CN104182304A - 通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机*** - Google Patents

通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机*** Download PDF

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龚超
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Abstract

本发明公开了一种通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***，用于解决现有两模冗余微小卫星星载计算机***可靠性差的技术问题。技术方案是***由主控计算机模块、冗余控制模块、数据存储模块、总线调度模块、电源模块和外部接口组成。数据存储模块确保重要数据不被丢失，冗余控制模块协调主控计算机MCU工作，使***运行在低功耗、冷热备份、抗辐射三种工作模式。***处于低功耗模式时，主要运算以及控制指令由低功耗微处理器完成，有效降低了***功耗；***冷热备份模式兼顾低功耗与高可靠性。相比于两模冗余计算机***，最大限度的消除计算机***单点故障，提高了***的可靠性。

Description

通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***
技术领域
本发明涉及一种皮/纳卫星星载计算机***，特别是涉及一种通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***。
背景技术
皮/纳卫星是指重量为公斤级的微小卫星。皮/纳卫星较多采用微机电***技术及其多重集成技术，相较大卫星具有成本低廉、制造和发射周期短、应急反应快等优势，在通信、对地遥感、行星际探测、科学研究和技术试验等领域有广泛应用。
星载计算机***是计算机技术在空间环境下的应用，负责完成空间飞行器的控制和数据处理任务。由于空间环境的恶劣条件，从而对星载计算机***在性能、可靠性和成本上提出了巨大的挑战。设计一个高速可靠的星载数据处理***对于宇宙科学探索及完成预定科学任务具有重大意义。
皮/纳卫星在质量、体积、功耗等方面有着严格的限制，其功能相对单一，在满足性能的前提下，低功耗、高可靠性成为皮/纳卫星星载计算机***追求的目标。应用于皮/纳卫星的星载计算机***主要有单处理器结构、双处理器结构和三模冗余结构。
参照图7。文献“X.Wang,H.Sun,"The new fault tolerant onboard computer formicrosatellite missions",The Journal of China Universities of Posts andTelecommunications,vol.13,no.1,pp.6-9,2006.”公开了一种两模冗余微小卫星星载计算机***。该***为星载双处理器结构，包括主控计算机模块、冗余控制模块、I/O模块、冗余CAN总线和外部接口。所述冗余控制模块协调主控计算机两个CPU的工作模式，CPU通过冗余CAN总线经I/O模块与外部接口相连。该***工作在单机或双机模式，缺少三模冗余的工作模式，不能有效适应复杂的空间环境。
发明内容
为了克服现有两模冗余微小卫星星载计算机***可靠性差的不足，本发明提供一种通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***。该***包括主控计算机模块、冗余控制模块、数据存储模块、总线调度模块、电源模块和外部接口。所述主控计算机模块为通用的三模冗余架构，三片同构的微处理器MCU在冗余控制模块的协调下完成数据处理以及对外部接口的控制，所述冗余控制模块选择MCU工作模式，并执行***故障恢复和降级策略，所述数据存储模块由三片级联的FLASH存储器构成，所述总线调度模块协调***与外部的电源和数据总线接口。所述电源模块采用数字与模拟电路分离供电设计，所述外部接口包括采样接口、I2C总线接口、RS232接口、1-Wire单总线接口以及使能信号接口。相比于两模冗余计算机***的两种工作模式，本***可以工作在低功耗、冷热备份或抗辐射三种工作模式。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***，包括主控计算机模块、冗余控制模块和外部接口，其特点是还包括数据存储模块、总线调度模块和电源模块。
主控计算机模块由三片同构的低功耗MCU及其***电路组成，负责皮/纳卫星的控制和数据处理。三片MCU按照预先设定的工作模式运行，获得***I2C/1-Wire总线控制权以及串口发送权的MCU负责通过总线调度模块向外部接口发送数据和控制指令；获得并行总线控制权的MCU负责读取和写入数据存储模块数据。
