ASIC1553B IP

周莉，安軍社，謝彥，等

基于ASIC技術(shù)的1553B IP核的設(shè)計

周莉，安軍社，謝彥，等

目的：美國軍用數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1553B（簡稱1553B總線），以其高可靠性和實時性的優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。傳統(tǒng)1553B總線接口設(shè)計存在體積大、功耗大、集成化程度不高等缺點，成為阻礙衛(wèi)星輕小型化發(fā)展的因素之一。大規(guī)模集成電路和中國ASIC技術(shù)的飛速發(fā)展和成熟，使得衛(wèi)星傳統(tǒng)板級功能集成到一個芯片內(nèi)成為可能，因此基于ASIC技術(shù)的1553B IP核是當(dāng)前1553B總線技術(shù)的研究熱點。方法：針對衛(wèi)星常用功能，提出一種面向航天綜合電子的1553B總線協(xié)議ASIC芯片設(shè)計方案，集成了衛(wèi)星常用的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)控制功能，可滿足衛(wèi)星1553B總線功能及常用的CAN，EMI，AD，OC，UART，PWM，PCM，PPC和GPIO功能，對CPU的接口可配置為PCI接口、ISA接口或特別設(shè)計的1553B RT接口。另外，該ASIC芯片內(nèi)嵌一個32位的龍芯CPU，也可以自主訪問上述資源。通過與中國幾款1553B協(xié)議芯片的對比，本ASIC芯片具有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)，性能優(yōu)良，可靠性高，接口豐富，應(yīng)用范圍廣。1553B IP核是ASIC芯片的重要功能部件和設(shè)計重點，采用自頂而下的設(shè)計方法，利用Verilog硬件設(shè)計語言進行編程，實現(xiàn)總線控制器BC和遠程終端RT功能。1553B IP核的設(shè)計參考航天領(lǐng)域常用的DDC公司的1553B協(xié)議芯片BU61580。分別從1553B IP核總體框架、BC/RT共享模塊、BC功能模塊和RT功能模塊詳細介紹了IP核的設(shè)計。IP核功能模塊包括AXI從設(shè)備接口、寄存器/模式使能模塊、BC模塊、RT模塊、RAM仲裁模塊、共享RAM、通道選擇模塊、編碼器模塊、解碼器模塊、計時器等。BC模塊主要由協(xié)議控制模塊、RT發(fā)送模塊、RT接收模塊、RT到RT模塊、廣播模塊、多路選擇器模塊等組成。協(xié)議控制模塊為頂層模塊，完成消息的管理、分析和調(diào)度，各子模塊的入口均依據(jù)該模塊的狀態(tài)，同時該模塊也依據(jù)各子模塊的結(jié)束信號（或超時）作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。RT模塊對解碼器得到的有效命令字進行解析，依據(jù)協(xié)議要求，對各種命令字做出響應(yīng)，包括數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，狀態(tài)字的設(shè)置以及各種方式命令的響應(yīng)等。為應(yīng)對航天環(huán)境的特殊性，ASIC芯片的元件庫級、部件級和版圖級采取了可靠性措施。結(jié)果：ASIC芯片系統(tǒng)仿真由中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所龍芯團隊開展。ASIC芯片經(jīng)過模塊仿真驗證、系統(tǒng)仿真驗證和FPGA驗證，均符合預(yù)期設(shè)計要求。通過DDC的1553B板卡對1553B IP核設(shè)計進行驗證，包括BC功能和RT功能正常通信測試、可靠性設(shè)計測試。正常通信測試包含所有1553B總線消息類型，可靠性設(shè)計測試包括誤碼率測試、錯誤注入和異常事件處理，測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，通信誤碼率小于10－9。結(jié)論：實驗驗證了1553B IP核設(shè)計的可行性和可靠性。將1553B IP核與衛(wèi)星常用數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)控制功能集成到一片ASIC芯片，可大大減少電路面積，降低功耗，提高電路集成度，有利于衛(wèi)星的輕小型化發(fā)展。

