CN105468558A - 一种实现传统星载设备、载荷即插即用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现传统星载设备、载荷即插即用的方法，先选择公共总线，设计星载设备、载荷智能接口模块，定义自描述文件xTEDS，提供设备信息、输入输出接口、输入输出接口等参数；下载xTEDS文件，将即插即用节点接入公共总线；通过星务计算机周期性轮询发送广播信号握手帧；新上线设备的IISD获得注册回应后将xTEDS文件发送给星务计算机完成星载设备、载荷的注册，对新设备、载荷进行识别控制，收到请求信息后向星务计算机发送应答信息，星务计算机据此确定状态信息。本发明有很强的灵活性和可扩展性，能短时间实现卫星电子系统总装集成，为卫星模块化设计提供一种技术支持。

Description

一种实现传统星载设备、载荷即插即用的方法

技术领域

本发明涉及一种即插即用设备实现方法，具体地，涉及一种通用星载设备、载荷如星敏感器、陀螺、飞轮等的即插即用PnP(PlugandPlay)方法。

背景技术

随着军事战略的不断调整和航天技术的不断进步，卫星模块化、可更换的需求日益强烈，尤其面对紧急的空间任务需求，按目前的卫星研制流程，通常需要几个月甚至几年的时间，这显然不能满足需求，必须开发小型且可快速应用的航天器，以便为突发灾害和应急事件提供快速响应的空间能力。因此，卫星的模块化设计以及快速组装已经成为未来天基平台发展的一个主要方向。卫星的“即插即用”理念便是基于此提出的。即插即用是指当系统插入一个新设备时，可以在运行过程中动态地进行检测和配置，而无需手动设置于更改软件。即插即用的卫星功能部件相对传统的固定硬件模式，具有更好的灵活性和可扩展性，通过在具备即插即用功能的综合电子平台上简单地“插入”这些功能部件，就可以在短时间内实现卫星电子系统的总装集成。随着空间任务日益复杂化，如何进行综合电子快速研制以满足空间任务的快速响应成为小卫星领域的研究重点。针对这一情况，本发明提供了一种将即插即用技术应用于卫星综合电子系统的具体应用方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的上述缺陷，通过设计一种星载设备、载荷智能接口IISD(IntelligentInterfaceforSpaceborneDevice)，将传统星载设备、载荷变成即插即用设备。即：传统的星载设备、载荷+星载设备、载荷智能接口＝即插即用星载设备、载荷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种实现传统星载设备、载荷即插即用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，选择公共总线作为连接星务计算机与星载设备、载荷智能接口的系统总线；

步骤二，根据选用的公共总线以及设备、载荷硬件设计相应的星载设备、载荷智能接口模块；

步骤三，定义星载设备、载荷数据自描述文件xTEDS，提供星载设备、载荷的设备信息、输入输出接口、输入输出接口等参数；

步骤四，将包含不同星载设备、载荷的xTEDS文件下载至相应的星载设备、载荷智能接口中，将星载设备、载荷连同相应的星载设备、载荷智能接口组成的即插即用节点接入公共总线；接入总线后，星载设备、载荷智能接口完成自检与初始化，同时初始化星载设备、载荷，完成星载设备、载荷的接口配置；星务计算机周期性地对各个载荷设备进行轮询，当检测到有新设备、载荷法发送的申请注册广播帧，则通过公共总线发送广播信号握手帧；

步骤五，新上线设备的星载设备、载荷智能接口获得星务计算机正确的注册回应后，再将包含其设备信息的xTEDS文件发送给星务计算机，完成星载设备、载荷的注册；

步骤六，星务计算机根据读取到的星载设备、载荷配置信息更新内部的xTEDS信息表，获得星载设备、载荷的操作接口，并完成对新设备、载荷的识别与控制；

步骤七，星务计算机以一定周期轮询请求所有在线星载设备、载荷的状态信息，在线设备、载荷收到请求信息后向星务计算机发送应答信息，星务计算机据此确定在线的星载设备、载荷并更新内部存储单元的星载设备、载荷xTEDS文件，对星载设备、载荷状态实施维护和管理。

进一步地，所述公共总线为CAN。选取公共总线很重要，在方案初期就应当确定，星务计算机中间件软件的设计以及星载设备、载荷智能接口IISD模块的设计都是在其基础上进行的，它须满足星上挂载点的数量、高效可靠、配置灵活等要求。

