一种SpaceWire网络接口旁路检测装置

技术领域

本发明属信息处理于技术领域，具体涉及一种SpaceWire网络接口旁路检测装置。

背景技术

作为专用于航天器的高速数据总线标准，SpaceWire网络凭借其通信速率高、接口标准、拓扑灵活等特点，被广泛应用于星载数据的管理与传输系统中。星载SpaceWire网络普遍采用了路由交换式传输技术，节点通过点对点串行通信链路互联或与路由器相连，星上各类设备只要具有SpaceWire标准接口即可成为网络中的一个节点。信息层面也是以数据包的形式从源端节点向目标节点按点对点方式传输。由于SpaceWire链路上的低压差分信号质量有严格要求，无法直接在链路上挂接监视设备，数据包在传输过程也无法复制，导致卫星总装集成后链路通信状态不可测试。当网络发生故障时，通信会中断，无法定位网络中发生故障的节点或者路由器，更无法获取通信中断时的数据变化来进行故障分析。伴随着卫星一体化智能化的设计趋势，越来越多载荷设备使用SpaceWire网络进行通信，如何实时监测网络运行状态，获取通信数据已经成为当前一个星载数据通信领域的一个关键技术。

当前的监测设备只关注SpaceWire主节点设备和SpaceWire从节点设备之间的通信检测，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出了一种SpaceWire总线通讯系统及其监视设备(专利号：CN201611246973.9)对SpaceWire主从节点设备之间交互数据进行记录和回放；专利号CN201610086117.5名称为《SpaceWire网络链路信号品质的测试系统及信号品质的评价方法》中描述了一种可以通过示波器检测SpaceWire主从设备之间通信信号质量的测试设备。两类设备在使用时均须将原有SpaceWire主从设备之间的链路断开，然后使用监视设备外设的两个SpaceWire接口连接主节点和从节点，从而实现对链路数据的检测功能。这样断开原有链路的操作存在改变原有工作状态和不便实施的固有缺陷，对卫星系统总装集成后的测试及故障诊断造成较大困难，严重影响了网络系统的应用效果。

现有的SpaceWire网络监控技术研究局限于单条链路的数据捕捉，检测效率低下，缺少整星多节点SpaceWire网络检测的具体可行方案。同时，其复杂且带有破坏性的使用方式不能满足分系统测试以及整星测试的测试需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种SpaceWire网络接口旁路检测装置，可以实现网络节点运行过程中的数据流在线监测和分析，支持多网络节点同时检测，可以解决整星系统级网络信息流不可测问题，也为节点设备级网络通信功能测试提供了充分的手段。

一种SpaceWire网络接口旁路检测装置，包括链路信号监测模块和旁路监测分析仪，两者之间直接通过SpaceWire电缆连接；链路信号检测模块位于SpaceWire网络接口控制器中，用于对SpaceWire通信接口双向信号流的实时监测输出；旁路监测分析仪用于对所有链路信号监测模块的通道选择配置，并对链路信号监测模块下传的数据进行处理和解析；

所述链路信号检测模块包括控制寄存器、M个分支模块以及具有N个监控通道的通路选通模块，其中M>1，N≤M；

所述分支模块外部直接与外部的SpaceWire通道接口相连；分支模块包括接收器和发送器；接收器接收SpaceWire通道输入的信号Din和Sin，并根据恢复时钟结果进行时序校正后，再转发输出到SpaceWire网络接口控制模块和通路选通模块中；发送器接收SpaceWire通道输出的信号Dout和Sout，分别送往SpaceWire外部接口和通道选通模块；

通道选通模块根据控制寄存器的赋值，将来自M个分支模块的信号通过N个监控通道下传到旁路检测仪中；所述通道配置指令为分支模块的信号对应转发到哪个监控通道的对应关系指令；

所述旁路监测分析仪包含Spacewire配置接口控制模块、指令解析模块、数据路由模块、CPU接口模块以及K个Spacewire监测处理单元，每个Spacewire监测处理单元又包括Spacewire监测接口处理模块和数据缓存与处理模块；

所述Spacewire监测接口模块接收SpaceWire电缆相连的链路检测模块中通道选通模块下传的信号，并根据恢复时钟进行时序校正后再经过DS解码，生成的数据输出到同一Spacewire监测处理单元的数据缓存与处理模块；

数据缓存与处理模块直接存储对应通道的监测数据，其根据来自指令解析模块的控制信号进行目标数据存储，处理以及读取缓存中的数据并转发到上位机；

数据路由模块接收K个数据缓存与处理模块的回放数据流，根据来自指令解析模块的控制信号，输出符合要求的目标监测通道回放数据到CPU接口模块；

Spacewire配置接口控制模块接收来自CPU接口模块的配置指令数据流，对数据进行DS编码后生成配置Data输出信号和配置Strobe输出信号发送到目标SpaceWire网络路由器的链路信号监测模块；链路信号监测模块中其中一个分支模块接收配置Data输出信号和配置Strobe输出信号，并解析后生成配置指令，对路由器中的SpaceWire网络接口控制模块进行配置，SpaceWire网络接口控制模块从而依据该配置对控制寄存器进行赋值；

