CN117639908B - 一种基于vpx架构的天基智能网联装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于VPX架构的天基智能网联装置，该装置包括：3U标准VPX机箱与安装在3U标准VPX机箱内的VPX背板，VPX背板上配置有电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和3个预留槽位；电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡均以插拔方式安装在VPX背板上，计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位上均设置有以太网接口。本申请通过计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡最大程度地确保了天基智能网联装置的计算处理能力、数据存储能力和总线交互能力，可以有效运用于大规模低轨星座的网络化空间系统，满足卫星自主运行、智能处理、数据存储、网络互联的要求。
Description
技术领域
本申请涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种基于VPX架构的天基智能网联装置。
背景技术
基于大规模低轨星座的网络化空间系统，每颗卫星可抽象为卫星平台系统、载荷/传感器系统、天基智能网联装置三部分。其中卫星平台是卫星系统载体，为卫星在轨运行提供机、电、动等基础保障服务同时，负责测控、数传、广播、中继、星链、集群组网等网联物理通信传输服务。载荷/传感器为低成本、体积重量功耗小的有效载荷，具备观测数据的采集、预处理能力。天基智能网联装置是卫星在轨自主运行、智能处理、任务执行的核心，为天基系统在轨资源一体化应用、天地互联、智能协作提供基础硬件平台。
天基智能网联装置作为大规模低轨星座卫星节点的基本组成部分，需要尽可能采用标准化、通用化和模块化架构，来简化小卫星设计与集成，缩短小卫星研制周期。然而，受限于功耗、体积和空间等约束，目前的天基智能网联装置的计算资源一般较为有限，难以提供足够的算力保障。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于VPX架构的天基智能网联装置，该装置面向用户设计，遵循航天标准，最大程度确保计算处理能力、数据存储能力和总线交互能力，具有功能模块可扩展性、硬件模块互联性、软件开发调试便捷性等特点，满足卫星自主运行、智能处理、数据存储、网络互联的要求。
一种基于VPX架构的天基智能网联装置，所述装置包括：
3U标准VPX机箱与安装在3U标准VPX机箱内的VPX背板，VPX背板上配置有电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和3个预留槽位；电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡均以插拔方式安装在VPX背板上，计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位上均设置有以太网接口；
电源板卡用于通过VPX背板分别与计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位连接进行供电；
计算板卡用于提供计算服务运行平台进行在轨智能计算加速与数据存储；
星内互联板卡用于通过以太网接口接入VPX背板，并通过VPX背板与计算板卡、星间互联板卡和预留槽位的以太网接口连接进行数据交互；
星间互联板卡用于传输星间数据和组网协同；
VPX背板用于支持电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位之间的电气连接和数据交互；
预留槽位用于扩展计算和存储功能。
在其中一个实施例中，电源板卡包括熔断器电路、消浪涌电路、EMI滤波电路、DC-DC电路和指令电路。
在其中一个实施例中，计算板卡采用核心板+底板的架构。
在其中一个实施例中，核心板集成有处理器芯片和存储器芯片，底板为接口板。
在其中一个实施例中，底板的接口形式包括USB、调试口和网口。
在其中一个实施例中，星内互联板卡包括两个总线适配器模块和交换模块，总线适配器模块与交换模块通过以太网的形式实现星内互联板卡内部的数据互联。
在其中一个实施例中，总线适配器模块采用S698PM芯片，交换模块采用BCM5396交换芯片作为核心芯片，采用单片机作为配置芯片，单片机配置有SPI接口，单片机通过SPI接口对BCM5396交换芯片进行寄存器配置。
在其中一个实施例中，交换模块配置有7路以太网接口，其中5路以太网接口通过VPX背板与计算板卡、星间互联板卡和3个预留槽位进行连接，其中2路以太网接口作为单机对外接口。
在其中一个实施例中，星间互联板卡由FPGA最小系统、网络模块和AD/DA转化模块构成，网络模块采用CX6701M芯片，AD/DA转化模块采用AD9361芯片。
