CN103582147A - 一种基于fpga的动态虚拟信道调度器及其调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的动态虚拟信道调度器及其调度方法，属于高级在轨系统（AOS：Advanced Orbiting System）技术领域，应用于载人飞行器、卫星与导弹等有高可靠性要求的数据处理与传输领域。硬件系统由虚拟信道输入接口、调度控制器、数据输出接口模块、程序存储器、指令注入模块、遥测返回接口模块、晶体振荡器和电源控制部分组成。本发明解决了在航天器在轨飞行期间动态改变数据链路虚拟信道调度策略和输出速率，以及在优先级切换时保证数据输出连续性等问题。本发明通过虚拟信道调度技术将AOS虚拟信道调度效率提高到了98%以上，支持32种优先级和3种速率模式在轨切换。

Description

一种基于FPGA的动态虚拟信道调度器及其调度方法

技术领域

本发明属于高级在轨系统（AOS：Advanced Orbiting System）技术领域，具体涉及一种基于FPGA可重置优先级与传输速率的虚拟信道调度器的制作方法。

背景技术

AOS将空间飞行器上各种应用数据按照CCSDS标准进行处理，其调度部分设计基于时分复用原理，按固定优先级固定速率对各个虚拟信道数据进行复接，一旦设计完成，在轨飞行期间优先级和速率无法更改。但随着交会对接和空间组网等新任务的出现，飞行器上的数据也朝多样化发展，包括的对地观测、空间实验、大容量存储、图像、话音、电子邮件、飞行器内环境监测、系统平台管理与航天员健康数据等，以及未来的3D视频、高清视频、电子邮件与空间Internet数据等，使得接入AOS的数据速率从几Kbps到几百Mbps不等，时延要求也不相同，但基于复接体制的数据调度系统无法支撑上述多类型及可控时延的传输需求；此外，随着我国中继卫星的迅速发展，建立全球测控和数传已经成为一种必然趋势，越来越多的空间数据将通过中继卫星转发给国内接收站，但中继卫星越来越高的速率使得固定速率的数据处理系统无法与中继卫星建立通信链路。因此，需要研究一种有效的空间数据调度系统，支持虚拟信道数据调度优先级与传输速率在轨切换，以达到对数据传输时延和优先级的控制，才能实时或准实时地将多用户、多类型数据按用户要求可靠稳定地传回地面。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

为了解决上述现有AOS虚拟信道调度优先级和传输速率无法切换等不足，本发明的目的在于为航天或其它军事领域数据系统提供高速、稳定、可靠并具有时延要求的虚拟信道调系统，使飞行器在轨运行期间可对虚拟信道调度优先级与传输速率进行切换，能将用户最关心的关键数据实时可靠地传回地面。利用本发明不仅解决了调度优先级与速率切换的问题，而且将AOS的信道调度效率提高到了98%以上。

为了达到上述发明目的，本发明提供一种基于FPGA（可编程逻辑门阵列，field programmable gate array）的动态虚拟信道调度器及其调度方法。

本发明所提供的基于FPGA的动态虚拟信道调度器，包括：虚拟信道输入接口、调度控制器、数据输出接口模块、程序存储器、指令注入模块、晶体振荡器和电源供电模块，其中，所述电源供电模块与其他各组件分别电连接，为各组件提供稳压电源，所述虚拟信道输入接口与调度控制器连接，工作数据经由所述虚拟信道输入接口进入调度控制器；所述调度控制器为FPGA，对所述工作数据进行动态调度，并将经过所述调度的工作数据进行增益处理；所述调度控制器与数据输出接口模块相连，所述增益处理后的工作数据在所述数据输出接口模块进行电平转换，转化为飞行器接收的电平形式；所述指令注入模块与所述调度控制器相连，向调度控制器输入速率和优先级指令；所述程序存储器与所述调度控制器相连，用于存储整个设计程序，并向所述调度控制器供程序；所述晶体振荡器与所述调度控制器相连，向所述调度控制器提供时钟指令。

进一步，所述调度控制器包括缓存区间,与所述缓存区间相连的虚拟信道接入数据块生成模块；与所述虚拟信道接入数据块生成模块相连的信道调度控制模块；与所述信道调度控制模块相连的数据输出处理模块；与所述虚拟信道接入数据块生成模块、信道调度控制模块分别相连的速率控制模块、与所述虚拟信道接入数据块生成模块、信道调度控制模块分别相连的优先级表模块。

进一步，所述调度控制器包括遥测返回模块，所述遥测返回模块与所述虚拟信道接入数据块生成模块和信道调度控制模块分别相连，监控所述虚拟信道接入数据块生成模块和信道调度控制模块的工作状态并将所述工作状态传输到所述遥测返回接口模块，在所述遥测返回接口模块内转化为飞行器接收的电平形式后输出。

