小卫星星务计算机可重构硬件平台的研究

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     摘 要:为提高星务管理系统的可靠性,缩短研制周期,提出了一种可重构的星务计算机硬件平台.在硬件设计中充分利用电子设计自动化技术,通过在CPLD /FPGA上编程,设计出了星务计算机专用集成电路.可重构硬件平台能够利用功能模块复用技术,只需改变模块组的重新配置与任务调度就能满足星务计算机的动态或静态的硬件重构.可重构硬件平台可提高系统可靠性、稳定性,缩短研制周期.

      关键词:小卫星;星务计算机;EDA技术;可重构硬件平台

     星务计算机作为整个小卫星星务管理系统 (以下简称星务系统)的核心[1],其运行状态直接决定着系统的生命.随着小卫星技术的不断更新与拓展,在星务管理系统的设计中提高系统可靠性,降低系统复杂度,降低成本,减小体积,降低功耗,缩短研制周期等已成为星务计算机研制的拓展方向. 基于平台的硬件设计是将那些经反复测试的、成熟的硬件功能单元模块化.在产品设计中最大限度地利用这些可重用模块,大大减少设计时间,提高系统可靠性.虽然目前在平台的标准化、通用化和便于维护等方面还存在问题,但各种基于平台的开发和应用已经出现,以往针对单一功能的开发模式逐渐被放弃[2].本文利用硬件平台的概念在 星务计算机系统的硬件设计中充分利用电子设计自动化(EDA)技术,把具有独立功能单元的硬件模块软件化,用这种“软”硬件的全新系统设计概念,设计了一种具有可重构功能的星务计算机硬件平台,该平台能够根据不同的工作环境对系统的硬件进行重新配置,将对小卫星技术的拓展和提高系统稳定性具有积极意义.

     小卫星星务计算机硬件结构设计图1 (a)是某小卫星星务中心计算机结构方框图,该计算机采用冗余同构的CPU组合方式,其中A机与B机均采用386EX, A机和B机通过 CAN总线与下位机相连.切换控制模块是计算机内部用以切换A机B机“当值”的功能单元.图1 (b)是星务计算机A机结构图.其中, 16K的 ROM、256K的EEPROM以及1M的SRAM构成A 机的存储器;TMTC电路为星务计算机的遥控遥测单元,用以接收控制指令和发送数据;EDAC电路为星载计算机RAM的纠检错电路; 485总线为地测串行接口,用以在地面测试的情况下接收外部指令;复位电路及“看门狗”可以实现系统程序的“跑飞”返回和接收外部指令强制转换的功能. (a)星务中心计算机结构方框图 (b)星务计算机A机结构图图

     某小卫星星务计算机结构方框图 EDA技术在星务计算机中的应用EDA技术的应用与拓展以CPLD/FPGA(复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列)为代表的EDA技术是近几年迅速拓展起来的一项新技术,它是用硬件描述语言描绘出硬件的结构和硬件行为,用先进的设计软件将这些描述综合映射成与半导体工艺有关的硬件工艺文件,半导体器件CPLD/FPGA则是这些硬件工艺文件的载体.当这些CPLD/FPGA器件加载,配置上不同的工艺文件时,这个器件便具有了相应的功能.目前,随着EDA技术的拓展,利用 CPLD/FPGA几乎可以实现任何形式的数字电路或数字系统的设计[3].随着CPLD/FPGA容量的不断增大,一片CPLD/FPGA已经可以替代几十甚至上百块通用IC芯片,用它们设计出的具有特殊功能的MCU、MPU、DSP、A/D、D/A、RAM和 ROM等独立器件在很多场合已经可以完全或部分实现这些器件的功能,且用EDA技术设计出这些“软”硬件具有更强的可移植性,非常适和片上系统的设计.

     星务计算机专用集成电路的设计在小卫星的飞行过程中,星载计算机内像静态随机存储器靠电荷移动形成双稳态的元件对空间辐射敏感,容易出现单粒子现象.在单粒子现象中,因重离子引起的星上计算机电子器件单粒子翻转SEU的瞬态故障最严重[4]. SEU可使存储器某一位的数据从一个稳态变化到另一个稳态,而存储器中数据的变化将导致指令或数据出错,导致星务计算机内局部或部分功能的丧失. 即使DSP或ARM也无法从根本上解决程序“跑飞”或SEU的瞬态故障处理,而且其硬件结构是固定的,当硬件电路需要调整或随着不同的环境条件而改变,即便是局部的修改也要重新设计电路.以某小卫星为背景,介绍小卫星星务计算机的硬件结构设计. 利用EDA技术,把复杂的数字电路用软件来实现,并且通过CPLD/FPGA技术设计专用的ASIC 电路,不仅能够继承和移植已有的设计成果,还能利用现成的功能复用模块大大减少新产品的开发时间,更能在不需要改变硬件结构的基础上完成系统的结构改变.图2是具有星务计算机专用集成电路的星务计算机单机结构图,ASIC芯片的原型是由几片具有独立电路功能单元的FPGA验证实现的,各个FPGA芯片以独立模块的形式与系统接口,分别集成了星务计算机中易于用“软”硬件实现的EDAC检错纠错电路、遥测遥控TMTC电路、狗咬逻辑、CAN总线、可重构控制模块等电路系统.与传统的专用集成电路相比,要实现可配置的硬件平台关键在于可配置可复用功能模块的设计,

 


[正文图表略.]
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