本发明专利技术公开了一种基于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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
—种基于FPGA的动态虚拟信道调度器及其调度方法
本专利技术属于高级在轨系统(AOS:Advanced Orbiting System)
,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造方法。
技术介绍
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。目前没有发现同本专利技术类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
技术实现思路
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，本专利技术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。利用本专利技术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。为了达到上述专利技术目的，本专利技术提供一种基于FPGA (可编程逻辑门阵列，fieldprogrammable gate array)的动态虚拟信道调度器及其调度方法。本专利技术所提供的基于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300万门抗福射级高可靠芯片Virtex II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AMC0-100B系列。本专利技术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。本专利技术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是本专利技术所提供的基于FPGA的动态虚拟信道调度控制器的结构示意图； 图2是本专利技术所提供的基于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】本专利技术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。本专利技术采用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，本专利技术选用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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏文超，张风源，汪雪峰，
申请(专利权)人：上海航天测控通信研究所，
类型：发明
国别省市：
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