冗余控制模块由基于FLASH存储器的抗辐射型FPGA及其***电路组成，***工作在低功耗模式和冷热备份模式时，冗余控制FPGA监听MCU工作状态；***工作在抗辐射模式时，冗余控制FPGA对主控计算机模块三个同构微处理器的运算结果进行冗余判定。冗余控制模块与主控计算机模块之间采用SPI总线以及GPIO接口实现数据以及中断传递。
数据存储模块由三片级联的FLASH存储器及其***电路组成，实现数据的三模冗余存储。三片FLASH存储器与主控计算机模块通过并行总线相连。***运行数据以相同格式存储在三片FLASH存储器中，微处理器读取数据时进行三取二处理。
总线调度模块负责协调***与外部接口的电源和数据总线。电源总线连接到***电源模块，外部接口的数据总线经过电平转换或上拉处理后与主控计算机模块相连。星载计算机***对外提供10路模拟电压采样接口、两路I2C总线接口、两路RS232串行接口、两路1-Wire单总线接口以及多路电压使能信号接口。
电源模块采用数字电路与模拟电路分离供电，其中***主要供电由高效的降压DC-DC转换器提供，***内部模拟电路供电由升压DC-DC转换器和后继低压降稳压器级联方式提供。
低功耗模式时，只有一片MCU工作，负责卫星所有的控制以及数据处理任务，并设有多种低功耗工作模式，保证***低功耗运行。
冷热备份模式时，一片MCU为主处理器处于工作状态，另一片MCU为备份处理器。FPGA监听***运行状态，当主处理器MCU出现故障时，将***切换到备份处理器MCU继续工作。
抗辐射模式时，三片MCU同时工作，FPGA对三个同构微处理器的运算结果进行冗余判定，当检测到某个微处理器出现故障时，执行相应故障恢复或***降级策略。
本发明的有益效果是：该***由主控计算机模块、冗余控制模块、数据存储模块、总线调度模块、电源模块和外部接口组成。所述数据存储模块确保重要数据不被丢失，所述电源模块在提升***整体供电效率的同时保证了模拟参考电压的有效精度。所述冗余控制模块协调主控计算机MCU工作，使***运行在低功耗、冷热备份、抗辐射三种工作模式。***处于低功耗模式时，主要运算以及控制指令由低功耗微处理器完成，有效降低了***功耗；***冷热备份模式兼顾低功耗与高可靠性。相比于两模冗余计算机***，通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***增加的抗辐射模式利用三模冗余多通道设计确保在计算机出现故障时迅速切换，最大限度的消除计算机***单点故障，提高了***的可靠性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***框图。
图2是本发明通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***三模冗余模式操作流程图。
图3是本发明通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***中***故障恢复与降级重构策略。
图4是本发明通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***中微处理器与FPGA连接示意图。
图5是图1中数据存储模块级联结构示意图。
图6是图1中电源模块的结构框图。
图7是背景技术两模冗余微小卫星星载计算机***框图。
具体实施方式
参照图1－6。本发明通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***包括主控计算机模块、冗余控制模块、数据存储模块、总线调度模块、电源模块和外部接口。
主控计算机模块由三片同构的MSP430系列MCU组成，该系列MCU具有多种低功耗工作模式。采用通用的三模冗余架构设计，三片微处理器与外部连接方式完全一致。工作在抗辐射模式时，三片微处理器同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决***的正确输出，三片微处理器中只要不同时出现两个相同的错误，就能掩蔽掉故障模块的错误，保证***正确的输出。由于三片微处理器是互相独立的，两个模块同时出现错误是极小概率事件，故可以大大提高***的可靠性。
采用DSP的多模冗余计算机***利用FPGA实现与外部接口扩展，处理器只执行相应数据运算任务，FPGA内部逻辑大量增加了***功耗。星载计算机***的主要运算、通信以及控制指令均由低功耗微处理器完成，并设有多种低功耗工作模式，有效降低了***功耗，适应皮/纳卫星的要求。
星载计算机***的工作模式选择由FPGA完成。***根据不同的任务要求，FPGA向各MCU中写入工作模式配置指令，通过FPGA与MCU的不同组合方式，实现***低功耗、冷热备份、抗辐射三种工作模式。
1.低功耗模式。***选取一片MCU作为主处理器，将其总线接口配置为主机模式，然后切断另外两片MCU电源，FPGA自身进入休眠状态。此时***只有主MCU处于工作状态，完成***所有运算控制任务。
