衛(wèi)星SpaceWire鏈路的調(diào)試和驗(yàn)證

編者按：

羅德與施瓦茨致力于提供衛(wèi)星全產(chǎn)業(yè)鏈測試解決方案。其中關(guān)于衛(wèi)星的星載平臺(tái)及相關(guān)測試，我們可以抽象為一張圖。如圖a所示，控制總線是非常重要的組成部分。

圖a：星載平臺(tái)測試圖

SpaceWire是衛(wèi)星特定協(xié)議，可在有效載荷上以及有效載荷與總線系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)高度可靠的星上通信。R&S RTO示波器提供完整的SpaceWire測試方案。該示波器提供業(yè)內(nèi)唯一SpaceWire連續(xù)比特流的SpaceWire觸發(fā)和解碼同步算法。具體的測試架構(gòu)如圖b所示。

圖b：SpaceWire測試架構(gòu)圖

需要特別注意的是SpaceWire的后續(xù)技術(shù)體系為SpaceFibre，可提供更高的數(shù)據(jù)速率，每通道高達(dá)6.25 Gbit/s。R&S RTO示波器亦可提供SpaceFibre測試。

下面分享一篇R&S工程師參與撰寫的技術(shù)論文《衛(wèi)星SpaceWire鏈路的調(diào)試和驗(yàn)證》，詳細(xì)呈現(xiàn)星載平臺(tái)中控制總線測試。本文為部分內(nèi)容，完整版英文原文可點(diǎn)擊下載。

#摘要

本文介紹了使用示波器對SpaceWire通信鏈路進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證的方法。結(jié)合強(qiáng)大的解碼功能討論連續(xù)SpaceWire數(shù)據(jù)流的新觸發(fā)算法。SpW通信數(shù)據(jù)可以很容易地與衛(wèi)星上的功率和數(shù)字事件關(guān)聯(lián)。SpW數(shù)據(jù)和Strobe之間的偏移鏈路運(yùn)行是比較嚴(yán)重的威脅。通過使用多種示波器功能，評估不同鏈路中的鏈路偏移量。此外，還將引入眼圖等合規(guī)測試功能。本文建議針對數(shù)據(jù)信號(hào)使用快速硬件實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘恢復(fù)來創(chuàng)建眼圖。

PART1簡介

在調(diào)試SpaceWire通信鏈路時(shí)，問題可能存在于協(xié)議棧的不同級(jí)別。因此，測試工程師也必須分析不同層級(jí)的通信。確定問題所在并不容易。如果問題看起來在物理層，最常見的分析工具是示波器。

圖1 展示了SpaceWire協(xié)議棧。在大多數(shù)示波器中，無法獲得SpaceWire解碼數(shù)據(jù)，只能獲得轉(zhuǎn)換時(shí)間、脈沖寬度、傳播延遲等。

圖1SpaceWire協(xié)議棧

如果問題不僅存在于物理層，那么調(diào)試任務(wù)就會(huì)變得更加困難。本文介紹了一臺(tái)可以覆蓋物理層以上的示波器因?yàn)槌嘶镜男盘?hào)測量外，它還可以從SpaceWire信號(hào)中提取眼圖、解碼SpaceWire數(shù)據(jù)、并觸發(fā)SpaceWire字符。

PART2 SPACEWIRE觸發(fā)和解碼

解碼測量允許顯示捕獲信號(hào)的邏輯內(nèi)容。與協(xié)議分析器或網(wǎng)絡(luò)儀器不同，示波器只能解碼采集窗口中當(dāng)前捕獲的內(nèi)容。在沒有通信握手信息的情況下，示波器上的解碼器選項(xiàng)必須找到其他方法來識(shí)別數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包。SpaceWire沒有易于識(shí)別的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，因?yàn)閿?shù)據(jù)包不是由規(guī)則的空格分隔的，也不是由特定的數(shù)據(jù)模式標(biāo)記的。羅德與施瓦茨SpaceWire解碼器使用奇偶校驗(yàn)位來對齊數(shù)據(jù)包，并使用了消除算法。為了使該算法工作，在采集窗口的開始需要至少110位無差錯(cuò)數(shù)據(jù)。一旦對齊，解碼器就能夠識(shí)別所有SpaceWire數(shù)據(jù)包類型并將其呈現(xiàn)給用戶。

