信；（d）、（e）為遙測遙控上位機顯示界面，包括數據接收、指令發(fā)送、數據顯示等模塊；（f）為系統識別出太陽敏感器1失效后，在一定時間內啟動敏感器2，實現系統的重建。

由測試結果可看出，設計的轉換模塊能夠將傳統航天器單機向具有即插即用功能單機的轉變，實現了單機連入系統后，星載機可以自主完成檢測該單機的加入、自動獲取單機的設備描述信息，給設備分配系統資源、加載驅動、獲取對該設備的操作方式等操作；同時，可以根據系統要求，建立與維護兩單機間的數據交互通道，實現系統自主的數據、功能的交互；還可以根據單機的故障情況，更換新的單機實現系統的重構，完成系統的自主運行與管理等即插即用特性。

圖8 測試結果Fig.8 The results of test

6 結束語

本文首先分析了空間即插即用技術的基本特點，即完成設備自動檢測與軟件自動配置兩項工作，給出了空間即插即用技術的的基本功能，包括設備的自主發(fā)現與識別機制，設備參數的自動配置和設備間通信通道的建立。然后重點介紹了PnP轉換模塊的特點，它在空間即插即用技術中的作用，實現設備機械接口、電氣接口的統一，通信協議的劃分、設備描述信息的存儲與注冊，從而完成上層應用軟件與低層物理設備之間的無關性，實現傳統設備向即插即用設備的轉換。其次介紹了轉換模塊的組成、工作流程、傳輸協議與設計方案，給出了利用ARM和FPGA開發(fā)的轉換模塊，介紹了該模塊的組成和各部分的功能，給出了FPGA和ARM實現數據鏈路層與協議層的通信的方法。最后，給出了基于PnP轉換模塊搭建的空間即插即用技術驗證系統，給出了系統的組成與系統框圖，介紹了主要的測試的內容，驗證了基于轉換模塊的空間即插即用技術在航天領域的可行性和空間即插即用技術在實際在軌更換中的應用特點。

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