CN112445748A - 一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机 - Google Patents
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Abstract
一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,由国产高可靠的核心主控单元、可编程逻辑单元、存储单元、供电单元、接口单元和监控单元组成。主控单元基于SPARC V8体系结构,执行数据处理和任务调度;可编程逻辑单元由主控单元控制,用于灵活的可编程配置;存储单元挂载在主控单元上,负责对代码和数据的存储;供电单元实现电源保护以及电平转换,用于满足整个***的供电需求;接口单元由主控单元和可编程逻辑单元的接口及***电路组成,实现与星上其他分***和载荷的通信;监控单元监测***电压、电流、温度并反馈给主控单元。本发明面向微纳卫星应用,与传统星上计算机相比,采用国产可控器件,具有可靠性高、体积小、功耗低、灵活性佳等优点。
Description
技术领域
本发明属于微小卫星平台设计领域,涉及一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机。
背景技术
随着空间技术的发展和成熟,对卫星的体积重量、研制成本、性能及功能密度都提出了更高的要求。而微纳卫星正是应这些要求而生,实现了小体积。低成本和高功能密度等要求,同时与传统卫星相比,缩短了研发周期,成为航天领域新的研究热点,受到行业内专业机构的关注与重视。星务计算机是微纳卫星不可或缺的***成员,它负责星上分***统一的管理和调度、数据汇总与分流、故障监测及处理等,是微纳卫星平台架构中的核心***。
星务计算机核心器件通常采用流通性较大的商业或工业器件,现有使用比较广泛的有ST、TI、NXP等公司的处理器,其中ARM架构的处理器占很大的比重:通用的可编程逻辑则一般出自XILINX等公司。由此可见,处理器和可编程逻辑等核心器件的国外厂商数量众多,且已经抢占了相当程度的市场份额,核心器件在种类和数量上都与国外有一定的差距,对架构中核心器件的国产化需求迫切。
同时随着微纳卫星技术的持续发展,微纳卫星的任务和功能也更加复杂,对星务计算机整体架构提出更高要求,在可靠性、体积、成本以及功耗等方面也愈发严苛。核心器件也必须紧随发展趋势,在各项指标上都有所提升和推进,满足新一代微纳卫星的研制需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,支持多种总线协议以及接口,具有很好的灵活性以及通用性。
本发明的技术解决方案是:
一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,包括主控单元、可编程逻辑单元、存储单元、供电单元、接口单元和监控单元;
主控单元基于32位国产可控微处理器,进行数据的处理和任务的调度,负责发送控制指令和数据获取指令,以及对接收数据的解析及处理;
可编程逻辑单元基于第二代ASMBL列式结构,提供先进的高性能逻辑架构,与主控单元相连,用于灵活的逻辑配置;
存储单元由ROM与RAM组成,挂载在主控单元的地址空间上,负责实现代码及数据的存储;
供电单元实现电源保护以及电平转换,提供稳定的电参数,用于满足整个星务计算机的供电需求;
接口单元由主控单元和可编程逻辑单元的接口及***电路组成,接口单元提供了丰富的接口类型,实现与星上各个分***及载荷之间的通信及数据交互;
监控单元用于监测星载计算机的电压、电流和温度参数,并反馈回主控单元。
主控单元基于32位国产可控微处理器,所述32位国产可控微处理器采用SPARC V8体系结构;主控单元解析并处理来自星务计算机内部设备的数据以及通过接口单元接收的星上各个分***及载荷的数据,产生控制指令,发送给星上分***及载荷,实现与星上分***及载荷之间的数据交互;主控单元通过AD转换模块采集监控单元的数据,计算并转换得到星务计算机的工作电压、电流及温度,当上述参数存在异常时,主控单元向星上电源分***发送控制指令,使星务计算机断电复位。
