一种基于SiP的一体化星载计算机系统技术方案

一种基于SiP的一体化星载计算机系统，由核心处理模块，电源管理模块，板载监测模块，接口模块组成。核心处理模块基于SiP内部集成的高性能嵌入式处理器实现，采用SPARC V8体系结构，用于执行星上数据处理、工作状态监测任务，电源管理模块实现电源保护以及电平转换等功能，板载监测模块实时监测板上电压、电流、温度等参数并反馈给核心处理模块，接口模块基于SiP内部集成的大规模可编程逻辑FPGA与外围接口电路实现，用于执行核心处理模块与星上分系统间的通信及大数据量存储与管理。本发明专利技术所述的星载计算机面向微小卫星应用，与传统星载计算机相比，具有集成度高、可靠性高、体积小、功耗低、灵活性佳等优点。

An integrated onboard computer system based on SIP

【技术实现步骤摘要】
一种基于SiP的一体化星载计算机系统
本专利技术涉及一种星载计算机系统，特别是一种面向微小卫星应用领域的基于SiP的一体化星载计算机系统。
技术介绍
微小卫星是近些年来航天领域最火热的研究热点之一；凭借着体积小、成本低、功能密度比高、研发周期短等优点，受到诸多国家及相关研究机构的热切关注。星载计算机作为微小卫星核心组成部分，主要负责完成星上分系统管理与通信、姿态确定与控制、数据处理、故障诊断等功能。现有的星载计算机方案一般采用高性能嵌入式处理器或是可编程逻辑架构实现，如多核ARM处理器、双片FPGA分别作为处理系统与存储单元等；或是采用两者结合的方式，如ARM+FPGA、DSP+FPGA等以满足星上星务管理、大数据量实时处理等高性能需求。而随着微小卫星进一步发展，所执行的空间任务更加复杂，对星载计算机性能提出更高要求，在体积、成本以及功耗等方面也愈发严苛。显然，现有方案在集成度、通用性及灵活性上欠佳，体积、功耗、成本及研制周期等方面仍有待进一步提升，不能很好地满足微小卫星研制需求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于SiP的一体化星载计算机系统，支持多种总线协议以及接口扩展，具有很好的灵活性以及通用性。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于SiP的一体化星载计算机系统，包括核心处理模块、电源管理模块、板载监测模块、接口模块；核心处理模块基于SiP内部集成的32位高性能嵌入式处理器实现，用于执行星上数据处理及工作状态监测；电源管理模块实现电源保护以及电平转换功能，为板上其他模块供电；板载监测模块实时监测星载计算机的电压、电流、温度参数，并反馈回核心处理模块；接口模块基于SiP内部集成的FPGA与外围接口电路实现，用于执行核心处理模块与星上分系统间的通信及数据存储与管理。核心处理模块基于SiP内部集成的32位高性能嵌入式处理器实现，采用SPARCV8体系结构；核心处理模块采集并处理来自SiP片内外设及接口模块的数据，产生并发送相应控制指令，实现与星上分系统间的数据交互；核心处理模块通过SiP内部集成的ADC转换模块采集板载监测模块的数据，计算得到星载计算机的工作电压与工作电流；当两者超过设定的阈值范围时，核心控制模块将发送控制指令对所述星载计算机系统进行断电复位；SiP内部集成的多级存储系统用于核心处理模块程序的运行与存储。电源管理模块包括电源保护电路、DC/DC转换器；电源保护电路通过PTC电阻实现过流保护、通过MOSFET开关管及延时网络实现浪涌抑制；依据星载计算机供电要求，将输入5V的电压通过三次DC/DC转换后，分别提供2.5V、1.8V电压至SiP及配置电路，提供5V、3.3V电压至接口电路。板载监测模块包括电压跟随器、电流监测放大器、温度传感器，实时监测星载计算机的电压、电流及工作温度；电压监测采用电源分压，利用电压跟随器隔离后输入至SiP内部集成的ADC转换模块，核心处理模块通过计算得到星载计算机工作电压；工作电流监测采用电流监测放大器芯片，将电流监测放大器芯片输出电压输入至SiP内部集成的ADC转换模块，核心处理模块通过计算得到星载计算机工作电流；工作温度监测采用温度传感器测得板上温度，通过SiP片内外设IIC总线输入给核心处理模块。接口模块采用FPGA内嵌IP软核支持SPI通信协议和外围连接器实现与太阳能板间的数据通信，采用FPGA内嵌IP软核支持CAN通信协议和外围CAN控制器、CAN收发器实现与测控分系统间数据通信，采用FPGA支持UART接口和外围RS232芯片实现与星上相机载荷数据通信；接口模块支持Micro-SD存储接口扩展，用于存储数据。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术基于SiP实现，内部集成基于SPARCV8体系结构的32位星载计算机系统高性能嵌入式处理器、大规模可编程FPGA，具有丰富的外设接口和存储器；所设计的星载计算机系统具有高集成度、高性能、小型化、低功耗等明显优点；(2)本专利技术所设计的星载计算机系统支持多种总线协议以及接口扩展，具有很好的灵活性以及通用性。