在其中一个实施例中，3U标准VPX机箱由前盖板、后盖板、左侧板、右侧板、底板构成。
上述一种基于VPX架构的天基智能网联装置，通过VPX背板配置的计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡进行在轨边缘计算与处理、星内数据交互星间组网传输和消息订阅分发，最大程度地确保了天基智能网联装置的计算处理能力、数据存储能力和总线交互能力，可实现与载荷、卫星平台连接，通过在轨边缘计算、星间和星内互联支持星群组网和低轨星载分布式云边协同，同时能够进行应用、任务的快速开发迭代和在线升级，具有功能模块可扩展性、硬件模块互联性、软件开发调试便捷性等特点，满足卫星自主运行、智能处理、数据存储、网络互联的要求。因此，相较于现有技术，本申请提供的一种基于VPX架构的天基智能网联装置可以有效运用于大规模低轨星座的网络化空间系统，构建天基智能网络卫星系统。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于VPX架构的天基智能网联装置的整体结构示意图；
图2为一个实施例中电源板卡的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本申请中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于VPX(计算机总线)架构的天基智能网联装置，所述装置包括：
3U标准VPX机箱与安装在3U标准VPX机箱内的VPX背板，VPX背板上配置有电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和3个预留槽位；电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡均以插拔方式安装在VPX背板上，计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位上均设置有以太网接口；
电源板卡用于通过VPX背板分别与计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位连接进行供电，可实现电源转化、电流保护和开关控制功能；
计算板卡用于提供计算服务运行平台进行在轨智能计算加速与数据存储；
星内互联板卡用于通过以太网接口接入VPX背板，并通过VPX背板与计算板卡、星间互联板卡和预留槽位的以太网接口连接进行数据交互；
星间互联板卡用于传输星间数据和组网协同；
VPX背板用于支持电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位之间的电气连接和数据交互；
预留槽位用于扩展计算和存储功能。
在其中一个实施例中，如图2所示，电源板卡包括熔断器电路、消浪涌电路、EMI((Electro Magnetic Interference，电磁干扰)滤波电路、DC-DC（直流-直流）电路和指令电路。
其中，电源板卡的输入电压为+28V；熔断器电路用于对输入电源保护，防止天基智能网联装置因短路而拖垮卫星电源；消浪涌电路用于延缓一次电源的上电时间，降低天基智能网联装置浪涌电流强度；EMI滤波电路用于抑制输入电源的共模干扰及差模干扰，并抑制DC-DC电路产生的干扰信号传导至电源输入端；DC-DC电路用于将输入电源电压分别转化为计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位所需的电源电压， DC-DC电路选用VPT公司的DVTR285R2SF电源模块；指令电路用于根据来自卫星的指令信号来控制天基智能网联装置电源的通断。
在其中一个实施例中，计算板卡采用核心板+底板的架构。
在其中一个实施例中，核心板集成有处理器芯片、存储器芯片等芯片，底板为接口板，底板用于为核心板调试及数据交互接口，同时为核心板提供电源保障，底板将核心板所有需要用的接口引出。具体地，处理器芯片采用英伟达Jetson TX2 Modules计算加速模块，用于提供通用的计算、存储、信息处理等运行平台。
在其中一个实施例中，底板的接口形式包括USB、调试口和网口。具体地，USB接口采用micro USB 3.0，兼容USB2.0接口；调试口采用J63A-2F2-015-441-TH连接器；网口采用千兆网口。
在其中一个实施例中，星内互联板卡包括两个总线适配器模块和交换模块，总线适配器模块与交换模块通过以太网的形式实现星内互联板卡内部的数据互联。