A圖形顯示

通過精準(zhǔn)的設(shè)備診斷與維護(hù)，施家全新一代空氣斷路器系列產(chǎn)品可幫助大幅提升運(yùn)維效率。

顯示數(shù)據(jù)的一種非常直觀的方式是在相應(yīng)的軌跡上顯示圖形。通過將每個(gè)數(shù)據(jù)包的開始和停止與信號(hào)對齊，用戶可以看到數(shù)據(jù)流中的哪些高/低轉(zhuǎn)換是特定數(shù)據(jù)包的一部分。當(dāng)信號(hào)因信號(hào)劣化或其他錯(cuò)誤（例如毛刺）而顯示錯(cuò)誤時(shí)，這特別有用。

解碼器識(shí)別并標(biāo)記此類錯(cuò)誤。在SpaceWire的情況下， 這通常是奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤。使用縮放功能，用戶現(xiàn)在可以定 位和調(diào)查這些問題。

B結(jié)果表顯示

特別是對于大量數(shù)據(jù)采集，在結(jié)果表中顯示識(shí)別的數(shù)據(jù)包可能會(huì)更有幫助。結(jié)果表列出了所有解碼的數(shù)據(jù)包，包括開始/停止時(shí)間、（錯(cuò)誤）狀態(tài)和值。

對于自動(dòng)化或高級(jí)數(shù)據(jù)處理，可以使用遠(yuǎn)程命令查詢此結(jié)果表，也可以簡單地將表導(dǎo)出為通用文件格式。

C搜索功能

Spacewire有很多小數(shù)據(jù)包。一個(gè)大的捕獲窗口可以很容易地產(chǎn)生數(shù)百個(gè)解碼的數(shù)據(jù)包。使用搜索功能，用戶可以過濾有趣的結(jié)果并忽略其他結(jié)果。

D觸發(fā)器功能

在信號(hào)流中，用戶如何識(shí)別一個(gè)有趣的區(qū)域？例如，某些罕見事件何時(shí)發(fā)生？這些可能是錯(cuò)誤，也可能只是數(shù) 據(jù)傳輸?shù)拈_始或結(jié)束。這就是基于解碼器的觸發(fā)功能有幫助的地方。使用基本的邊緣觸發(fā)，此SpaceWire觸發(fā)功能可以識(shí)別任何總線活動(dòng)，解碼數(shù)據(jù)，然后搜索所需的事件。重復(fù)此過程，直到檢測到至少一個(gè)事件。然后，在觸發(fā)標(biāo)記處顯示本地化事件。圖2顯示了EOP觸發(fā)的一個(gè)示例，它是數(shù)據(jù)包的末尾（剛好在屏幕中心之后）。

圖2 EOP上顯示觸發(fā)器的圖形解碼器顯示器

可能的SpaceWire字符觸發(fā)器有：

? 控制——FCT、EEP、EOP或ANY

? DATA–任何值（相等、不相等或范圍）

? 無效的

? TIMECODE–任何值（相等、不相等或范圍）

? 錯(cuò)誤-奇偶校驗(yàn)或轉(zhuǎn)義錯(cuò)誤

PART3 SPACEWIRE數(shù)據(jù)--選通偏移

SpaceWire在高比特率下的成功運(yùn)行在很大程度上取決于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)選通對之間的偏移。因?yàn)镾paceWire協(xié)議依賴于數(shù)據(jù)和選通信號(hào)的任何2個(gè)邊緣之間的最短時(shí)間 來進(jìn)行正確解碼。為了確保這一點(diǎn)，SpaceWire標(biāo)準(zhǔn)確定在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的整個(gè)路徑上應(yīng)盡量減少偏移，其中包括：

數(shù)據(jù)/選通CMOS生成/傳播（源邏輯）

LVDS驅(qū)動(dòng)器

LVDS驅(qū)動(dòng)器和SpW連接器之間的PCB通路

SpaceWire電纜（和連接器）

SpW連接器和LVDS接收器之間的PCB通路

LVDS接收器

CMOS傳播和目標(biāo)邏輯使用

SpW Rev 1[1]標(biāo)準(zhǔn)的附件1描述了如何進(jìn)行一些“隔離” 測量，如僅驅(qū)動(dòng)器、僅接收器、僅電纜等。只有當(dāng)您可以 訪問所有單獨(dú)的組件/零件時(shí)，才有可能進(jìn)行這些測量。