进一步，FPGA选用Xilinx公司的300万门抗辐射级高可靠芯片VirtexⅡ系列，程序存储器选用Xilinx公司抗辐射级高可靠芯片XQR17V16PLCC44，接口芯片选用TI公司SN55LVDS系列，晶体振荡器选用AMCO-100B系列。

本发明所提供的动态虚拟信道调度器的调度方法，包括：

开始工作后，FPGA执行工作初始配置，建立默认优先级表和速率配置项，进入默认工作模式；

在默认模式下，调度控制器接收虚拟信道接口送入的工作数据并写入对应的缓存区间；FPGA根据优先级表设定调度优先级，若缓存区间的数据达到一帧容量时发送请求信号，调度控制器按调度优先级顺序从高到低依次调度有请求的信道，若信道优先级相同，则按照轮询模式调度，当所有缓存区间的容量不满一帧时调度填充数据帧；

在工作过程中，地面发送速率模式或优先级重新配置指令的情况下，信道调度控制模块刷新工作模式和优先级表，下一帧的调度进入更改后的工作模式。

动态虚拟信道调度器对空间飞行器上多种不同数据格式、不同数据速率、不同延时要求的虚拟信道数据按预先设定的优先级进行动态调度与复接。不同优先级信道从高到低依次调度有数据请求的虚拟信道，同等优先级信道按照轮询方式进行调度，无数据请求时传输填充帧。将多个用户数据视为虚拟信道，将不同的虚拟信道数据复接为一路数据，有效地提高了天地通信链路的使用效率。

本发明通过建立虚拟信道优先级表，使得飞行器在轨飞行期间可通过上行遥控数据重新配置优先级表，共支持32种虚拟信道优先级在轨切换，优先级切换不影响数据输出的连续性，每种优先级对应不同的虚拟信道组合，在特殊任务时，可将用户最关心的虚拟信道数据优先级切换到最高优先级，使得用户关心的数据在虚拟信道控制器内以最小的延迟时间传输处理。

附图说明

图1是本发明所提供的基于FPGA的动态虚拟信道调度控制器的结构示意图；

图2是本发明所提供的基于FPGA的动态虚拟信道调度器的工作流程示意图。

具体实施方式

本发明所述动态虚拟信道调度控制器采用FPGA进行调度优先级策略重新配置，同时实现优先级和速率模式在轨切换。由FPGA和外围接口电路及晶体振荡器、程序存储器和遥控遥测（指令注入模块和数据输出接口模块）组成，用户数据通过虚拟信道输入接口进入FPGA参与调度，FPGA在内部对各个虚拟信道数据进行调度、复接与帧格式化等处理，之后将数据通过输出接口发送给发射机。

随着空间探索技术发展，传统的测控（TC/TM）链路已无法满足多载荷、率与多任务的应用需求。因此CCSDS提出了AOS协议来满足未来空间飞行与探索任务数据系统的需求，AOS协议在传统物理链路的基础上提出了虚拟信道（VC）的概念，接入AOS的物理链路数据被视为一个虚拟信道用户，物理链路资源分为一个个时间片，由AOS调度系统决定将当前的时间片分给某一个用户进行数据传输。AOS有效地解决多个数据用户共享一条物理链路进行高速数据传输的问题，整个AOS系统的核心是虚拟信道调度与控制模块。

本发明采用FPGA对AOS调度模块进行设计，FPGA相对于分立元器件功耗更小、体积、重量轻、资源丰富且可编程，使得接口速率、模式与数据帧格式更改更简单，可根据用户需求增加信道编码和加密等功能。因此，本发明选用FPGA作为调度控制系统的实现途径，使得数据调度系统的通用性更强、使用方便、适应面广，可编程等特点可满足用户特殊需求进行附加功能设计，提高了设计灵活性，降低了设了计成本和技术风险。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

附图1是本发明所提供的基于FPGA的动态虚拟信道调度控制器的结构示意图。

如图所示，所述动态虚拟信道调度控制器包括：虚拟信道输入接口101、调度控制器 108、数据输出接口模块105、程序存储器102、指令注入模块104、、晶体振荡器103和电源供电模块107。其中电源供电模块与其他各组件电连接，为各组件提供可靠的稳压电源，虚拟信道输入接口101与调度控制器 108连接，工作数据经由所述虚拟信道输入接口101进入调度控制器 108；调度控制器108对所述工作数据进行动态调度，并将经过所述调度的数据进行增益处理；所述调度控制器108与数据输出接口模块105相连，所述增益处理后的增益数据在所述数据输出接口模块105进行电平转换，转化为飞行器接收的电平形式；所述指令注入模块104与所述调度控制器108相连，用于向调度控制器108输入速率和优先级指令；所述程序存储器102与所述调度控制器108相连，用于存储整个设计程序，根据所述调度控制器108提供的信息，向所述调度控制器108提供所需要的程序；所述晶体振荡器103与所述调度控制器108相连，向所述调度控制器108提供时钟指令。

