基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机及其重构方法技术

技术编号:10438425 阅读:307 留言:0更新日期:2014-09-17 14:37
本发明专利技术提供了一种基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机,包括处理芯片,所述处理芯片集成有FPGA硬核、FPGA逻辑单元以及CPU内核;所述FPGA硬核用于与外围电路以及立方星的各分系统进行通信;所述FPGA逻辑单元用于对所述外围电路进行控制,同时对立方星的星务本地时间校时;所述CPU内核用于对立方星进行整星控制算法实现、整星数据管理、姿控算法实现、控制命令分发以及载荷数据管理。本发明专利技术使用灵活、性能优化且集成度高、成本低、可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机及其重构方法
本专利技术涉及航空航天以及电子科学
,具体的说,是一种基于FPGA的嵌入 式立方星星务计算机及其启动方法以及在轨重构方法。
技术介绍
随着近年来航空航天以及电子科学技术的快速发展,低成本、低重量、高功能密度 的微纳卫星已经广泛应用于对地观测、电子侦察、通信、导航、空间科学探测、空间探测和新 技术试验等众多领域,并且已成为空间系统的重要组成部分。而立方星则是一种特殊的微 纳卫星,于1999年由斯坦福大学的Bob Twiggs提出。立方星是边长为10cm的立方体,其消 耗的功率在几瓦的范围,重量约为广2kg。根据任务的需求,立方星可扩展为2单元(1单元 是一边长为l〇cm的立方体)、3单元甚至是6单元。与传统的大型卫星相比,立方星研制成 本低,研制周期短,易于扩展且搭载和分离方式灵活。目前,国际范围内统计得到的立方星 数目已经超过200颗。 由于立方星的结构相对大卫星较为简单,因此立方星的星务计算机(On-Board Computer,简称0BC)模块通常以基于中央处理器(Central Processing Unit,简称CPU)芯 片的单片机结合一定的外围电路实现实时星上数据处理(〇n-Board Data Handling,简称 0BDH)与控制。然而,传统的指令系统式CPU在处理指令时,以读出-执行的串行方式执行 读出指令,并采用中断的形式响应外部请求;这种处理方式控制与运算能力强,但是时序控 制较弱,处理复杂的组合逻辑能力较弱;在指令周期较长、并发事件多且中断频繁时,往往 会因处理负担过重导致单片机处理能力下降。随着航天电子集成度的逐步提高与航天任务 的日益复杂,单块单片机芯片已经很难胜任航天任务的需求。 现场可编程门阵列(Field-Programmable-Gate-Arrays,简称FPGA),其内部逻辑 阵列主要由逻辑单元和D触发器(D-flip-flop)构成,上电工作时由逻辑单元并行地执行 配置功能,因此不需要以中断的方式作出响应,故FPGA对复杂的组合逻辑有着较强的处理 能力,时序能力强;另外,FPGA的1/0数目远比CPU芯片要多,同时其并行的处理指令方式 对多1/0的控制有独到的优势,而CPU采用中断方式对多个1/0进行管理时,其处理能力往 往受到特别明显的影响。FPGA适用于以下场合:接口的管理(特别是高速接口的管理),不 同传输速率、不同协议之间的耦合与桥接、硬件层的数据处理,例如:奇偶校验、CRC校验、 EDAC校验等。但是通常FPGA的控制能力与运算能力较弱。 丹麦的GomSpace公司研发的NanoMind A712系列星务计算机,采用Atmel公司 提供的基于ARM7 CPU的单片机芯片作为核心处理器,辅以一定的外围电路,实现了较为 简单的立方星星务功能。该系列星务计算机的印刷电路板(Printed Circuit board,简称 PCB)中,除了基于ARM7的单片机外,还集成了外扩静态随机存储器(Static Random Access Memory,简称SRAM)、磁强计、Flash存储单元等ASIC芯片,通过PC104接口以及其他一些外 围接口,实现与立方星其他分系统之间的通信与控制,且成本较低(约为4500欧元)。但是其 功能与结构相对简单,无法实现较高速的数据传输和复杂的控制功能,而且可用接口较少, 无法对卫星其余分系统提供足够的接口支持,通常需要外接GomSpace公司提供的NanoHub 接口模块以弥补其接口不足的缺点。另外,其采用单片CPU芯片实现星务管理,计算和处理 能力较弱。 荷兰的ISIS公司代理的Andrews Model 160高性能立方星星载计算机,采用 Xilinx公司提供的Virtex-4 FPGA为核心处理芯片,集成双处理器,且设有单粒子效应防护 措施和看门狗电路,能够自检错误并予以修正。Andrews Model 160兼容PC104接口,处理能 力和数据存储能力都非常强,集成度较高,是一款高性能的立方星星务计算机设计。其缺点 在于:Andrews Model 160的价格非常昂贵(77, 500美元),而且其以高功耗的SRAM型FPGA 为核心开展设计,功耗非常大,同时SRAM型FPGA的配置单元对空间单粒子效应非常敏感, 较易发生单粒子翻转(Single-Event-Upset,简称SEU)事件,即使采取软件上的抗福射加 固措施也需从外部EEPR0M进行重新加载,导致系统功能的暂时丢失。另外,该款星务计算 机对中国禁运,因此,国内无法使用之开展高性能的星务计算机设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于,提供一种基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机及其重构方 法,其能够结合FPGA的并行处理能力与CPU的控制运算能力,使FPGA与CPU的优点互补, 充分释放CPU的控制能力,最优化星务系统的性能。 为实现上述目的,本专利技术提供了一种基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机,包括 处理芯片,所述处理芯片集成有FPGA硬核、FPGA逻辑单元以及CPU内核;所述FPGA硬核用 于与外围电路以及立方星的各分系统进行通信;所述FPGA逻辑单元用于对所述外围电路 进行控制,同时对立方星的星务本地时间校时;所述CPU内核用于对立方星进行整星控制 算法实现、整星数据管理、姿控算法实现、控制命令分发以及载荷数据管理。 为实现上述目的,本专利技术还提供了一种基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机的 启动方法,包括以下步骤:(1)在星务计算机上电工作时,判断所述星务计算机的电源分系 统的电池剩余电量是否小于预设阈值,若小于则执行步骤(2),否则执行步骤(3); (2)进入 安全模式,所述星务计算机中与通讯分系统进行通信的部分开始工作;(3)进入开机模式, 从所述星务计算机的非易失性存储单元中读出运行代码,对自身的运行程序和外围设备驱 动进行初始化,初始化完成后执行步骤(4); (4)进入工作模式,所述工作模式包括姿态调整 模式、载荷模式、通信模式以及总线模式的至少其中之一,其中,所述姿态调整模式用于实 时调整卫星的在轨姿态,所述载荷模式用于实现对载荷分系统的控制与数据交互,所述通 信模式用于实现星地或者星间通信的控制,所述总线模式用于实现总线级的数据交互。 为实现上述目的,本专利技术还提供了一种基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机在 轨重构方法,包括以下步骤:(A)地面端生成同时包含FPGA逻辑单元和CPU内核软件代码 的配置文件;(B)将配置文件上传至立方星的通信终端;(C)通信终端利用UART总线与星 务计算机进行数据交互,将配置文件发送至星务计算机;(D)控制UART硬核接收配置文件, 并通过SPI硬核将配置文件存储至外部闪速存储器;(E)将配置文件中的配置信息一一读 出,写入处理芯片内部的非易失性存储单元;(F)将所述处理芯片重新加载配置信息完成 在轨重构。 本专利技术的优点在于: 1) 使用灵活:本专利技术中处理芯片所采用的FPGA的可用I/O数目多达数百,且不同区域 的I/O可设置不同的供电电压,从而适应不同电平标准的信号需求本文档来自技高网
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基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机及其重构方法