附图说明图1为本专利技术的基本原理框图；图2为本专利技术的核心处理模块原理框图；图3为本专利技术的电源管理模块原理框图；图4为本专利技术的板载监测模块原理框图；图5为本专利技术的接口模块原理框图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术提供了一种基于SiP的一体化星载计算机系统，如图1所示，其主要包括核心处理模块、电源管理模块、板载监测模块以及接口模块。本专利技术中SiP内部集成了高性能CPU处理器内核、大规模可编程逻辑、多级存储系统以及丰富的内嵌片上外设。其中，核心处理模块基于SiP内部集成的32位高性能嵌入式处理器实现，用于执行星上数据处理、工作状态监测等。电源管理模块实现电源保护以及电平转换等功能，保证核心处理模块、接口模块等能够正常工作。板载监测模块实时监测星载计算机的电压、电流、温度等参数，并反馈回核心处理模块。接口模块实现与星上其他设备间的数据交互，可按需实现多种总线协议以及接口扩展。(1)核心处理模块如图2所示，核心处理模块基于SiP内部集成的32位高性能嵌入式处理器实现；其采用SPARCV8体系架构，主要负责数据处理与传输，通过总线控制内部FPGA、存储系统等，完成星上多任务调度，姿态确定与控制、通信、故障诊断等。核心处理模块采集并处理来自SiP片内外设及接口模块的数据，产生并发送相应控制指令，实现与星上分系统间的数据交互。核心处理模块通过SiP内部集成的ADC转换模块采集板载监测模块的数据，计算并转换得到星载计算机的工作电压与工作电流；当两者存在异常时，核心控制模块将发送控制指令对星载计算机进行断电复位。SiP内部集成的多级存储系统用于核心处理模块程序的运行与存储。(2)电源管理模块如图3所示，电源管理模块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保护与浪涌抑制。通过评估星载计算机正常工作电流大小选用合适的PTC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MOSFET开关管及延时网络实现电源浪涌电流的抑制。此外，本专利技术中依据各模块供电要求将输入的5V直流电压通过多次DC/DC转换提供多种电压。其中，所选用的SiP器件要求按顺序先后被供电2.5V、1.8V，外围接口芯片电压常用为5.0V与3.3V；故，在本专利技术中通过选用三款DC\DC芯片，以2.5V->3.3V->1.8V的顺序依次转换电压。2.5V、1.8V将先后供给SiP器件以保证正常工作，5.0V、3.3V电压则将提供给星载计算机板上外围接口电路。(3)板载监测模块如图4所示，板载监测模块实时监测星载计算机的电压、电流以及工作温度，并将结果反馈给核心处理模块，以便及时应对异常情况。本专利技术中电压监测采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SiP的一体化星载计算机系统，其特征在于，包括核心处理模块、电源管理模块、板载监测模块、接口模块；/n核心处理模块基于SiP内部集成的32位高性能嵌入式处理器实现，用于执行星上数据处理及工作状态监测；/n电源管理模块实现电源保护以及电平转换功能，为板上其他模块供电；/n板载监测模块实时监测星载计算机的电压、电流、温度参数，并反馈回核心处理模块；/n接口模块基于SiP内部集成的FPGA与外围接口电路实现，用于执行核心处理模块与星上分系统间的通信及数据存储与管理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于SiP的一体化星载计算机系统，其特征在于，包括核心处理模块、电源管理模块、板载监测模块、接口模块；
核心处理模块基于SiP内部集成的32位高性能嵌入式处理器实现，用于执行星上数据处理及工作状态监测；
电源管理模块实现电源保护以及电平转换功能，为板上其他模块供电；
板载监测模块实时监测星载计算机的电压、电流、温度参数，并反馈回核心处理模块；
接口模块基于SiP内部集成的FPGA与外围接口电路实现，用于执行核心处理模块与星上分系统间的通信及数据存储与管理。


2.根据权利要求1所述的基于SiP的一体化星载计算机系统，其特征在于：核心处理模块基于SiP内部集成的32位高性能嵌入式处理器实现，采用SPARCV8体系结构；核心处理模块采集并处理来自SiP片内外设及接口模块的数据，产生并发送相应控制指令，实现与星上分系统间的数据交互；核心处理模块通过SiP内部集成的ADC转换模块采集板载监测模块的数据，计算得到星载计算机的工作电压与工作电流；当两者超过设定的阈值范围时，核心控制模块将发送控制指令对所述星载计算机系统进行断电复位；SiP内部集成的多级存储系统用于核心处理模块程序的运行与存储。


3.根据权利要求1或2所述的基于SiP的一体化星载计算机系统，其特征在于：电源管理模块包括电源保护电路、DC/DC转换器；电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪枫，王蕊，韩逸飞，郭权，李程，李文杰，陈路，刘肖姬，吕冰，
申请(专利权)人：北京时代民芯科技有限公司，北京微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11