CPU接口模块负责与上位机的接口时序和数据交换。

进一步的，所述通道选通模块要对输入信号进行时间同步化处理。

较佳的，所述控制寄存器的数据偏移地址代表N路监测通道，偏移地址内部存储的数值表征该监测通道转发的SpaceWire通道号。

进一步的，Spacewire配置接口处理模块处理来自外部通道输入的配置Data输入信号和配置Strobe输入信号Din_Cfg、Sin_Cfg，并转发到CPU接口模块。

本发明具有如下有益效果：

本装置中的链路信号监测模块打破必须断开原有链路后插入监测设备的传统监测方式，通过分支结构提取链路信号同时保证链路信号的正常传输，简化SpaceWire链路数据检测方法，提高监测效率。

本装置提供一种无损监测解决方案，可以实现网络节点运行过程中的数据流在线监测和分析，解决整星系统级网络信息流不可测问题。

本装置具有良好的硬件接口可拓展性，链路信号监测模块支持指令配置监测接口选通，适用于所有SpaceWire接口控制模块。旁路监测分析仪可以作为一个SpaceWire节点，实现测试设备的即插即用。

本装置中链路信号监测模块与旁路监测分析仪两者组合方式灵活，可以实现从单链路监测到全网络多点并行监测等多样化的检测方式。

附图说明

图1为SpaceWire网络接口旁路检测装置结构示意图。

图2为链路信号检测模块结构示意图。

图3为旁路监测分析仪结构示意图。

图4为星载SpaceWire数据处理网络旁路检侧示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本装置分为两部分链路信号监测模块和旁路监测分析仪，两者之间直接通过SpaceWire电缆连接，其结构示意图如图1所示。其中，链路信号检测模块位于SpaceWire网络接口控制器中，是独立于传统SpaceWire网络接口控制模块之外的独立模块。其负责对SpaceWire通信接口双向信号流的实时监测输出。旁路监测分析仪负责对链路信号监测模块下传的数据进行处理和解析和所有链路信号监测模块的通道选择配置，并提供友好的用户界面供测试人员使用。

链路信号检测模块外部链接有M个SpaceWire通道，则其内部对应设置M个分支模块，其中M>1，具有N个监控通道的通路选择模块，其中N≤M，以及一路控制信号来控制链路信号检测模块的工作方式。下面结合附图2对本装置进行进一步说明。

分支模块外部直接与外部的SpaceWire通道接口相连。根据ECSS-E-50-12协议标准，SpaceWire链路传输的信号采用Data-Strobe编码方式，即DS编码。每个通道包含Data信号和Strobe信号的双向信息流，即Din、Sin、Dout、Sout共4个信号。分支模块负责实时截取四个信号并转发到通路选通模块中。其内部包含负责接受数据的接收器和负责发送数据的发送器，两个模块各自独立工作。在接收器中，SpaceWire通道输入信号Din和Sin在接收后，根据恢复时钟结果进行时序校正后，再转发输出到SpaceWire网络接口控制模块和通路选择模块中，这样不但可以保证控制器内部接收的结果和外部旁路分析仪接收的结果一致。在发送器中，SpaceWire通道输出信号Dout和Sout直接从输出接口直接进行分路操作，分别送往SpaceWire外部接口和通道选择模块，从而保证输入通道选择模块的信号均为对SpaceWire通道双向传输信号的拷贝。

通道选择模块接收来自M个分支模块的SpaceWire通道输入输出信号Din、Sin、Dout、Sout。这些信号经过通道选择和信号处理后转发到N个监控通道中下传到旁路检测仪中，即Din_Test、Sin_Test、Dout_Test、Sout_Test。由于收发通道时钟异步，而且Din和Sin信号需要经过DS解码恢复和时序校正，因此与Dout和Sout之间可能在时间域产生固定偏移。为了保证监测通道接口上采样的4个信号在时间上的同步性，通道选择模块要对输入信号进行同步化处理。控制寄存器都由SpaceWire网络接口控制器的控制信号进行修改，寄存器内部数据负责配置M路输入和输出信号和N路监测信号之间信息转发关系，其实现形式为一个长度为N的数组，数据偏移地址代表N路监测通道，偏移地址内部存储的数值表征该监测通道转发的SpaceWire通道号。

旁路监测分析仪处理和解析来自整个SpaceWire网络各个链路信号监测模块的监测信号Din_Test、Sin_Test、Dout_Test、Sout_Test，同时负责链路信号监测模块的通道选择配置。其使用SpaceWire电缆与网络中所有链路信号监测模块相连，设网络中链路信号监视模块的数量为J，则旁路监测分析仪外部连接K路SpaceWire监测接口，其中K≤N×J，使用一路SpaceWire通信接口与SpaceWire网络路由器相连。该设备由硬件电路和上位机测试软件组成，其内部包含Spacewire配置接口控制模块、指令解析模块、数据路由模块、CPU接口模块以及K个Spacewire监测处理单元，每个Spacewire监测处理单元又包括Spacewire监测接口处理模块和数据缓存与处理模块，其具体结构框图如图3所示。

