張景楠 ， 李華旺 ， 朱 野

（1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 200120）

星務(wù)分系統(tǒng)是小衛(wèi)星信息系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)衛(wèi)星的任務(wù)調(diào)度和綜合信息處理工作[1]。早期的通信衛(wèi)星僅僅起到無線電通信的中繼作用[2]，對衛(wèi)星采集到的數(shù)據(jù)不做任何處理就進(jìn)行下發(fā)，衛(wèi)星所能完成的工作有限，處理數(shù)據(jù)需要地面站的配合。因此有必要設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)，以提高衛(wèi)星的自主性和智能化。衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)是整星的管理和控制核心，負(fù)責(zé)完成各種飛行管理工作，星上時(shí)間管理并完成整星校時(shí)、自主運(yùn)行模式控制和管理、衛(wèi)星姿態(tài)控制算法實(shí)現(xiàn)、遙測數(shù)據(jù)組幀存儲、遙控指令解析執(zhí)行等。

本文充分分析衛(wèi)星其他各個(gè)分系統(tǒng)對星務(wù)分系統(tǒng)的需求，并結(jié)合星務(wù)分系統(tǒng)的任務(wù)要求，綜合考慮各個(gè)硬件協(xié)同的工作[3]，以達(dá)到滿足總體對星務(wù)分系統(tǒng)的各項(xiàng)功能與性能指標(biāo)的要求。

1 星務(wù)分系統(tǒng)的功能需求

衛(wèi)星是由完成規(guī)定任務(wù)所必需的專用系統(tǒng)和通用系統(tǒng)組成[4]。根據(jù)星務(wù)分系統(tǒng)的任務(wù)要求，硬件為軟件的執(zhí)行提供數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算和存儲支持，為星上設(shè)備的通信接口和數(shù)據(jù)傳輸提供通路。對星務(wù)分系統(tǒng)的功能分析可以從硬件需求的各個(gè)方面進(jìn)行分析和功能的初步劃分。

微小衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)的任務(wù)對硬件的需求主要包括：數(shù)據(jù)存儲和運(yùn)算能力的需求以及系統(tǒng)硬件接口的需求。

1.1 存儲和運(yùn)算能力的需求

微小衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)需要完成衛(wèi)星遙控指令的執(zhí)行，遙測數(shù)據(jù)的采集，姿控算法的實(shí)現(xiàn)，整星飛行模式的控制，系統(tǒng)級的可靠性管理與異常情況下的系統(tǒng)恢復(fù)能力設(shè)計(jì)，因此需要星上具有一定的處理能力來完成所有功能所需的運(yùn)算。為完成數(shù)據(jù)的處理、算法的執(zhí)行，星上遙控指令和遙測數(shù)據(jù)的緩存，星上工作模式程控?cái)?shù)據(jù)表的存儲，注入程序的運(yùn)行，星務(wù)分系統(tǒng)需要提供足夠的存儲能力用于完成分系統(tǒng)的任務(wù)。

1.2 系統(tǒng)硬件接口的需求

為實(shí)現(xiàn)星上設(shè)備的控制和管理，星務(wù)分系統(tǒng)需要根據(jù)各個(gè)設(shè)備的接口特性設(shè)置與之相匹配的接口用于完成星上設(shè)備數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，控制指令的發(fā)送和遙測數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)星上設(shè)備的接口形式，星務(wù)分系統(tǒng)需要提供數(shù)字量輸入輸出接口、模擬量輸入接口（包含熱敏電阻通道）、模擬量輸出接口、RS422接口、1553B接口、同步串口等各種類型的硬件接口。

2 星務(wù)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 星務(wù)分系統(tǒng)的架構(gòu)

星務(wù)分系統(tǒng)主要由處理器模塊、模擬量模塊、星內(nèi)通信模塊、數(shù)字量模塊、總線模塊、電源模塊、遙控模塊等組成，為衛(wèi)星星務(wù)管理提供可靠的運(yùn)行平臺。星務(wù)分系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2.2 處理器模塊設(shè)計(jì)