所述32位国产可控微处理器,抗辐射指标为:抗总剂量≥1x103 Gy(Si),单粒子锁定阈值≥75Mev·cm2/mg,在空间应用中具有高可靠性;内核支持***级容错,片上存储器及外部存储器控制器均支持EDAC功能,保证了运算和数据的可靠性;内核具备符合IEEE754标准的32/64位浮点处理单元,配置有独立的指令Cache和数据Cache,最大工作频率可达300MHZ,用于实现高性能处理。
可编程逻辑单元通过控制线、地址线和数据线与主控单元相连,挂载在主控单元的地址空间上,由主控单元作为主设备对其进行控制和操作;可编程逻辑单元能够填补星务计算机对接口种类及数量的需求缺口,接口单元中可编程逻辑单元的接口及***电路部分,通过可编程逻辑单元与主控单元进行交互;可编程逻辑单元还与主控单元的外部中断相连,通过可编程逻辑单元的内部逻辑,实现中断拓展。
存储单元包括微处理器内部存储、外挂FLASH和外挂DDR;
其中,微处理器内部存储占用微处理器内部存储器地址空间,外挂FLASH占用微处理器外部存储器地址空间,外挂DDR占用微处理器DDR地址空间;存储单元用于负责代码的运行、存储以及数据的缓存、存储。
供电单元包括电源保护电路和多通道DC/DC模块;电源保护电路在输入端串联PPTC电阻,实现过流保护;在多通道DC/DC模块的前端和地之间连接TVS管,利用TVS管的反向导通和钳卫电压特性实现电源的过压保护;多通道DC/DC模块依据星务计算机供电要求,一次性将输入的5V转换为3.3V、2.5V、1.8V、1.2V、1.0V,供星务计算机使用。
接口单元通过主控单元SPI接口、SPI与CAN转换的***电路,实现与星上姿轨控分***间的数据通信;通过主控单元UART接口和***RS422芯片实现与星上接收机分***间数据通信;通过主控单元I2C接口实现与载荷的通信;主控单元I2C接口***设计有I2C总线缓冲器,隔离I2C总线上器件间的电容,增加I2C总线的带载能力;
通过可编程逻辑单元内嵌IP软核支持SPI通信协议,外接***连接器实现与外部设备的数据通信;采用可编程逻辑单元内嵌IP软核支持SPI通信协议,外接SPI接口AD实现AD数据采集。
监控单元包括电压跟随器、电流监测放大器和温度传感器,监测星务计算机的电压、电流及工作温度;
电压跟随器对供电单元提供的电压进行隔离后经AD转换模块传输给可编程逻辑单元,再由可编程逻辑单元传输给主控单元,主控单元通过计算得到星务计算机工作电压;
电流监测放大器检测星务计算机的电流,以电压形式经AD转换模块传输给可编程逻辑单元,再由可编程逻辑单元传输给主控单元,主控单元通过计算得到星务计算机工作电流;
温度传感器测量星务计算机的温度,通过I2C总线输入给主控单元,主控单元通过计算得到星务计算机工作温度。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明中的核心器件采用国产器件,自主可控,提高了***整体的国产化程度,摆脱国外的技术制约;
(2)本发明中的核心器件具有高可靠特性,能够抵抗空间恶劣环境因素的影响,满足抗辐射指标。
(3)本发明所设计的星务计算机架构支持多种总线协议以及接口,具有很好的灵活性以及通用性。
附图说明
图1为本发明的***架构框图;
图2为本发明的主控单元原理框图;
图3为本发明的可编程逻辑单元原理框图;
图4为本发明的存储单元原理框图;
图5为本发明的供电单元原理框图;
图6为本发明的接口模块原理框图;
图7为本发明的监控单元原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明提供了一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,如图1所示,其主要包括主控单元、可编程逻辑单元、存储单元、供电单元、接口单元和监控单元。本发明中的主控单元及可编程逻辑单元均基于国产可控器件,并且具有抗辐特性,保证了***的高可靠性,星务计算机具备存储***以及丰富的外设接口。
