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(1.北京航天長征飛行器研究所，北京 10076； 2.北京航天自動控制研究所，北京 100854)

0 引言

隨著航天工業(yè)及武器系統(tǒng)的發(fā)展，對小型化、集成化、模塊化航天飛行器綜合控制設(shè)備的需求越來越緊迫。

目前國內(nèi)外先進飛行器綜合航電應(yīng)用經(jīng)驗表明，設(shè)備的一體化融合設(shè)計不僅可以大幅減少彈上設(shè)備軟硬件規(guī)模，提升系統(tǒng)的可靠性、維修性，還可以從本質(zhì)上提升型號以及設(shè)備的系列化、模塊化、通用化水平[1-3]。

文獻[4]提出的綜合控制計算機將傳統(tǒng)的多模塊分艙段計算機進行集成綜合，并配以實時操作系統(tǒng)，提升了設(shè)備性能和一體化程度，但缺乏通用總線的應(yīng)用，不利于后續(xù)系列化、通用化產(chǎn)品的開發(fā)。文獻[5]和文獻[6]分別提出基于VPX總線的無人機系統(tǒng)應(yīng)用和綜合測試系統(tǒng)應(yīng)用。但由于文獻中的VPX總線標準結(jié)構(gòu)較大，無法適應(yīng)航天飛行器對小體積的要求。

因此，本文即按照新一代系統(tǒng)級總線標準VITA74總線(即VNX總線)，設(shè)計了一套模塊化集成化高性能的航天飛行器綜合控制系統(tǒng)，能夠很好的適應(yīng)目前小型化航天飛行器的需求。采用VNX標準能很好地滿足高速數(shù)字信號傳輸和大功率配電的技術(shù)需求， 而且還可以滿足航天器對沖擊、振動、電磁輻射及干擾等的可靠性要求。在功能劃分上，將原來的獨立單機產(chǎn)品集成設(shè)計為各個滿足VNX標準的子卡模塊。通過模塊化的設(shè)計使其具有易拆解，易維護，環(huán)境適應(yīng)性強的特點。各個板卡之間的信號連接通過背板實現(xiàn)，對外接口由側(cè)I/O板實現(xiàn)，側(cè)I/O板上直接焊接具有高可靠性性能的航插接插件。

1 VNX總線概述

VNX總線標準定義了機械和電氣標準來實現(xiàn)小型模塊化系統(tǒng)。該標準解決了在各種應(yīng)用場景下使用小型模塊化系統(tǒng)的需求。

該標準能夠促進設(shè)計單位實現(xiàn)不同功能模塊，包括子模塊、底板、外殼和完整的系統(tǒng)解決方案。該標準能夠保證各個單位設(shè)計的組件具有一定的移植性，并可以在子模塊的具體實現(xiàn)上保證一定的靈活性。

VNX的標準在制定的過程中，參照了很多VPX的成功經(jīng)驗[7]。該標準制定了許多約定，并將信號定義分配到各個子模塊中。該標準中各個模塊的信號連接通過一種新型高速低成本連接器來實現(xiàn)，支持以太網(wǎng)和PCI Express總線。為了使系統(tǒng)盡可能簡單地實現(xiàn)，該標準中指定了一個CPU根節(jié)點，也可以設(shè)置多個CPU節(jié)點。該標準定義了兩種結(jié)構(gòu)的子卡類型，分別為19 mm和12.5 mm標準，并且規(guī)定了連接器的位置、裝配孔的位置和組件的外形。對于19 mm的模塊，可以實現(xiàn)兩個板疊的設(shè)計，實現(xiàn)一種功能更豐富的模塊板卡。用戶可以根據(jù)自己的需求定義背板和側(cè)I/O板。

VNX總線的目的是提供巨大的重量和電能節(jié)省，而其成本僅為更大的遺留3U和6U系統(tǒng)的一小部分，同時實現(xiàn)了類似的性能。VNX總線提供了在模塊級(電氣、機械和熱)定義和固定的所有接口，使熱和機械接口簡單而統(tǒng)一?；谠摌藴试O(shè)計的產(chǎn)品可以廣泛的應(yīng)用于航天、無人飛行器、機器人、可穿戴系統(tǒng)和能源探索。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)航天飛行器綜合控制系統(tǒng)高可靠性、高集成度、模塊化的需求特點，本系統(tǒng)采用國際最先進的軍用VNX總線標準作為系統(tǒng)設(shè)計核心架構(gòu)。該系統(tǒng)內(nèi)部集成4個核心組件，采用無風扇導冷設(shè)計，對結(jié)構(gòu)尺寸進行進一步壓縮，同時保證了散熱效果。4個核心組件分別為飛控組件，接口組件，配電組件以及供電組件，與外界設(shè)備的連接通過測I/O組件的板載航插實現(xiàn)。各個組件間的信號互聯(lián)通過背板實現(xiàn)，該背板可實現(xiàn)差分信號及單端信號的互聯(lián)，并且具有良好的電磁兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)1Gbit/s以上速率的信號傳輸。具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