进一步，所述调度控制器108为可编程逻辑器件FPGA，所述调度控制器108包括缓存区间1084（FIFO，first in first out）,与所述缓存区间1084相连的虚拟信道接入数据块生成模块1081；与所述虚拟信道接入数据块生成模块1081相连的信道调度控制模块1083；与所述信道调度控制模块1083相连的数据输出处理模块1085；与所述虚拟信道接入数据块生成模块1081、信道调度控制模块1083分别相连的速率控制模块1086、与所述虚拟信道接入数据块生成模块1081、信道调度控制模块1083分别相连的优先级表模块1087。所述调度控制器108完成优先级表的配置、动态虚拟信道调度与优先级权限管理等功能。

所述动态虚拟信道调度控制器还包括遥测返回接口模块106，所述调度控制器108还包括遥测返回模块1082，所述遥测返回模块1082与所述虚拟信道接入数据块生成模块1081和信道调度控制模块1083分别相连，监控所述虚拟信道接入数据块生成模块1081和信道调度控制模块1083的工作状态，包括：各个虚拟信道缓存空满状态标识，虚拟信道帧计数，虚拟信道数据包头正确性标识，传输处理速率模式标识，将上述信息传回给地面供地面判读设备识别调度器飞行期间工作状态，并将所述工作状态传输到所述遥测返回接口模块106 ，在所述遥测返回接口模块106内转化为飞行器接收的电平形式后输出。

工作开始时，飞行器内的用户数据经由虚拟通道VC1至VC6进入所述虚拟信道输入接口101，所述用户数据可以协议数据、位流数据或者自定义规范的数据类型，本发明中示意性以有6个虚拟通道，对六路不同数据格式与数据速率的虚拟信道数据进行动态调度处理为例进行说明，支持单路虚拟信道接入数据速率从10Kbps 到100Mbps，并支持对图像、话音、电子邮件和空间 Internet等新型数据的调度在虚拟信道调度器内，通过DCM（数据时钟控制器）产生144M、72M、36M三种速率时钟，对不同接口速率从高到低进行同步处理后写入缓存。在本发明的其他实施例中，虚拟通道的数量可以按需调整。

所述虚拟信道输入接口101对所述用户数据进行电平转换，转化为所述调度控制器108接收的工作数据，并输入到所述调度控制器108的所述缓存区间1084，所述缓存区间1084的数目与虚拟信道的数目相同，每个缓存区间代表一个虚拟信道用户，所述虚拟信道接入数据块生成模块1081根据AOS协议规范将所述缓存区间1084内的数据按照CCSDS标准格式化处理，即将数据封装成本项目要求的886字节固定长度。

所述信道调度控制模块1083根据在优先级表模块1087内查找到的优先级设定调度策略，具体为若缓存区的数据达到一帧容量时发送请求信号，调度控制器按优先级顺序从高到低依次调度有请求的信道，若信道优先级相同，则按照轮询模式调度，当所有信道的缓存区容量不满一帧时调度填充数据帧；然后在速率控制模块1086设定的速率模式下对有请求的工作数据按优先级高低进行调度，同等优先级按照轮询模式进行调度，获得调度权的数据被插入到规定的数据帧区域，完成处理后数据经输出接口送出。遇到特殊任务时，通过上行遥控指令改变优先级，将用户最关心的数据优先级调整到最高，那么该路数据将在信道内以实时模式传输。此外，当飞行器上的载荷不全开机，即用户数据速率降低时，可根据需求将传输速率切换到低速率模式传输，可以有效降低飞行器功耗。与中继卫星通信时，可根据需要将输出速率切换到与之对应的模式。此外，虚拟信道调度控制器在进行优先级和速率模式切换时，数据输出的连续性不受影响，即切换是无缝的。

所述数据输出处理模块1085根据RS或LDPC协议等对由信道调度控制模块1083处理过的工作数据加同步标识，本项设计中的同步头为十六进制数据1ACFFC1D，也可根据需要更改为其它同步标识。提高信道增益，进行增益处理。 

所述数据输出接口模块105与所述数据输出处理模块1085相连，对经过增益处理的所述工作数据进行电平转化，转化为飞行器需要的电平形式，比如差分电平。

图2是本发明所提供的基于FPGA的动态虚拟信道调度器的工作流程示意图，如图2所示，开始工作后，FPGA执行工作初始配置，建立默认优先级表和速率配置项，进入默认工作模式；