處理器模塊 （CPU）是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理核心，主要由TSC695F及其必要的外圍電路、程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器、看門狗電路以及其他外部接口電路組成。CPU模塊的功能框圖如圖2所示。

圖1 星務(wù)分系統(tǒng)組成框圖Fig.1 House keeping system block diagram

圖2 處理器模塊原理框圖Fig.2 Schematic diagram of processor module

TSC695F的外部輸入時(shí)鐘設(shè)計(jì)為48 MHz，工作時(shí)鐘為24 MHz。

存儲器容量的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：程序存儲區(qū)128 kB、數(shù)據(jù)存儲器4 MB（帶EDAC）。數(shù)據(jù)存儲器用SRAM，具有EDAC功能，如果空間環(huán)境下數(shù)據(jù)出現(xiàn)一位錯(cuò)，系統(tǒng)可以檢測并糾正，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

看門狗使用外部電路生成，是雙機(jī)之間發(fā)生切換的主要判據(jù)，即當(dāng)看門狗電路沒有被及時(shí)清除，就會發(fā)生一次看門狗狗咬事件[5]。

復(fù)位電路選用專用的具有上電復(fù)位和指令復(fù)位功能的器件實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位功能，可以接收系統(tǒng)的直接遙控指令復(fù)位，在上電復(fù)位和指令復(fù)位時(shí)，電路輸出200 ms低電平復(fù)位脈沖對處理器系統(tǒng)復(fù)位，處理器在該復(fù)位信號的作用下輸出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)位指令，完成對整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位。星地調(diào)試串口利用了處理器自身集成的兩路異步串口之一，用于檢測星上運(yùn)行狀態(tài)，以標(biāo)準(zhǔn)RS422方式提供系統(tǒng)使用。

2.3 模擬量模塊設(shè)計(jì)

模擬量模塊實(shí)現(xiàn)模擬量采集任務(wù)，系統(tǒng)需求的模擬量采集數(shù)量為較多，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，單機(jī)共設(shè)置了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)模擬量采集和電壓量輸出的任務(wù)。每個(gè)模擬量模塊的模擬量采集包括電壓量和溫度量采集，均通過模擬開關(guān)以差分方式輸入給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬開關(guān)器件輸入信號過壓能力可達(dá)到±35 V，并且具有優(yōu)異的抗閂鎖功能。A/D轉(zhuǎn)換器具有采樣保持功能。模擬量模塊的原理框圖如圖3所示。

圖3 模擬量模塊原理框圖Fig.3 Schematic diagram of analog module

2.4 星內(nèi)通信模塊計(jì)劃

星內(nèi)通信模塊其功能主要包括異步通信、同步通信、中斷管理、時(shí)間管理等，對外接口包括異步串行通訊、同步串行通訊、時(shí)鐘輸入接口。該模塊主要由FPGA、RS422接口芯片、電平轉(zhuǎn)換芯片、三線制輸入輸出接口等組成。模板的電路結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 星內(nèi)通信模塊原理框圖Fig.4 Schematic diagram of intra-satellite communication module

2.5 數(shù)字量模塊設(shè)計(jì)

該模塊包括了雙機(jī)所有數(shù)字量的輸出，驅(qū)動(dòng)接口一部分輸出用于控制功率輸出電路，一部分輸出正脈沖控制信號，有1路用于對方機(jī)斷電，2路用于器件復(fù)位，還有一部分連接計(jì)算機(jī)對外接口，驅(qū)動(dòng)其它設(shè)備的繼電器等控制對象。圖5所示為單機(jī)開關(guān)量輸出原理框圖。為了防止系統(tǒng)上電瞬間指令誤輸出，設(shè)計(jì)中指令輸出鎖存器受到指令輸出允許信號的控制，所以軟件在完成所有指令初態(tài)的設(shè)置和初始化工作后，方可發(fā)出指令輸出允許信號。