其中,主控单元基于SPARC V8体系结构,执行数据处理和任务调度。可编程逻辑单元由主控单元控制,用于灵活的可编程配置。存储单元挂载在主控单元上,负责对代码和数据的存储。供电单元实现电源保护以及电平转换,用于满足整个***的供电需求。接口单元由主控单元和可编程逻辑单元的接口及***电路组成,实现与星上其他***的通信。监控单元监测***电压、电流、温度并反馈给核主控单元。
(1)主控单元
如图2所示,主控单元基于SPARC V8体系结构的32位高性能抗辐射微处理器实现;主要负责指令、数据传输和处理,通过控制总线控制与之相连的可编程逻辑单元、存储单元等,完成星上多任务调度、姿态确定与控制、通信、故障诊断等。主控单元获取并处理来自***内部设备及接口单元的数据,产生并发送控制指令,实现与星上分***间的数据交互。主控单元通过AD转换模块采集监控单元的数据,计算并转换得到星务计算机的工作电压、电流及温度;当参数存在异常时,主控单元将发送控制指令,使星务计算机断电复位。
32位国产可控微处理器,抗辐射指标为:抗总剂量≥1x103 Gy(Si),单粒子锁定(SEL)阈值≥75Mev·cm2/mg,在空间应用中具有高可靠性;内核支持***级容错,片上存储器及外部存储器控制器均支持EDAC功能,保证了运算和数据的可靠性;内核具备符合IEEE754标准的32/64位浮点处理单元(FPU),配置有独立的指令Cache和数据Cache,最大工作频率可达300MHZ,用于实现高性能处理。
(2)可编程逻辑单元
可编程逻辑单元采用第二代ASMBL列式架构,除了先进的高性能逻辑架构,还包含多种硬IP***级模块,包括强大的36Kb Block RAM/FIFO、第二代25x18DSP Slice、带有内置数控阻抗的SelectIO技术、ChipSync源同步接口模块、***监视器功能、带有集成DCM(数字时钟管理器)和锁相环(PLL)时钟发生器的增强型时钟管理模块以及高级配置选项。
如图3所示,可编程逻辑单元通过控制线、地址线和数据线与主控单元相连,挂载在主控单元的地址空间上,作为从属设备受到主控单元的控制;部分接口数据通过可编程逻辑单元的接口与主控单元进行交互,同时外部的部分中断也通过可编程逻辑单元接入主控单元,而且可编程逻辑单元内部还可实现中断的拓展。
(3)存储单元
如图4所示,微处理器内部存储、外挂FLASH、外挂DDR一同构成星务计算机的存储单元。微处理器内部存储占用微处理器内部存储器地址空间,外挂FLASH占用微处理器外部存储器地址空间,外挂DDR占用微处理器DDR地址空间。其中,微处理器内部存储及外挂DDR属于数据掉电丢失的存储体,故用于代码的运行或者数据的缓存;外挂FLASH属于数据掉电不丢失的存储体,可用于代码的运行和数据的缓存,也可用于代码的存储及有效数据的存储。
(4)供电单元
如图5所示,供电单元主要包括电源保护以及DC\DC转换等。电源保护电路主要包括过流和过压保护。通过评估星载计算机正常工作电流大小选用合适的PPTC电阻阻值实现过流保护功能,该电路可以有效避免由于短路、单粒子效益等原因引起电流过大。此外,通过设计TVS管反向导通和钳位电压的特性,实现电源的过压保护功能。
TVS管的反向导通和钳位电压大于输入电压的20%-30%,流过PPTC电阻的电流应小于TVS管的击穿电流。
此外,本发明中,主控单元和可编程逻辑单元均占用星务计算机较多的功耗且需要多种电压供电,要求多通道DC/DC模块的有具备足够多的供电转换路数及强大的电流供应能力,故多通道DC/DC模块选用2片具有可配置输出阵列的4通道DC/DC稳压器,经过一次转换,便可将输入的5V直流电压转换为所需的各个电压(3.3V,2.5V,1.8V,1.2V,1.0V);且该稳压器每路可提供高达4A的电流,通过并联路数,供电电流可继续提高,为星务计算机正常启动与运行提供了保障。多通道DC/DC模块的设计,保证了供电的转换效率及性能。
(5)接口单元
如图6所示,接口单元按需支持多种总线协议及接口扩展;其实现原理如下:
主控单元本身具有丰富的外设接口,同时可编辑逻辑单元具有可重构特性,为星务计算机***提供了多样的选择且具备很高的灵活性。不同的数据经过规定的接口在星务计算机***内流通,主控单元对***进行整体的控制和管理,所设计的星务计算机***具有很好的灵活性与通用性。