來源出版物：空間科學(xué)學(xué)報, 2014, 34(1): 127-136

入選年份：2015

磁尾等離子片中偶極化鋒面的數(shù)值模擬研究

申井然，曹晉濱，呂浩宇，等

摘要：目的：磁尾偶極化現(xiàn)象可以分為兩類：一是在近地等離子體片X＝-10Re附近觀測到的偶極化現(xiàn)象，也稱為噴射剎車，該現(xiàn)象可解釋為高速流在近地磁尾區(qū)域減速而形成的磁場堆積效應(yīng)；二是由高速流地向輸運引起的當(dāng)?shù)卮艌鰞A斜角增大的偶極化，也稱為瞬態(tài)偶極化。這兩種磁場偶極化現(xiàn)象中都伴隨有偶極化鋒面的出現(xiàn)。盡管偶極化鋒面研究已開展得比較多，但仍有許多問題不清楚，包括偶極化鋒面中Bz變化特性的物理機制和原因、偶極化鋒面的空間和時間尺度以及與其相關(guān)的變化參數(shù)等。采用三維數(shù)值模擬方法，通過構(gòu)建三維磁尾爆發(fā)性高速流物理圖像模型，對上述問題進行解釋。方法：對三維非理想可壓磁流體方程組發(fā)展了守恒型TVD（全變差減小）算法。八方程模型磁流體方程組屬于非嚴(yán)格的非凸雙曲型方程組，Powell對該方程進行修正并建立一組新的磁流體方程組。該方程組在形式上是非守恒的，不能直接采用守恒型TVD格式。利用特征系統(tǒng)分析構(gòu)造了守恒型TVD格式。結(jié)果：利用八波模型磁流體方程組對磁尾中高速流引起的偶極化鋒面現(xiàn)象進行模擬研究。構(gòu)建了磁尾中由于瞬態(tài)偶極化機制的模擬方法，該方法由3個步驟組成。（1）采用半經(jīng)驗T96磁場模型給出初始磁場分布。T96模型對近地磁尾中地球磁場進行了很好的處理，但是由于僅給出了磁場分布，沒有提供磁層中等離子體熱壓與密度的分布，因此并非受力平衡模型，即系統(tǒng)中合力密度并非處處為零。基于彈道松弛法，并通過合理的邊界條件和監(jiān)控網(wǎng)格點上合力的變化趨勢，利用理想MHD模擬方法使得系統(tǒng)達到收斂后的平衡態(tài)。（2）模擬了磁層亞暴增長相后期近地磁尾區(qū)域電流片變薄過程。在亞暴增長相期間，電流片變薄，而且薄電流片對觸發(fā)磁層亞暴十分重要。以第一步驟中的平衡態(tài)為初始條件，在模擬區(qū)域南北邊界施加晨昏電場影響，利用所發(fā)展的八波模型磁流體算法進行數(shù)值模擬，獲得變薄的電流片，該過程即為亞暴增長相。外加晨昏電場的目的是對磁尾注入磁通量，從而獲得類似于亞暴增長相后期的磁尾結(jié)構(gòu)。（3）利用上述薄電流片和不同的磁重聯(lián)觸發(fā)機制，形成釋放能量的磁層亞暴恢復(fù)相。磁重聯(lián)采用內(nèi)部自發(fā)重聯(lián)機制，由此產(chǎn)生的地向高速流BBF類型通量管產(chǎn)生偶極化鋒面。內(nèi)部自發(fā)重聯(lián)之前形成的薄電流片采用隨時間變化的晨昏電場驅(qū)動，亞暴觸發(fā)時在磁尾指定區(qū)域給定有限反常電阻，從而觸發(fā)自發(fā)重聯(lián)，誘導(dǎo)產(chǎn)生地向高速流。模擬結(jié)果很好地再現(xiàn)了磁尾中地向高速流BBF類型通量管產(chǎn)生的偶極化鋒面。伴隨著高速流的出現(xiàn)，磁場Bz分量呈非對稱雙極變化結(jié)構(gòu)，即鋒面前減小為負值，在鋒面上急劇增大。當(dāng)Bz增大到極大值后回落并趨于穩(wěn)定。偶極化鋒面上除高速流與磁場Bz分量具有上述特性外，還伴隨有密度減小、溫度增大、熱壓減小以及總壓減小的特征。當(dāng)偶極化鋒面伴隨地向高速流向地球運動，偶極化鋒面上Bz的變化越來越小。結(jié)論：利用三維磁流體數(shù)值模擬再現(xiàn)了磁尾中由于重聯(lián)產(chǎn)生的偶極化鋒面形成過程。偶極化鋒面特性與觀測結(jié)果一致，并給出偶極化鋒面隨地向高速流的傳播特性。研究結(jié)果有助于全面理解偶極化鋒面的產(chǎn)生和物理特性，為觀測結(jié)果提供有力的理論依據(jù)。

來源出版物：空間科學(xué)學(xué)報, 2015, 35(4): 409-414

入選年份：2015