指令輸出可以設(shè)置為脈沖輸出或者電平輸出，脈沖寬度的時(shí)間參數(shù)根據(jù)接口數(shù)據(jù)單的約束進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 數(shù)字量模塊原理框圖Fig.5 Schematic diagram of digital module

2.6 總線模塊設(shè)計(jì)

該模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總線功能。系統(tǒng)總線功能由1553B總線[6-8]控制器和隔離變壓器等組成，使用器件為BU-61580和B-3226。1553B總線控制器采用DDC的61580作為協(xié)議控制器，主CPU以存儲器方式控制與訪問61580，為BC模式，信息格式、通信協(xié)議等滿足MIL-STD-1553B標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.7 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊是將系統(tǒng)母線電源轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作所必須的工作電源。模塊由繼電器、模塊電源等電路組成。直接指令和自主切換指令通過繼電器控制單機(jī)的加、斷電狀態(tài)。供電系統(tǒng)從母線入口到各單機(jī)系統(tǒng)，分成兩路相互獨(dú)立的通道，一個(gè)通道對應(yīng)了計(jì)算機(jī)主機(jī)，另一個(gè)通道對應(yīng)了計(jì)算機(jī)備機(jī)。

2.8 遙控模塊設(shè)計(jì)

遙控模塊完成遙控單元功能，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是星務(wù)計(jì)算機(jī)的重要部件，其功能是：正確接收解調(diào)器輸入的遙控PCM編碼信息，完成遙控信號的幀提取，根據(jù)遙控信息幀中的方式字識別是直接指令還是注入數(shù)據(jù)（包括間接指令），對于直接指令則送直接指令譯碼、執(zhí)行電路，對注入數(shù)據(jù)則對信息幀進(jìn)行解幀、校驗(yàn)、譯碼，對指令正確可靠執(zhí)行，對注入數(shù)據(jù)則送目的單機(jī)或部件。遙控單元A、B機(jī)是熱備份的。

3 結(jié)束語

本文針對星務(wù)分系統(tǒng)的功能需求，采用模塊化的設(shè)計(jì)方針；詳細(xì)闡述了星務(wù)分系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊的實(shí)現(xiàn)原理，給出了各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)框圖，為星務(wù)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，對今后微小衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)提供了建設(shè)性的意見，具有重要的參考意義。

[1]史簡，宋智，李國軍.“天繪一號”衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].遙感學(xué)報(bào)，2012，74（4）：74-77.SHI Jian，SONG Zhi，LI Guo-jun.Implementation of mapping satellite-1’s house keeping system[J].Journal of Remote Sensing，2012，74（4）：74-77.

[2]程光明，廖明宏，吳翔虎，等.小衛(wèi)星星載計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備的管理[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（2）：201-203.CHENG Guang-ming，LIAO Ming-hong，WU Xiang-hu，et al.Management of onboard computer and its peripherals[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2012；34 （2）：201-203.

[3]李興華.嵌入式系統(tǒng)和小衛(wèi)星星務(wù)管理系統(tǒng)[J].紅外月刊，2000（11)：7-15.LI Xing-hua.House keeping management system of micro satellite and embedded system[J].Infra-red Monthly，2000（11）：7-15.

[4]李孝同.小衛(wèi)星星務(wù)管理技術(shù)[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2001（1）：29-36.LI Xiao-tong.Satellite keeping technology of small satellite[J].Chinese Space Science and Technology，2001 （1）:29-36.

[5]韋兆碧，馬志瀛，謝勝民，等.小衛(wèi)星星務(wù)計(jì)算機(jī)可重構(gòu)硬件平臺的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37（6）:858-860.WEI Zhao-bi，MA Zhi-ying，XIE Sheng-min，et al.Research on reconfigurable hardware platform of small satellite housekeeping computer[J].Journal of Harbin Institute of Technology；2005，37（6）：858-860.

[6]顧明劍，殷德奎.1553B總線控制方法研究[J].紅外月刊，2004（12）：21-27.GU Ming-jian，YIN De-kui.Research on bus control method on 1553B[J].Infra-red Monthly，2004（12）：21-27.