在本发明中,所设计的星务计算机与姿轨控分***、接收机分***、载荷等外部***及外部设备进行通信,因此,本发明设计如下:1)基于主控单元SPI接口,结合外接SPI接口CAN控制器及CAN收发器(SPI与CAN转换的***电路),实现与星上姿轨控***间通信;2)基于主控单元UART接口,结合***RS422芯片,实现与星上接收机***间通信;3)基于主控单元I2C接口,外接I2C总线缓冲器,用于隔离I2C总线上器件间的电容,增加I2C总线的带载能力,实现与载荷的通信;4)基于可编程逻辑单元内嵌IP软核支持SPI通信协议,外接***连接器实现与外部设备通信;5)基于可编程逻辑单元内嵌IP软核支持SPI通信协议,外接SPI接口AD,实现AD数据采集。
(6)监控单元
如图7所示,监控单元监测星务计算机的电压、电流以及工作温度,并将结果反馈给主控,主控单元对异常情况做出判断和反应。本发明中电压监测采用电源分压,利用电压跟随器隔离后,将供电单元提供的电压值输入至AD器件,AD器件将数据传输至可编程逻辑单元,再传送至主控单元进行转换,主控单元通过计算即可得到输入电源电压测量值。具体计算方法有:
VS S=VADCV×Vs/4096
其中,VS S为供电单元提供的电压值,VADCV为电压ADC采样值,Vs为供电单元提供的电压理论值。
将测量值VS S与供电单元提供的电压理论值5.0V比较,当其高于或低于一定阈值时则认为工作电压异常,主控单元将发出相应控制指令,采取断电等相应措施。
本发明中工作电流监测选用精密高边电流监测放大器芯片,放大器芯片检测星务计算机的电流,将结果以电压形式输入至AD器件,AD器件将数据传输至可编程逻辑单元,再将数据传输至主控单元进行转换,主控单元通过计得到星务计算机的工作电流。具体计算方法有:
依据星务计算机应用需求设计放大电路,放大器芯片的输出电压VOUT值计算如下:
VOUT=(Gm)x(RsensexILOAD)
其中,ILOAD为星务计算机的电流;Gm=20V/V;Rsense=150mΩ。
VOUT经过ADC采样后得到采样值VADCS,主控单元依据采样值VADCS可计算得到VOUT从而推算得到工作电流。当工作电流ILOAD大于阈值时,可能存在短路等异常情况,主控单元将采取故障诊断及应对措施。
本发明中工作温度监测基于温度传感器实现。依据星务计算机的工作温度范围以及监测精度要求选用合适温度传感器。温度传感器将测量得到的板上温度结果通过主控单元的I2C接口输入至主控单元,主控单元通过读取总线数据并计算得到当前星务计算机板载温度。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (8)
1.一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,其特征在于:包括主控单元、可编程逻辑单元、存储单元、供电单元、接口单元和监控单元;
主控单元基于32位国产可控微处理器,进行数据的处理和任务的调度,负责发送控制指令和数据获取指令,以及对接收数据的解析及处理;
可编程逻辑单元基于第二代ASMBL列式结构,提供先进的高性能逻辑架构,与主控单元相连,用于灵活的逻辑配置;
存储单元由ROM与RAM组成,挂载在主控单元的地址空间上,负责实现代码及数据的存储;
供电单元实现电源保护以及电平转换,提供稳定的电参数,用于满足整个星务计算机的供电需求;
接口单元由主控单元和可编程逻辑单元的接口及***电路组成,接口单元提供了丰富的接口类型,实现与星上各个分***及载荷之间的通信及数据交互;
监控单元用于监测星载计算机的电压、电流和温度参数,并反馈回主控单元。
2.根据权利要求1所述的一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,其特征在于:主控单元基于32位国产可控微处理器,所述32位国产可控微处理器采用SPARC V8体系结构;主控单元解析并处理来自星务计算机内部设备的数据以及通过接口单元接收的星上各个分***及载荷的数据,产生控制指令,发送给星上分***及载荷,实现与星上分***及载荷之间的数据交互;主控单元通过AD转换模块采集监控单元的数据,计算并转换得到星务计算机的工作电压、电流及温度,当上述参数存在异常时,主控单元向星上电源分***发送控制指令,使星务计算机断电复位。