本文的方法是使用整個(gè)鏈路（驅(qū)動(dòng)器、連接器、電纜 和接收器），以獲得該特定鏈路中的數(shù)據(jù)/選通偏移之和。

為了做到這一點(diǎn)，本節(jié)使用了9種不同的設(shè)備。在這9個(gè)設(shè)備之間的41個(gè)不同點(diǎn)對點(diǎn)鏈接中檢查了偏移。使用不同的電纜長度（1m、1m+1m、1m+2m）連接2個(gè)SpW設(shè)備。

本文比較了SpW DATA和Strobe之間自動(dòng)測量偏移的兩種技術(shù)：

? 1.使用示波器內(nèi)置的SETUP和HOLD測量

? 2.創(chuàng)建一個(gè)MATH函數(shù)，它是DATA和STROBE的XOR。然后在此數(shù)學(xué)函數(shù)上測量高脈沖的持續(xù)時(shí)間。

如圖3所示，在SETUP/HOLD的情況下，時(shí)鐘斜率設(shè)置為“任一”[2]。這樣，示波器測量“時(shí)鐘”轉(zhuǎn)換到“數(shù)據(jù)”上的任意轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間間隔。SETUP首先考慮數(shù)據(jù)更改，HOLD 首先考慮時(shí)鐘更改。如果將SpaceWire數(shù)據(jù)分配給示波器時(shí)鐘或數(shù)據(jù)，則無關(guān)緊要。在這兩種情況下，都將測量STROBE的任何邊到DATA的任何邊之間的時(shí)間距離（反之亦然）。

圖3 SETUP/HOLD測量的范圍設(shè)置

在具有DATA和STROBE的通道之間使用MATH XOR函數(shù)的情況下，可以測量高（正）或低（負(fù)）脈沖，這也指示了DATA和STRUBE邊緣在“任何方向”上的時(shí)間間隔。

在這兩種情況下（SETUP/HOLD和MATH XOR）都啟用了測量統(tǒng)計(jì)，這樣我們就可以檢測到一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的最大值。為了獲得更好的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們等待范圍至少包含10000個(gè)事件。

在圖4中，有Math XOR上的SETUP和HOLD以及正脈沖的測量值。一組用于通道1和2，另一組用于信道3和4。在這一特定案例中，共發(fā)生了11454起事件。

圖4 SKEW相關(guān)測量范圍

T1和T6是LVDS收發(fā)器。如圖5所示，通道1和2有來自T6驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)，通道3和4有來自T1的信號(hào)。它們之間有1 米長的SpaceWire電纜。在這個(gè)例子中，兩次測量都是在T6側(cè)（或靠近T6驅(qū)動(dòng)器/接收器）進(jìn)行的。

圖5 SKEW測量的物理設(shè)置

表I顯示了T6/T1通信對的SETUP/HOLD和MATH XOR結(jié)果，如圖5所示。

表I. SETUP/HOLD和XOR比較

通道1和2的測量偏移約為0.5ns，通道3和4的測量偏移 為0.7ns。對于通道1和2，從“SETUP/HOLD方法”和“MATH XOR方法”獲得的值之間的差異為0.15ns，對于通道3和4，差異為0.28ns。

在表二中，我們可以看到在所有41個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)鏈路上使用的兩種方法之間的比較。該表顯示 了使用SETUP/HOLD和MATH/XOR方法測量的偏移之間的差異。在這種情況下：

?使用了9臺(tái)設(shè)備，所有鏈路均為200Mbps

?測量是在接收器側(cè)進(jìn)行的

?采用不同的電纜長度（1m、1m+1m、1m+2m）進(jìn)行測量

表二 41個(gè)鏈路的偏移接近差異

考慮到測量的所有41個(gè)鏈路，兩種方法之間的最大差值為1m SpW電纜0.4ns，3m SpW電纜0.65ns。

考慮到探頭帶寬，這可以被認(rèn)為很小。因此，我們可以得出結(jié)論，這兩種方法都等效于檢測SpaceWire鏈路中DATA和STROBE之間的SKEW。