2.冷热备份模式。***选取一片MCU作为主处理器，选取另一片MCU作为备用处理器。主处理器拥有总线控制权限，并运行***程序，备用处理器处于待机状态。FPGA监听主处理器工作状态，数次请求没有响应则认为主处理器出现故障，***将总线控制权切换到备用处理器继续运行。
3.抗辐射模式。***工作在抗辐射模式，三片微处理器同时接收外部接口数据，根据接收数据的类型完成相应运算操作，然后将运算结果通过总线传递到冗余控制模块。FPGA根据指针寄存器的值判断计算机***现在所进行的操作，进行三取二表决并指示主处理器完成控制操作或输出正确数据。冗余控制模块设有8位指针寄存器，最多指向256种不同的操作，充分适应于皮/纳卫星的任务要求。
***工作在抗辐射模式，冗余控制模块同时执行***故障恢复和降级策略。星载计算机***处于空间辐照环境中，可能会受到单粒子翻转的影响而出错。本发明采用高可靠的三模冗余架构，利用多通道设计确保在计算机出现故障时迅速切换，最大限度的消除计算机***单点故障。冗余控制模块在对微处理器的计算结果判决的同时记录下各微处理器出现错误的次数。连续的错误被认为微处理器出现故障，冗余控制FPGA将对该微处理器执行复位操作。如复位操作依然不能让***正常工作，冗余控制模块将执行***降级重构策略，进入双机或单机模式。
主控计算机模块各微处理器与冗余控制模块FPGA分别通过8位数据/控制总线相连。其中包括4位SPI(Serial Peripheral Interface)串行总线以及4位GPIO(GeneralPurpose Input Output)接口。SPI总线接口采用4条线：串行时钟线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择NSS。4位GPIO口包括复位、中断、以及备用接口。
三片FLASH存储器以级联的方式构成数据存储模块。主控计算机模块微处理器与数据存储模块FLASH存储芯片通过17位并行数据/控制总线相连。包括3位片选信号，6位控制信号以及8位数据信号。各微处理器可以通过片选控制任意一片存储器，三片存储器也能被任意一片微处理器访问。数据存储过程由主处理器将***重要数据分别存入三片存储器中，数据读取过程各处理器根据存储器访问权限依次读取数据，任意时刻只有一片微处理器拥有存储器访问权限，没有访问权限的微处理器将自身相应总线接口设为高阻输入状态。为提高***的可靠性，微处理器将从三片存取器中取得到的数据进三取二处理，确保读取数据的正确性。
总线调度模块负责协调主控计算机模块与外部接口的数据交换。星载计算机***对外提供三种通信协议：I2C总线协议、UART通用串口协议、1-Wire单总线协议。I2C总线采用两线制传输协议，各挂载到总线上的设备拥有独立的7位地址，主机通过这些地址找到从设备，并传输数据。单总线采用一线制传输协议，从设备(通常为温度传感器)通过一根数据总线与计算机相连，通过规定时间片内总线上电平的变化传递数据。星载计算机***提供两路全双工异步串行通信接口(UART)，支持多种通信模式。UART经过电平转换芯片后与RS232电平兼容。
星载计算机***承担了皮/纳卫星温度检测，太阳能帆板电压检测等模拟量测量任务，模数转换过程为了到达所需精度，对模拟参考电压噪声有着严格要求。微处理器内部集成12位数模转换模块，根据公式：
有效分辨率位数＝Log2(满量程输入电压/ADC-RMS噪声)
ADC参考电压RMS值要达到0.5mV。DCDC普遍达不到标准，本发明通过级联一级LDO之后***RMS达到0.033mV，满足***ADC12位有效分辨率的要求。
电源模块采用数字模拟分离的供电电路，既保证了***整体的电源转换效率，又为模数转换提供低噪声的参考电压。***整体供电采用降压DC-DC转换芯片，保证高供电效率；升压DC-DC转换器后接低压降稳压器的级联方式设计将模数转换的参考电压噪声干扰降到最低，保证模数转换的有效分辨率位数；***遵循数模混合信号电路设计标准，数字地与模拟地分离。
星载计算机***为内部信息链路为：太阳能帆板的模拟电压经外部接口直接引入微处理器内部的AD转换模块。主控计算机作为I2C总线主机，其他分***如通信、电源、MEMS微推进作为从机挂载到总线上。主控计算机输出UART通用串口，经电平转换后与姿轨控分***RS232电平兼容。***调试以及程序下载采用JTAG接口。
星载计算机***内部主要信息流向为：来自电源***的电压数据和来自姿轨控***的姿态数据经主控计算机***处理、计算后转发给通信模块；计算机模块根据通信模块发来的指令控制GNC模块完成姿态调整。
为了提高皮/纳卫星***的可靠性，在设计星载计算机***时要考虑到***的降额要求。由于太空环境的复杂性和皮/纳卫星的维修难度，皮/纳卫星的降额等级为Ⅰ级降额，失效后将不能维修。所选微处理器的实际工作主频要小于最高工作主频的一半，所作FPGA设计要留有足够的时序余量。所选电容、电阻等要考虑降额因子，操作温度、性能、功耗等要满足皮/纳卫星工作要求。
为了进一步提高星载计算机***的可靠性，完成***的制造后将对冗余控制模块以及主控计算机模块加装屏蔽罩。另外，皮/纳卫星的蒙皮也可对空间辐射起到一定的屏蔽作用。