在其中一个实施例中，总线适配器模块采用S698PM芯片，交换模块采用BCM5396交换芯片作为核心芯片，采用单片机GD32F407ZGT6/NC作为配置芯片，单片机配置有SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口，单片机通过SPI接口对BCM5396交换芯片进行寄存器配置。具体地，S698PM芯片包括GPIO(通用输入/输出口)、UART(通用异步收发器)、定时器、中断控制器、调试支持单元、存储器控制器、1M/10M的1553B总线控制器、CAN(控制器局域网)总线控制器、10M/100M以太网控制器、SpaceWire（欧空局总线标准）总线节点控制器、CCSDS(国际空间数据系统咨询委员会)遥控遥测控制器、USB1.1主控器、SPI主控器、I2C主控器等功能模块。
在其中一个实施例中，交换模块配置有7路以太网接口，其中5路以太网接口通过VPX背板与计算板卡、星间互联板卡和3个预留槽位进行连接，其中2路以太网接口作为单机对外接口。
在其中一个实施例中，星间互联板卡由FPGA(现场可编程逻辑门阵列)最小系统、网络模块和AD/DA(模数-数模)转化模块构成，网络模块采用CX6701M芯片，AD/DA转化模块采用AD9361芯片。具体地，FPGA最小系统包括FPGA芯片、FPGA工作时钟、内存电路、系统配置FLASH、下载接口等FPGA工作的辅助电路。FPGA芯片采用ZYNQ7045芯片。
在其中一个实施例中，3U标准VPX机箱由前盖板、后盖板、左侧板、右侧板、底板等零部件构成，3U标准VPX机箱用于天基智能网联装置的结构固定和物理保护。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于VPX架构的天基智能网联装置，其特征在于，所述装置包括：3U标准VPX机箱与安装在所述3U标准VPX机箱内的VPX背板，所述VPX背板上配置有电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和3个预留槽位；所述电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡均以插拔方式安装在所述VPX背板上，所述计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位上均设置有以太网接口；
所述电源板卡用于通过所述VPX背板分别与所述计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位连接进行供电；
所述计算板卡用于提供计算服务运行平台进行在轨智能计算加速与数据存储；
所述星内互联板卡用于通过以太网接口接入所述VPX背板，并通过所述VPX背板与所述计算板卡、星间互联板卡和预留槽位的以太网接口连接进行数据交互；
所述星间互联板卡用于传输星间数据和组网协同；
所述VPX背板用于支持所述电源板卡、计算板卡、星内互联板卡、星间互联板卡和预留槽位之间的电气连接和数据交互；
所述预留槽位用于扩展计算和存储功能；
其中，所述星内互联板卡包括两个总线适配器模块和交换模块，所述总线适配器模块与所述交换模块通过以太网的形式实现所述星内互联板卡内部的数据互联；
所述星间互联板卡由FPGA最小系统、网络模块和AD/DA转化模块构成，所述网络模块采用CX6701M芯片，所述AD/DA转化模块采用AD9361芯片。
2.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的天基智能网联装置，其特征在于，所述电源板卡包括熔断器电路、消浪涌电路、EMI滤波电路、DC-DC电路和指令电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的天基智能网联装置，其特征在于，所述计算板卡采用核心板+底板的架构。
4.根据权利要求3所述的一种基于VPX架构的天基智能网联装置，其特征在于，所述核心板集成有处理器芯片和存储器芯片，所述底板为接口板。
5.根据权利要求4所述的一种基于VPX架构的天基智能网联装置，其特征在于，所述底板的接口形式包括USB、调试口和网口。
6.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的天基智能网联装置，其特征在于，所述总线适配器模块采用S698PM芯片，所述交换模块采用BCM5396交换芯片作为核心芯片，采用单片机作为配置芯片，所述单片机配置有SPI接口，所述单片机通过所述SPI接口对BCM5396交换芯片进行寄存器配置。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于VPX架构的天基智能网联装置，其特征在于，所述交换模块配置有7路以太网接口，其中5路以太网接口通过VPX背板与计算板卡、星间互联板卡和3个预留槽位进行连接，其中2路以太网接口作为单机对外接口。
8.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的天基智能网联装置，其特征在于，所述3U标准VPX机箱由前盖板、后盖板、左侧板、右侧板、底板构成。
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