PART4 SPACEWIRE眼圖

眼圖對于確定許多高速通信鏈路的質(zhì)量非常重要。SpaceWire在這方面沒有什么不同。除了反映鏈路組件中存在的各種偏移外，眼圖還提供了旭東抖動(dòng)測量的結(jié)果。對于本節(jié)測量：

以不同組合使用的10臺(tái)設(shè)備

使用示波器測量眼圖（自動(dòng)設(shè)置）

測量的眼高（mV）、眼寬（ns）和Q因子

盡可能使用200Mbps。一個(gè)設(shè)備（T4）限制為 100Mbps，另一個(gè)限制為40Mbps

無電纜測量（靠近驅(qū)動(dòng)器和接收器），但也有不同的電纜長度（1m、1m+1m、1m+2m）

圖6顯示了使用3m SpaceWire電纜的兩個(gè)LVDS收發(fā)器T1 之間的SpaceWire 眼圖。

圖6 眼圖——T1至T1，帶3m電纜（在RX側(cè)測量）

表3顯示了3種不同設(shè)置的眼圖測量結(jié)果。

表III. 眼圖結(jié)果——3種設(shè)置中的T1至T1

除了如前所述的眼圖測量外，還可以在眼圖內(nèi)設(shè)置模 板。眼圖模板用于確定信號(hào)是否保持在指定范圍內(nèi)。因此， 可以看到任何違規(guī)行為或確定違規(guī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

PART5 SPW與電流值相關(guān)活動(dòng)

在本節(jié)中，我們使用R&S RT-ZVC02多通道功率探頭測量了2個(gè)不同點(diǎn)的電流。在某些情況下，將信號(hào)和消息與功耗相關(guān)聯(lián)是有用的。該探頭允許我們使用4個(gè)差分模擬探頭并行執(zhí)行2個(gè)電流和2個(gè)電壓測量。

圖7顯示了SpaceWire斷開連接時(shí)，其中根據(jù)協(xié)議狀態(tài) 機(jī)存在“靜默交換”。除了2個(gè)設(shè)備的2個(gè)SpaceWire信號(hào)外，我們還有2個(gè)電流測量值，總共6個(gè)信號(hào)。

在下面的示例中，Z1.I1上的電流從34.6降至31.4mA，Z1.I2上的電流則從11.1降至7.9mA。

圖7 SpW斷開連接時(shí)電流下降

使用ZOOM功能，可以觀察到4個(gè)信號(hào)波形的詳細(xì)信息。還可以在SpaceWire兩側(cè)啟用DECODE，以檢查SpaceWire鏈路初始化期間交換的所有字符，如圖8所示。這是SpW DECODE使用的另一個(gè)很好的例子。

圖8 SpaceWire鏈路初始化

在每側(cè)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，傳輸速率從10 Mbps切換到 200 Mbps。

綜上所述

本文介紹了R&S示波器上SpaceWire的相關(guān)功能。SpaceWire DECODE功能能夠在屏幕上顯示SpaceWire字符， 同時(shí)用戶可以注意過渡時(shí)間和故障等問題。SpaceWire觸 發(fā)功能允許用戶查找特定的數(shù)據(jù)、控制字符或罕見事件 （例如奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤）。 提出并比較了兩種測量SpaceWire 數(shù)據(jù)選通偏移的方法，結(jié)果是等效的。從SpaceWire數(shù)據(jù)和選通信號(hào)中提取了EYE圖，顯示了偏移和抖動(dòng)的組合效應(yīng)。研究了不同電纜長度對SKEW測量和眼圖的影響。 SpaceWire消息（解碼）、SpaceWire信號(hào)（模擬）和功耗之間的相關(guān)聯(lián)也被證明是一個(gè)強(qiáng)大的工具。 將所有這些不同的使用場景放在一起，我們可以得出結(jié)論，示波器適用于調(diào)試與SpaceWire較低層協(xié)議棧相關(guān)的問題。

聯(lián)合作者：

Daniel Lazari, Alexsander Deucher, Angela Santos,Saulo Finco

CITAR Project - CTI

Campinas, Brazil

Armin Horn1, Matthias Beer2, Volker Ohlen2

Rohde & SchwarzTest & Measurement Division

Beaverton, USA1- Munich, Germany2

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。