CN112653536B - 一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统及方法，该系统包括：SpaceFibre数据接收缓存模块、发送模块和设置在上位机上的分析对比模块；SpaceFibre数据接收缓存模块和发送模块通过FPGA实现，其中，SpaceFibre数据接收缓存模块，用于接收待测SpaceFibre星载网络节点传输的SpaceFibre数据帧，对收到的SpaceFibre数据帧解帧并进行CRC校验，然后进行打包处理并存储；发送模块，用于通过PCIe接口将存储的数据包发送至分析对比模块；分析对比模块，用于对收到的数据包进行解包，计算丢包率，生成测试报告。

Description

一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统及方法

技术领域

发明涉及航天器超高速数据传输网络技术领域，具体涉及一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统及方法。

背景技术

随着航天技术的发展，越来越多高速有效载荷被应用到航天领域中，比如多光谱成像仪以及合成孔径雷达，它们产生出来需要传输的数据量也急剧升高，这对航天中总线的传输性能提出了新的要求，在此背景下，英国邓迪大学与ESA共同推出了超高速串行星载数据链路SpaceFibre技术，用以替代现有的SpaceWire总线标准。

SpaceFibre旨在用于高数据速率有效载荷的数据处理网络。SpaceFibre能够在光纤和铜缆上运行，并在不久的将来支持2 Gbit/s的数据速率，长期支持高达5 Gbit/s的数据速率。它旨在补充广泛使用的SpaceWire板载网络标准的功能：将数据速率提高10倍，将电缆质量减少四倍，并提供电流隔离。多线程将数据速率进一步提高到超过20 Gbit/s。

目前英国邓迪大学已经完成具有完整功能的SpaceFibre链路分析仪，其支持接口诊断模式以及链路分析模式，可以用于对含有SpaceFibre接口的FPGA和板卡的调试。此外在该领域，瑞典和德国以及俄罗斯等国家也有相当程度的技术积累。相比之下，国内很少有SpaceFibre网络测试相关的工作，开发自主知识产权的SpaceFibre测试系统对我国航天事业的发展有重要的作用。

现有的SpaceFibre网络性能测试方案的主要问题在于未成体系，对于SpaceFibre网络的性能测试，往往是通过外部工具侧面计算出来的方式，这种方式容易带来较大误差，且只能计算出理论速率，对于通信信道中的实际速率无法准确把握，且计算方式较为复杂，需要对不同速率的SpaceFibre进行分别计算，工作量很大。目前的通用计算机均不含有SpaceFibre接口，对于SpaceFibre的数据处理和网络性能分析也是个很大的阻碍。

提出一种SpaceFibre网络的测试系统，就可以大大提高对于SpaceFibre网络的性能测试以及数据处理的工作效率，同时对于不同的数据处理需求，在上位机端可以设计不同的功能来满足，十分灵活。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统，还提出了一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统，所述系统包括：SpaceFibre数据接收缓存模块、发送模块和设置在上位机上的分析对比模块；SpaceFibre数据接收缓存模块和发送模块通过FPGA实现，其中，

所述SpaceFibre数据接收缓存模块，用于接收待测SpaceFibre星载网络节点传输的SpaceFibre数据帧，对收到的SpaceFibre数据帧解帧并进行CRC校验，然后进行打包处理并存储；

所述发送模块，用于通过PCIe接口将存储的数据包发送至分析对比模块；

所述分析对比模块，用于对收到的数据包进行解包，计算丢包率，生成测试报告。

作为上述系统的一种改进，所述SpaceFibre数据接收缓存模块包括：接收单元、处理单元和DDR3芯片；其中，

所述接收单元，用于在GTX高速收发器控制下，通过SFP接口接收待测SpaceFibre星载网络节点传输的SpaceFibre数据帧；

所述处理单元，用于对收到的SpaceFibre数据帧解帧并进行CRC校验，然后进行打包处理并存储到DDR3芯片。

作为上述系统的一种改进，所述处理单元的具体实现过程为：

根据帧格式，对收到的M帧SpaceFibre数据帧分别解帧并进行CRC校验； M为打包到一个数据包中的SpaceFibre数据帧的帧数

根据包格式，将M帧SpaceFibre数据帧按顺序打包成一个数据包，如果上述SpaceFibre数据帧的CRC校验均正确，则在该数据包的尾部添加标识EOP，否则，在该数据包的尾部添加标识EEP；