在默认模式下，调度控制器接收虚拟信道接口送入的工作数据并写入对应的缓存区间；FPGA根据优先级表设定调度优先级，若缓存区间的数据达到一帧容量时发送请求信号，调度控制器按调度优先级顺序从高到低依次调度有请求的信道，若信道优先级相同，则按照轮询模式调度，当所有缓存区间的容量不满一帧时调度填充数据帧；

在工作过程中，地面发送速率模式或优先级重新配置指令的情况下，信道调度控制模块立即刷新工作模式和优先级表，下一帧的调度立即进入更改后的工作模式。在整个切换过程中数据输出连续，上述处理方案有效提高了信道调度效率，可在特殊任务期内通过时钟切换或优先级切换更改调度策略与链路速率，使得调度控制器工作在动态模式下，并将调度效率提高到了98%以上，降低了功耗，提高了关键数据传输的可靠性。

本实施例中，利用FPGA内部数字时钟资源DCM产生144M、72M、36M三种速率，通过遥控指令模块设计了可在轨对信道调度控制模块的输出数据速率进行三种速率模式之间的无缝切换，即信道控制器具备以下三种工作状态：

状态一：发送144M遥控指令使信道调度控制模块工作在144M工作模式下；

状态二：发送72M遥控指令使信道调度控制模块工作在72M工作模式下；

状态三：发送36M遥控指令使信道调度控制模块工作在36M工作模式下；

在飞行环境比较不好的情况下，FPGA接收的工作数据强度比较弱，此时，信道调度控制模块在较低频率的工作模式下工作，以得到较大的增益；反之，在工作数据的强度比较高时，信道调度控制模块在较高频率的工作模式下工作，以提高效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的接口类型、接口速率与优先级等进行升级或重新配置，使得本发明的应用范围更广泛，但都不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的动态虚拟信道调度器，其特征在于，包括：虚拟信道输入接口、调度控制器、数据输出接口模块、程序存储器、指令注入模块、晶体振荡器和电源供电模块，其中，所述电源供电模块与其他各组件分别电连接，为各组件提供稳压电源，所述虚拟信道输入接口与调度控制器连接，工作数据经由所述虚拟信道输入接口进入调度控制器；所述调度控制器为FPGA，对所述工作数据进行动态调度，并将经过所述调度的工作数据进行信道编码增益处理；所述调度控制器与数据输出接口模块相连，所述增益处理后的工作数据在所述数据输出接口模块进行电平转换，转化为飞行器接收的电平形式；所述指令注入模块与所述调度控制器相连，向调度控制器输入速率和优先级指令；所述程序存储器与所述调度控制器相连，用于存储整个设计程序，并向所述调度控制器供程序；所述晶体振荡器与所述调度控制器相连，向所述调度控制器提供时钟指令。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的动态虚拟信道调度器，其特征在于，所述调度控制器包括缓存区间,与所述缓存区间相连的虚拟信道接入数据块生成模块；与所述虚拟信道接入数据块生成模块相连的信道调度控制模块；与所述信道调度控制模块相连的数据输出处理模块；与所述虚拟信道接入数据块生成模块、信道调度控制模块分别相连的速率控制模块、与所述虚拟信道接入数据块生成模块、信道调度控制模块分别相连的优先级表模块。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的动态虚拟信道调度器，其特征在于，所述调度控制器包括遥测返回模块，所述遥测返回模块与所述虚拟信道接入数据块生成模块和信道调度控制模块分别相连，监控所述虚拟信道接入数据块生成模块和信道调度控制模块的工作状态并将所述工作状态传输到所述遥测返回接口模块，在所述遥测返回接口模块内转化为飞行器接收的电平形式后输出。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的动态虚拟信道调度器，其特征在于，FPGA选用Xilinx公司的300万门抗辐射级高可靠芯片VirtexⅡ系列，程序存储器选用Xilinx公司抗辐射级高可靠芯片XQR17V16PLCC44，接口芯片选用TI公司SN55LVDS系列，晶体振荡器选用AMCO-100B系列。

5.权力要求1至4中任意一种基于FPGA的动态虚拟信道调度器的调度方法，其特征在于，包括：

开始工作后，FPGA执行工作初始配置，建立默认优先级表和速率配置项，进入默认工作模式；

在默认模式下，调度控制器接收虚拟信道接口送入的工作数据并写入对应的缓存区间；FPGA根据优先级表设定调度优先级，若缓存区间的数据达到一帧容量时发送请求信号，调度控制器按调度优先级顺序从高到低依次调度有请求的信道，若信道优先级相同，则按照轮询模式调度，当所有缓存区间的容量不满一帧时调度填充数据帧；

在工作过程中，地面发送速率模式或优先级重新配置指令的情况下，信道调度控制模块刷新工作模式和优先级表，下一帧的调度进入更改后的工作模式。

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