进一步地，所述星载设备、载荷智能接口模块主要包括控制器，存储器，公共总线通信接口，星载设备、载荷通信接口，电源，调试接口。由于不同星载设备/载荷使用的接口不同，因而不同的星载设备、载荷其相应的IISD模块可能会有差异。一般情况下控制器芯片自带存储资源能够满足程序要求，如有特殊要求，则可外扩存储器。

进一步地，所述星载设备、载荷自描述文件xTEDS以扩展XML语言描述，xTEDS用于描述星载设备、载荷，包括设备的类型、属性、能力，定义星务计算机与星载设备、载荷智能接口的通信接口。

进一步地，通过中间件为应用程序提供数据接口，加快应用层软件的开发。应用层直接调用中间件中的相应设备接口函数实现与设备的数据交互，即应用层只需知道中间件里有哪些系统设备的使用接口而不用关注这些设备的具体细节。

进一步地，中间件主要包括数据管理DH(DataHandler)和传感器管理SH(SensorHandler)，DH集中存储系统设备和应用程序的xTEDS描述文件，同时处理应用程序对xTEDS的查询请求；SH负责设备发现，从新设备中获取xTEDS文件并将其专发给DH；星载设备、载荷可以通过与SH之间的简单接口与系统其他部件通信，而无需处理复杂的通信细节。中间件通过分析xTEDS数据，组成一个完整的系统数据模型，该模型描述整个系统的设备组成，每个设备所实现的功能等，并为上层应用提供一个访问的接口。中间件提供基于服务的设备无关接口，上层应用需要调用服务时，首先通过指定接口描述信息在中间件中查询匹配的服务提供者，然后通过查询到的服务提供者完成任务(如发送命令、请求特定数据等)。

中间件主要功能如下：

1)提供高层调用的函数库，完成高层调用的语法和参数范围检查；

2)提供注册和xTEDS数据管理(DH)机制，注册和保持所有有效载荷的xTEDS文档，并响应软件对xTEDS文档的查询请求；

3)提供传感器管理(SH)，发现并读取有效载荷的xTEDS信息，将这些信息注册到DH上，并将高层调用打包至IISD模块。

中间件传感器模块SH，主要负责星载设备、载荷的管理，包括以下几个方面职能。

在初始化阶段，与DH握手：SH首先周期性向DH发送消息，并等待DH的响应，确保DH存活，并进而确保存在一个可用的存储库保存设备的xTEDS文件。

与IISD握手：响应IISD发起的握手过程，完成新设备的检测；完成IISD初始化；读取IISD设备xTEDS文件，并转发给DH。

IISD通信代理：接收应用程序的数据请求，向IISD设备发送数据请求命令；读取IISD产生的数据，并转发给相应应用程序；接收应用程序的其他控制请求，并转发给相应IISD。

IISD状态检测：通过“心跳”协议，检测IISD是否故障，并将故障消息转发给DH；协助DH完成xTEDS文件状态(包括IISD上下线)的维护。

中间件数据模块DH，主要负责系统数据管理，包括以下几个方面职能：

在初始化阶段，接收SH就绪握手消息并加以响应，向SH等宣告其存在；

IISD设备xTEDS文件管理：读取由SH发送的xTEDS文件；以中央存储库方式维护系统中IISD的xTEDS文件；

xTEDS查询请求响应：提供xTEDS查询接口，接收应用程序的xTEDS查询请求；根据接收到的查询请求，完成xTEDS文件库的查找；将查询结果返回给请求发起方。查询结果包括数据提供者的ID标识、位置信息以及设备通信协议(包括数据格式、控制消息等)；为提高查询请求的响应速度，DH使用一块内存区域缓存最近几次查询结果。当缓存结果不能满足查询请求时，再从xTEDS文件库中查找；通过一个预定义端口向其他部件提供服务。

IISD作为连接星务计算机与星载设备、载荷的纽带，是实现星载设备、载荷即插即用功能的关键部件。IISD软件的主要功能包括：

进行自检，包括对传感器设备的检测；

与SH模块握手并将星载设备、载荷信息(xTEDS)发送给SH；

响应SH请求，完成星载设备、载荷的初始化；

响应SH请求，从星载设备、载荷读取数据并转发给SH；

响应SH请求，执行相应的星载设备、载荷控制命令。

本发明通过IISD及相关软件的设计，实现了传统星载设备、载荷的即插即用控制。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