Spacewire监测接口控制模块处理来自链路信号监测模块的监测信号Din_Test、Sin_Test、Dout_Test、Sout_Test，根据恢复时钟进行时序校正后经过DS解码器，生成的数据输出到对应通道的数据缓存和处理模块。

Spacewire配置接口控制模块接受来自CPU接口模块的配置指令数据流，对数据进行DS编码后生成配置Data输出信号和配置Strobe输出信号Dout_Cfg、Sout_Cfg发送到目标SpaceWire网络路由器中的链路信号监测模块；链路信号监测模块中其中一个分支模块接收配置Data输出信号和配置Strobe输出信号，并解析后生成配置指令，对路由器中的SpaceWire网络接口控制模块进行配置，SpaceWire网络接口控制模块从而依据该配置对控制寄存器进行赋值，从而完成目标链路信号监测模块中通道选通的配置操作。另外，Spacewire配置接口处理模块还可以处理来自外部通道输入的配置Data输入信号和配置Strobe输入信号Din_Cfg、Sin_Cfg，并转发到CPU接口模块。

数据缓存与处理模块直接存储对应通道的监测数据，其根据来自指令解析模块的控制信号进行目标数据存储，处理以及读取缓存中的数据转发到上位机等各类操作。

数据路由模块接收K个数据缓存与处理模块的回放数据流，根据来自指令解析模块的控制信号，输出符合要求目标监测通道的回放数据到CPU接口模块。

CPU接口模块负责与上位机的接口时序和数据交换。

上位机软件系统通过用户界面获取数据分析参数和操作指令，通过与CPU接口的交互完成指令传递和目标数据接收。目标数据最后反馈到用户界面中，实现数据监测的闭环操作。

本发明提供一种SpaceWire网络接口旁路检测装置。面对实际的星载数据处理系统时，本装置会跟据外部接口情况，数据流情况以及功能性能的要求，通过指令来配置合适的旁路检侧通道、个性化的数据检测要求以及相应的数据提取与处理。

在具体实例中，星载数据处理网络通过SpaceWire总线可将航天器上的科学载荷、大容量存储器、星载计算机、下行数据处理器以及其他的星载设备连接成一个统一的网络系统。如图4所示，载荷仪器1属于高数据率的载荷设备，采用点对点链路直接与大容量存储器相连，载荷仪器2相比载荷仪器1属于较低速率设备，它的数据通过SpaceWire路由器传输到大容量存储器。载荷仪器3本身不包含SpaceWire总线接口，采用扩展I/O模块的方式连接到SpaceWire路由器，从而通过SpaceWire网络将数据发送到大容量存储器。载荷仪器4属于较复杂的载荷子系统，内部包含了若干个子模块，通过内部总线(CAN总线或RS-485)相连。远程终端控制器RTC用于建立载荷内部总线和SpaceWire总线间的桥路，同时可以实现与载荷仪器内部的其他信号交互，载荷仪器4通过RTC接入到SpaceWire主干网络中。基于这个网络进行旁路监测操作，要分以下几步进行：

1、搭建检测环境

首先要需要满足条件的旁路监测设备，大容量存储器和SpaceWire路由器中的SpaceWire接口控制模块内部均包含支持8路SpaceWire监控接口的链路信号监测模块。其中，大容量存储器作为SpaceWire节点设备，支持2路SpaceWire通信接口。SpaceWire路由器作为路由设备，支持10路SpaceWire通信接口。

然后，分析需要搭建的检测链路。大容量存储器的存储数据来自载荷仪器1和SpaceWire路由器，回放数据经由SpaceWire路由器转发到下行链路。故在监测过程中，只需要使用两路SpaceWire电缆连接使能的监测接口1，2。SpaceWire路由器作为网络中枢单元，其传递来自载荷仪器2，3，4、大容量存储器、数据压缩解码器以及星载计算机等数据。故该设备的SpaceWire控制接口模块数据输入输出流复杂多变，故需要将相连设备的数据交互情况全部监测。故在监测过程中，只需要使用6路SpaceWire电缆连接使能的监测接口1-6。

最后，将搭建后监测链路的旁路监测分析仪作为一个SpaceWire节点设备直接与SpaceWire路由器相连。

2、启动旁路监测网络初始化操作。在启动旁路监测分析仪后，通过上位机按照SpaceWire电缆连接情况对大容量存储器和SpaceWire路由器进行监测通道选通配置。例如，将大容量存储器与载荷仪器1相连的通信接口配置到监测接口1，大容量存储器与SpaceWire路由器相连的通信接口配置到监测接口2等。指令在旁路监测分析仪的CPU接口模块中被打包为RMAP协议的格式进入SpaceWire路由器，然后通过路径寻址的方式将RMAP指令包转发到大容量存储器的SpaceWire接口中进行解析，从而实现了相关检测接口的配置操作。

3、在整个星载数据系统运行的过程中，测试人员通过上位机对大容量存储器和SpaceWire路由器中的数据进行监测和分析。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。