Claims (1)

1.一种通用多模冗余皮/纳卫星星载计算机***，包括主控计算机模块、冗余控制模块和外部接口，其特征在于：还包括数据存储模块、总线调度模块和电源模块；
主控计算机模块由三片同构的低功耗MCU及其***电路组成，负责皮/纳卫星的控制和数据处理；三片MCU按照预先设定的工作模式运行，获得***I2C/1-Wire总线控制权以及串口发送权的MCU负责通过总线调度模块向外部接口发送数据和控制指令；获得并行总线控制权的MCU负责读取和写入数据存储模块数据；
冗余控制模块由基于FLASH存储器的抗辐射型FPGA及其***电路组成，***工作在低功耗模式和冷热备份模式时，冗余控制FPGA监听MCU工作状态；***工作在抗辐射模式时，冗余控制FPGA对主控计算机模块三个同构微处理器的运算结果进行冗余判定；冗余控制模块与主控计算机模块之间采用SPI总线以及GPIO接口实现数据以及中断传递；
数据存储模块由三片级联的FLASH存储器及其***电路组成，实现数据的三模冗余存储；三片FLASH存储器与主控计算机模块通过并行总线相连；***运行数据以相同格式存储在三片FLASH存储器中，微处理器读取数据时进行三取二处理；
总线调度模块负责协调***与外部接口的电源和数据总线；电源总线连接到***电源模块，外部接口的数据总线经过电平转换或上拉处理后与主控计算机模块相连；星载计算机***对外提供10路模拟电压采样接口、两路I2C总线接口、两路RS232串行接口、两路1-Wire单总线接口以及多路电压使能信号接口；
电源模块采用数字电路与模拟电路分离供电，其中***主要供电由高效的降压DC-DC转换器提供，***内部模拟电路供电由升压DC-DC转换器和后继低压降稳压器级联方式提供；
低功耗模式时，只有一片MCU工作，负责卫星所有的控制以及数据处理任务，并设有多种低功耗工作模式，保证***低功耗运行；
冷热备份模式时，一片MCU为主处理器处于工作状态，另一片MCU为备份处理器；FPGA监听***运行状态，当主处理器MCU出现故障时，将***切换到备份处理器MCU继续工作；
抗辐射模式时，三片MCU同时工作，FPGA对三个同构微处理器的运算结果进行冗余判定，当检测到某个微处理器出现故障时，执行相应故障恢复或***降级策略。
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