【技术保护点】
一种基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机,其特征在于,包括处理芯片,所述处理芯片集成有FPGA硬核、FPGA逻辑单元以及CPU内核; 所述FPGA硬核用于与外围电路以及立方星的各分系统进行通信; 所述FPGA逻辑单元用于对所述外围电路进行控制,同时对立方星的星务本地时间校时;所述CPU内核用于对立方星进行整星控制算法实现、整星数据管理、姿控算法实现、控制命令分发以及载荷数据管理。

【技术特征摘要】
1. 一种基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机,其特征在于,包括处理芯片,所述处理 芯片集成有FPGA硬核、FPGA逻辑单元以及CPU内核; 所述FPGA硬核用于与外围电路以及立方星的各分系统进行通信; 所述FPGA逻辑单元用于对所述外围电路进行控制,同时对立方星的星务本地时间校 时; 所述CPU内核用于对立方星进行整星控制算法实现、整星数据管理、姿控算法实现、控 制命令分发以及载荷数据管理。2. 根据权利要求1所述的嵌入式立方星星务计算机,其特征在于,所述FPGA硬核包括 I2C硬核、UART硬核、SPI硬核、CAN硬核以及计时器硬核,所述外围电路包括闪速存储器、 幅度数字转换器、静态随机存储器、SD卡以及CAN收发器; 所述I2C硬核用于实现立方星星务系统I2C总线数据收发以及与各分系统通信;所 述UART硬核用于实现立方星星务系统与各分系统之间的点对点数据传输;所述SPI硬核 用于与所述闪速存储器以及所述SD卡进行通信;所述CAN硬核用于实现立方星星务系统 CAN总线数据收发以及与各分系统通信;所述计时器硬核用于对立方星星务软件给出固定 的时间拍; 所述闪速存储器用于存储所述CPU内核的软件代码以及所述FPGA逻辑单元的配置代 码;所述幅度数字转换器用于实时对立方星上各系统的模拟量进行采集,以反馈立方星在 当前时刻的工作状态;所述静态随机存储器用于存储立方星姿控分系统的运行代码与实 时数据,以供所述CPU内核调用;所述SD卡用于存储立方星载荷分系统的实时数据,以等 待发送至地面端;所述CAN收发器用于提供CAN总线驱动和接收功能。3. 根据权利要求2所述的嵌入式立方星星务计算机,其特征在于,所述外围电路进一 步包括硬件看门狗,所述硬件看门狗用于对立方星星务系统进行监测,在立方星软件系统 跑飞时及时输出复位信号使软件系统恢复至初始状态。4. 根据权利要求1或3所述的嵌入式立方星星务计算机,其特征在于,所述FPGA逻辑 单元和所述CPU内核互为软件看门狗。5. 根据权利要求1或2所述的嵌入式立方星星务计算机,其特征在于,所述星务计算 机进一步包括三模冗余模块以及滤波电路;所述三模冗余模块,用于对所述FPGA逻辑单 元进行三倍模块的冗余,并采用三选二的机制得到输出结果;所述滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员:秦熙吴树范陈雯
申请(专利权)人:上海微小卫星工程中心
类型:发明
国别省市:上海;31

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