3.根据权利要求2所述的一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,其特征在于:所述32位国产可控微处理器,抗辐射指标为:抗总剂量≥1x103 Gy(Si),单粒子锁定阈值≥75Mev·cm2/mg,在空间应用中具有高可靠性;内核支持***级容错,片上存储器及外部存储器控制器均支持EDAC功能,保证了运算和数据的可靠性;内核具备符合IEEE754标准的32/64位浮点处理单元,配置有独立的指令Cache和数据Cache,最大工作频率可达300MHZ,用于实现高性能处理。
4.根据权利要求1所述的一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,其特征在于:可编程逻辑单元通过控制线、地址线和数据线与主控单元相连,挂载在主控单元的地址空间上,由主控单元作为主设备对其进行控制和操作;可编程逻辑单元能够填补星务计算机对接口种类及数量的需求缺口,接口单元中可编程逻辑单元的接口及***电路部分,通过可编程逻辑单元与主控单元进行交互;可编程逻辑单元还与主控单元的外部中断相连,通过可编程逻辑单元的内部逻辑,实现中断拓展。
5.根据权利要求1所述的一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,其特征在于:存储单元包括微处理器内部存储、外挂FLASH和外挂DDR;
其中,微处理器内部存储占用微处理器内部存储器地址空间,外挂FLASH占用微处理器外部存储器地址空间,外挂DDR占用微处理器DDR地址空间;存储单元用于负责代码的运行、存储以及数据的缓存、存储。
6.根据权利要求1所述的一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,其特征在于:供电单元包括电源保护电路和多通道DC/DC模块;电源保护电路在输入端串联PPTC电阻,实现过流保护;在多通道DC/DC模块的前端和地之间连接TVS管,利用TVS管的反向导通和钳卫电压特性实现电源的过压保护;多通道DC/DC模块依据星务计算机供电要求,一次性将输入的5V转换为3.3V、2.5V、1.8V、1.2V、1.0V,供星务计算机使用。
7.根据权利要求1所述的一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,其特征在于:
接口单元通过主控单元SPI接口、SPI与CAN转换的***电路,实现与星上姿轨控分***间的数据通信;通过主控单元UART接口和***RS422芯片实现与星上接收机分***间数据通信;通过主控单元I2C接口实现与载荷的通信;主控单元I2C接口***设计有I2C总线缓冲器,隔离I2C总线上器件间的电容,增加I2C总线的带载能力;
通过可编程逻辑单元内嵌IP软核支持SPI通信协议,外接***连接器实现与外部设备的数据通信;采用可编程逻辑单元内嵌IP软核支持SPI通信协议,外接SPI接口AD实现AD数据采集。
8.根据权利要求1所述的一种面向微纳卫星的国产可控高可靠星务计算机,其特征在于:
监控单元包括电压跟随器、电流监测放大器和温度传感器,监测星务计算机的电压、电流及工作温度;
电压跟随器对供电单元提供的电压进行隔离后经AD转换模块传输给可编程逻辑单元,再由可编程逻辑单元传输给主控单元,主控单元通过计算得到星务计算机工作电压;
电流监测放大器检测星务计算机的电流,以电压形式经AD转换模块传输给可编程逻辑单元,再由可编程逻辑单元传输给主控单元,主控单元通过计算得到星务计算机工作电流;
温度传感器测量星务计算机的温度,通过I2C总线输入给主控单元,主控单元通过计算得到星务计算机工作温度。
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