将该数据包存储到DDR3芯片。

作为上述系统的一种改进，所述帧格式包括：32位的帧头，64个32位的数据字和32位的帧尾；帧尾包括用于CRC校验的2字节校验位。

作为上述系统的一种改进，所述进行CRC校验具体包括：

根据校验位算法计算得到差错校验位；

读取该数据帧的差错校验位，并判断计算得到的差错校验位与数据帧的差错校验位是否一致，如果一致，则该帧数据正确；否则，该帧数据错误。

作为上述系统的一种改进，所述包格式包括：目的地址、数据包体和数据包结尾；其中，

所述目的地址为固定值；

所述数据包体包括M帧SpaceFibre帧数据；

所述数据包结尾为EOP标记或EEP标记；所述EOP标记采用8b/10b编码中的特殊字符K29.7表示；EEP标记采用8b/10b编码中的特殊字符K30.7表示。

作为上述系统的一种改进，所述分析对比模块包括存储单元和对比单元；其中，

所述存储单元，用于将收到的数据包以二进制数据流形式进行存储；

所述对比单元，用于从存储单元中依次读取每一包数据，根据包格式进行解包，统计包尾为EOP的数据包个数Pe，结合从存储单元获取的数据包总数P，计算丢包率PLR并生成测试报告。

本发明还提出了一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试方法，基于上述系统实现，所述方法包括：

所述SpaceFibre数据接收缓存模块的接收单元在GTX高速收发器控制下，通过SFP接口接收待测SpaceFibre星载网络节点传输的SpaceFibre数据帧；

所述SpaceFibre数据接收缓存模块的处理单元根据帧格式，对收到的M帧SpaceFibre数据帧分别解帧并进行CRC校验；然后根据包格式，将M帧SpaceFibre数据帧按顺序打包成一个数据包，如果上述SpaceFibre数据帧的CRC校验均正确，则在该数据包的尾部添加标识EOP，否则，在该数据包的尾部添加标识EEP；并将该数据包存储到DDR3芯片；

所述发送模块通过PCIe接口将存储的数据包发送至上位机的分析对比模块；

所述分析对比模块的存储单元将收到的数据包以二进制数据流形式进行存储；

所述分析对比模块的对比单元从存储单元中依次读取每一包数据，根据包格式进行解包，统计包尾为EOP的数据包个数Pe，结合从存储单元获取的数据包总数P，计算丢包率PLR并生成测试报告。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的系统为SpaceFibre网络应用提供了新功能，即实现了SpaceFibre网络通信质量分析功能；

2、本发明的系统具有电路结构简单，工作稳定和测量数据可靠的优点；

3、本发明的系统抗干扰能力强，系统内部模块间相互干扰小；模拟电路加了屏蔽装置，物理隔离了放大电路模块和其他电路模块。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统的结构框图；

图2是本发明实施例1的SpaceFibre数据接收缓存模块组包的数据包格式和分析对比模块解包的数据包格式；

图3是本发明实施例1的SpaceFibre数据接收缓存模块收到的数据帧格式；

图4是本发明实施例2的基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试方法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统。包括：主控单元、缓存单元、IO单元、供电单元。

从功能上划分，该装置包括三个部分：一是SpaceFibre数据接收缓存模块：使用GTX高速串行收发器通过SFP光纤模块对SpaceFibre网络传输的数据进行接收，通过SpaceFibre IP核对数据进行校验，并将数据帧打包成数据包格式，二是发送模块：将SpaceFibre数据利用PCIe存入上位机，三是分析对比模块，部署在上位机上。

所述SpaceFibre网络传输的数据是合成孔径雷达接收到的图像数据，经过SpaceFibre节点的处理，将其打包为格式化的数据包，再分割成大小较小的数据帧进行传输，如图2所示为SpaceFibre数据接收缓存模块组包的数据包格式，同时也是分析对比模块收到的SpaceFibre数据包结构。数据包包括目的地址，数据包体和数据包结尾EOP或错误数据包结尾EEP标记。