一是本发明通过星载设备、载荷智能接口IISD，在不改动传统星载设备、载荷的前提下，将传统的星载设备、载荷实现了即插即用功能。

二是与现有技术相比，本发明将星载设备、载荷的接口设备信息以xTEDS形式存储于IISD中，注册时，此xTEDS将发送给星务计算机；完成注册后，IISD将公共总线上收到的来自中间件的命令或请求进行转换后通过设备接口发送给相关星载设备、载荷，星载设备、载荷接收到后，执行相应的动作或发回相应数据至IISD，IISD再将收到的反馈进行转换，通过公共总线发送回星务计算机。与现有技术相比，其实现灵活，扩展方便，为传统星载设备/载荷的即插即用提供了一个可行的方法。其实现灵活，扩展方便，为传统星载设备、载荷的即插即用提供了一个可行的方法。

附图说明

下面结合附图对本发明一种实现传统星载设备、载荷即插即用的方法作进一步说明：

图1是本方法应用过程中的控制方法的控制结构示意图；

图2是为RS232光纤陀螺相应的星载设备、载荷智能接口功能框图；

图3是为CAN接口的传统星载设备、载荷相应的星载设备、载荷智能接口功能框图；

图4是为即插即用设备、载荷与星务计算机之间的总线连接示意图；

图5是为星载设备、载荷智能接口注册流程图；

图6为星务计算机软件中间件工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。一种实现传统星载设备/载荷即插即用的方法见图1，包括以下步骤：

步骤一，在此具体使实施例中，选择CAN作为连接星务计算机与星载设备/载荷智能接口(IISD)的总线。

步骤二，根据选用的CAN总线以及设备、载荷硬件设计相应的星载设备、载荷智能接口(IISD)模块。

以RS232接口陀螺为例，其IISD结构如图2：控制器为32位单片机ATSAM3X8C系列，其片上包含512KB的FLASH，32KB的SRAM，4路UART，2路SPI，2路I2C，1路USB，1路USB，2路CAN接口(片上集成了CAN控制器)；电源模块，复位模块，JTAG调试接口，以及CAN接口模块与设备接口模块(此处为RS232)。

优选的，如果系统中设备、载荷接口类型较少，可选择将这几种类型接口都嵌入IISD中，如此所有星上设备、载荷的IISD在硬件上将保持一致；同时也可将相应设备、载荷的IISD区别设计(尤其是当设备/载荷接口类型较多时)，此实施例中即采取的是此方式。

优选的，如果所接载荷与所选公共总线的接口(即CAN，见步骤一)相同，那么只需将IISD的设备模块相应调整为CAN接口即可。本文步骤二中所选的控制器ATSAM3X8C因为自带CAN控制器(包含两路IO)，故只需两个CAN收发器分别与CAN控制器的IO1与IO2相连，得到两路CAN接口。一路用于接公共总线与星务计算机通信，一路用于接CAN设备、载荷，见图3。

步骤三，定义星载设备、载荷数据自描述文件xTEDS，提供星载设备、载荷的设备信息、输入输出接口、输入输出接口等参数，以RS232接口光纤陀螺为例，内容包括陀螺接口名称、设备唯一识别号，请求陀螺数据的指令名称与设备唯一识别号，以及陀螺遥测数据涵盖的数据名目与类型。

步骤四：将包含不同设备/载荷的xTEDS文件下载至相应的IISD中，将载荷/设备连同相应IISD接入公共总线，与带有CAN接口的星务计算机组建CAN通信网络，见图4；接入总线后，IISD完成自检与初始化，同时初始化星载设备/载荷，完成星载设备/载荷的接口配置；星务计算机周期性地对各个载荷设备进行轮询，当检测到有新设备/载荷法发送的申请注册广播帧，则通过公共总线发送广播信号握手帧。

步骤五：新上线设备的IISD获得星务计算机正确的注册回应后，再将包含其设备信息的xTEDS文件发送给星务计算机，完成星载设备/载荷的注册。IISD注册流程见图5。

步骤六：星务计算机根据读取到的设备/载荷配置信息更新内部的xTEDS信息表，获得设备的操作接口，并完成对新设备/载荷的识别与控制，对于此实施例中的陀螺，操作包括请求陀螺的角速度，遥测数据(陀螺的电压、电流及状态数据)。

步骤七：星务计算机以一定周期轮询请求所有在线星载设备/载荷的状态信息，在线设备收到请求信息后向星务计算机发送应答信息，星务计算机据此确定在线的星载设备/载荷，并更新内部存储单元的设备/载荷的状态信息。