在本方案中目的地址为固定值。

数据包体是数据的主体。

一个SpaceFibre数据包由以下两种标记之一终止，以表示一个数据包的结束和下一个数据包的开始：

1.EOP，指示已完全接收到数据包，采用8b/10b编码中的特殊字符K29.7来表示。

2.EEP，指示由于错误而导致数据包过早终止，采用8b/10b编码中的特殊字符K30.7来表示。

SpaceFibre数据包的大小没有限制，但星载网络节点传输过程中会将其分割成数据帧，数据帧是数据包传输过程中的最小单位，格式如图3所示，数据帧包括一个32位的帧头，64个32位的数据字，以及32位的帧尾。将数据包分为大小近似的数据帧，便于传输。

在数据帧尾含有用于CRC校验的2字节校验位，用于识别错误码元，校验采用CRC-ITU标准制定的CRC16校验，生成多项式设置为G(x) = X¹⁶ + X¹² + X⁵ + 1，初始值采用0xFFFF。

SpaceFibre数据接收缓存模块由主控单元的一部分和IO单元的一部分组成；

所述IO单元，包括SFP接口，用于接收SpaceFibre节点传输的SpaceFibre数据。

所述主控单元，FPGA中的GTX高速收发器用于保证准确有序接收SpaceFibre数据帧，FPGA中的SpaceFibre IP核用于校验SpaceFibre数据帧，并将数据帧打包成数据包。

SpaceFibre数据接收缓存模块从功能上划分，包括：接收单元、处理单元和DDR3芯片；

接收单元，用于接收SpaceFibre节点传输的串行数据帧；

处理单元，对数据帧解帧并进行CRC校验，然后进行打包处理，并存储到DDR3芯片；包括DDR3 IP核、PCIe IP核；

发送模块，包括PCIe接口，用于从缓存单元中取出打包数据，发送至上位机。

分析对比模块包括存储单元和对比单元；

存储单元用于将收到的数据以二进制数据流形式进行存储；

对比单元，用于从存储单元中依次读取每一包数据，根据包格式进行解包，从数据包中读取数据包尾，将以EOP为结尾的数据包，即已完全接收的数据包，计算其个数，结合发送端发出的数据包总数，计算出相应的丢包率，生成对比报告。

实施例2

如图4所示，本发明的实施例2提出了一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试方法，基于实施例1的系统，方法具体包括：

步骤1）系统开机，装置上电

步骤2）装置上电后，由FPGA对SFP模块、GTX高速收发器、SpaceFibre IP核、PCIe接口进行初始化和基础配置，使其正常工作；

步骤3）上位机进行设备检测，若未检测到设备，就报告错误信息；

步骤4）GTX IP核开始接收其他节点传来的SpaceFibre数据，并将数据发送给FPGA中的SpaceFibre IP核；

步骤5）SpaceFibre IP核对收到的数据帧进行CRC校验，根据校验位算法计算得到差错校验位，读取该数据帧的差错校验位，并判断计算得到的差错校验位与数据帧的差错校验位是否一致，如果成立，则该帧接收正确，则将数据帧打包成数据包，若构成该数据包的所有数据帧都通过校验，则在包尾部标识EOP；发现校验错误后，也将数据帧打包好，在包尾标识EEP，最后将数据包存储到DDR3。

步骤6）DDR3 IP核控制DDR3芯片缓存SpaceFibre IP核打包好的数据包；

步骤7）PCIe IP核将DDR3芯片中缓存的数据取出，通过PCIe接口送入上位机的分析对比模块；

步骤8）分析对比模块的对比单元，从存储单元中依次读取每一包数据，根据包格式进行解包，从数据包中读取数据包尾，将以EOP为结尾的数据包，即已完全接收的数据包，计算其个数，结合从存储单元获取的数据包总数，计算出相应的丢包率，生成对比报告。

经过仿真与实验验证，本发明能够实现对SpaceFibre网络节点进行测试，从而实现对SpaceFibre网络节点性能分析功能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统，其特征在于，所述系统包括：SpaceFibre数据接收缓存模块、发送模块和设置在上位机上的分析对比模块；SpaceFibre数据接收缓存模块和发送模块通过FPGA实现，其中，

所述SpaceFibre数据接收缓存模块，用于接收待测SpaceFibre星载网络节点传输的SpaceFibre数据帧，对收到的SpaceFibre数据帧解帧并进行CRC校验，然后进行打包处理并存储；

所述发送模块，用于通过PCIe接口将存储的数据包发送至分析对比模块；

所述分析对比模块，用于对收到的数据包进行解包，计算丢包率，生成测试报告；

所述SpaceFibre数据接收缓存模块包括：接收单元、处理单元和DDR3芯片；其中，

所述接收单元，用于在GTX高速收发器控制下，通过SFP接口接收待测SpaceFibre星载网络节点传输的SpaceFibre数据帧；

所述处理单元，用于对收到的SpaceFibre数据帧解帧并进行CRC校验，然后进行打包处理并存储到DDR3芯片；

所述处理单元的具体实现过程为：

根据帧格式，对收到的M帧SpaceFibre数据帧分别解帧并进行CRC校验； M为打包到一个数据包中的SpaceFibre数据帧的帧数；

根据包格式，将M帧SpaceFibre数据帧按顺序打包成一个数据包，如果上述SpaceFibre数据帧的CRC校验均正确，则在该数据包的尾部添加标识EOP，否则，在该数据包的尾部添加标识EEP；

将该数据包存储到DDR3芯片；

所述帧格式包括：32位的帧头，64个32位的数据字和32位的帧尾；帧尾包括用于CRC校验的2字节校验位；

所述包格式包括：目的地址、数据包体和数据包结尾；其中，

所述目的地址为固定值；

所述数据包体包括M帧SpaceFibre帧数据；

所述数据包结尾为EOP标记或EEP标记；所述EOP标记采用8b/10b编码中的特殊字符K29.7表示；EEP标记采用8b/10b编码中的特殊字符K30.7表示；

所述分析对比模块包括存储单元和对比单元；其中，

所述存储单元，用于将收到的数据包以二进制数据流形式进行存储；

所述对比单元，用于从存储单元中依次读取每一包数据，根据包格式进行解包，统计包尾为EOP的数据包个数Pe，结合从存储单元获取的数据包总数P，计算丢包率PLR并生成测试报告。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试系统，其特征在于，所述进行CRC校验具体包括：

根据校验位算法计算得到差错校验位；

读取该数据帧的差错校验位，并判断计算得到的差错校验位与数据帧的差错校验位是否一致，如果一致，则该数据帧数据正确；否则，该数据帧数据错误。

3.一种基于FPGA的SpaceFibre星载网络节点测试方法，基于权利要求2所述的系统实现，所述方法包括：

所述SpaceFibre数据接收缓存模块的接收单元在GTX高速收发器控制下，通过SFP接口接收待测SpaceFibre星载网络节点传输的SpaceFibre数据帧；

所述SpaceFibre数据接收缓存模块的处理单元根据帧格式，对收到的M帧SpaceFibre数据帧分别解帧并进行CRC校验；然后根据包格式，将M帧SpaceFibre数据帧按顺序打包成一个数据包，如果上述SpaceFibre数据帧的CRC校验均正确，则在该数据包的尾部添加标识EOP，否则，在该数据包的尾部添加标识EEP；并将该数据包存储到DDR3芯片；

所述发送模块通过PCIe接口将存储的数据包发送至上位机的分析对比模块；

所述分析对比模块的存储单元将收到的数据包以二进制数据流形式进行存储；

所述分析对比模块的对比单元从存储单元中依次读取每一包数据，根据包格式进行解包，统计包尾为EOP的数据包个数Pe，结合从存储单元获取的数据包总数P，计算丢包率PLR并生成测试报告；

所述帧格式包括：32位的帧头，64个32位的数据字和32位的帧尾；帧尾包括用于CRC校验的2字节校验位；

所述包格式包括：目的地址、数据包体和数据包结尾；其中，

所述目的地址为固定值；

所述数据包体包括M帧SpaceFibre帧数据；

所述数据包结尾为EOP标记或EEP标记；所述EOP标记采用8b/10b编码中的特殊字符K29.7表示；EEP标记采用8b/10b编码中的特殊字符K30.7表示。

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