优选的，本实施例中的星务计算机采用的是ATMEL公司ARM控制器AT91RM9200作为控制单元。主频达180MHz，片上带有16KB的SRAM和128KB的ROM，并通过总线扩展了8M的Flash，32M的SDRAM，2路CAN，32路I/O，8路RS232与8路RS422。其上运行嵌入式Linux操作系统(内核版本为Linux2.6.21)。

优选的，星务计算机内的中间件通过分析xTEDS数据，组成一个完整的系统数据模型，该模型描述整个系统的设备组成，每个设备所实现的功能等，并为上层应用提供一个访问的接口。其核心主要包括数据管理DH(DataHandler)和传感器管理SH(SensorHandler)。DH提供注册和xTEDS数据管理机制，注册和保持所有有效载荷的xTEDS文档，并响应软件对xTEDS文档的查询请求；SH负责传感器管理，发现并读取有效载荷的xTEDS信息，将这些信息注册到DH上，并将高层调用打包至IISD模块，是星务计算机和设备/载荷之间的数据处理核心。

优选的，IISD作为连接星务计算机与星载设备/载荷的纽带，是实现星载设备/载荷即插即用功能的关键部件。主要作用包括：进行自检，包括对传感器设备的检测；与SH模块握手并将星载设备/载荷信息(xTEDS)发送给SH；响应SH请求，完成星载设备/载荷的初始化；响应SH请求，从星载设备/载荷读取数据并转发给SH；响应SH请求，执行相应的星载设备/载荷控制命令。图6显示的是应用层、中间件(SH，DH)与IISD三者之间的信息流(图中API：ApplicationProgrammingInterface为中间件为应用提供的应用程序接口缩写)。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现传统星载设备、载荷即插即用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，选择公共总线作为连接星务计算机与星载设备、载荷智能接口的系统总线；

步骤二，根据选用的公共总线以及设备、载荷硬件设计相应的星载设备、载荷智能接口模块；

步骤三，定义星载设备、载荷数据自描述文件xTEDS，提供星载设备、载荷的设备信息、输入输出接口、输入输出接口等参数；

步骤四，将包含不同星载设备、载荷的xTEDS文件下载至相应的星载设备、载荷智能接口中，将星载设备、载荷连同相应的星载设备、载荷智能接口组成的即插即用节点接入公共总线；接入总线后，星载设备、载荷智能接口完成自检与初始化，同时初始化星载设备、载荷，完成星载设备、载荷的接口配置；星务计算机周期性地对各个载荷设备进行轮询，当检测到有新设备、载荷法发送的申请注册广播帧，则通过公共总线发送广播信号握手帧；

步骤五，新上线设备的星载设备、载荷智能接口获得星务计算机正确的注册回应后，再将包含其设备信息的xTEDS文件发送给星务计算机，完成星载设备、载荷的注册；

步骤六，星务计算机根据读取到的星载设备、载荷配置信息更新内部的xTEDS信息表，获得星载设备、载荷的操作接口，并完成对新设备、载荷的识别与控制；

步骤七，星务计算机以一定周期轮询请求所有在线星载设备、载荷的状态信息，在线设备、载荷收到请求信息后向星务计算机发送应答信息，星务计算机据此确定在线的星载设备、载荷并更新内部存储单元的星载设备、载荷xTEDS文件，对星载设备、载荷状态实施维护和管理。

2.根据权利要求1所述的实现传统星载设备、载荷即插即用的方法，其特征在于，所述公共总线为CAN。

3.根据权利要求1所述的实现传统星载设备、载荷即插即用的方法，其特征在于，所述星载设备、载荷智能接口模块主要包括控制器，存储器，公共总线通信接口，星载设备、载荷通信接口，电源，调试接口。

4.根据权利要求1所述的实现传统星载设备、载荷即插即用的方法，其特征在于，所述星载设备、载荷自描述文件xTEDS以扩展XML语言描述，xTEDS用于描述星载设备、载荷，包括设备的类型、属性、能力，定义星务计算机与星载设备、载荷智能接口的通信接口。

5.根据权利要求1所述的实现传统星载设备、载荷即插即用的方法，其特征在于，通过中间件为应用程序提供数据接口，以加快应用层软件的开发。

6.根据权利要求5所述的实现传统星载设备、载荷即插即用的方法，其特征在于所述中间件主要包括数据管理DH和传感器管理SH，DH集中存储系统设备和应用程序的xTEDS描述文件，同时处理应用程序对xTEDS的查询请求；SH负责设备发现，从新设备中获取xTEDS文件并将其专发给DH；星载设备、载荷可以通过与SH之间的简单接口与系统其他部件通信，而无需处理复杂的通信细节。