航天飛行器綜合控制系統(tǒng)對外接口主要包括6路對外隔離的RS422總線接口[8]，2路1553B總線接口[9]，4路隔離I/O輸入接口，16路對外隔離I/O輸出接口，大數(shù)據(jù)存儲功能以及多路供配電輸出功能。同時，系統(tǒng)內(nèi)集成了高性能的多核異構(gòu)SiP芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)高速實時運算。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 飛控組件設(shè)計

飛控組件主要用于實現(xiàn)核心算法和時序控制。在飛控組件板卡設(shè)計上，采用了19 mm厚板卡結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)部采用兩塊印制板堆疊的方式最大化利用了板卡內(nèi)的空間。在核心芯片選擇上，為了滿足系統(tǒng)對小型化，高性能等方面的要求，選擇了一款高性能SiP芯片，該芯片為基于雙C6713內(nèi)核SoC的通用化、標準化、高集成度SiP產(chǎn)品，內(nèi)部集成2片高性能SoC芯片、大容量SDRAM、大容量 FLASH、國產(chǎn)化FPGA等。該模塊可應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)武器控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、控制與信息處理一體化系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、接口豐富等特點。在進行資源配置過程中，根據(jù)不同性能特點進行資源劃分。其中，雙C6713內(nèi)核SoC主要完成組合導航算法、飛控算法、時序邏輯的實現(xiàn)。為了提高對外接口的實時性要求，利用SiP芯片中國產(chǎn)化FPGA的并行性特點實現(xiàn)對外接口功能。

圖3是粒徑分別為 150、200、300 μm三種微膠囊不同摻量的自修復試樣在最大抗壓強度的60%預壓損傷后，在室溫下養(yǎng)護 7 d的強度修復率。由圖3可以看出，相似試件的強度隨微膠囊摻量的增加而降低，但強度修復率提高。當微膠囊摻量為0～0.8%時，強度修復率隨微膠囊摻量的增加近似于線性增加；當微膠囊摻量為 0.8%時，強度修復率達到峰值，修復后的強度最接近原始強度；當微膠囊摻量大于 0.8%時，強度修復率開始下降，由此推斷繼續(xù)增大微膠囊的用量，強度修復率會繼續(xù)降低。

在電路設(shè)計上，采用兩塊印制板通過子板母板的方式實現(xiàn)了高度集成化的設(shè)計。在子板上除了SiP芯片外還有保證其正常工作所必須的復位電路、JTAG電路、時鐘晶振電路和低壓供電電路。選用LTM4644作為低壓供電電路的核心芯片，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)4路電壓輸出，每路輸出電壓可調(diào)，輸出電流4A，并且可通過使能端控制保證上電順序，分別為SiP芯片提供3.3 V、1.5 V和1.2 V電壓。

子板和母板通過高度集成化的表貼型接插件實現(xiàn)信號互聯(lián)。在母板上，設(shè)計了飛控組件對外連接的接口，主要包括4路隔離光耦輸入接口以及16路對外隔離的I/O輸出接口。在光耦電路設(shè)計上，通過外部接口電阻匹配，保證了輸入信號具有14 V的抗干擾能力，同時，具有防反設(shè)計。在對外輸出I/O電路上，通過磁耦芯片的應(yīng)用，將所有的輸出信號進行了隔離并將3.3 V電平轉(zhuǎn)換為了5 V電平，隔離后通過達林頓管ULN2803實現(xiàn)了信號的功率放大。

3.2 接口組件設(shè)計

在接口組件板上，設(shè)計了綜合電子系統(tǒng)對外通訊的主要接口，主要包括4路獨立磁隔離的RS422/485總線接口，1路磁隔離的CAN總線接口，以及2路1553B總線接口。

隔離RS422/485總線接口和CAN總線接口電路采用ADI公司的基于磁隔離技術(shù)的總線接口芯片設(shè)計。該系列芯片內(nèi)部集成了隔離電源，可以將邏輯端的電源轉(zhuǎn)換為總線端電壓，并且使邏輯端與總線端地環(huán)路隔離，提高了通信接口的電磁兼容性。除此以外，在總線接口上設(shè)計了上下拉電阻來保證總線始終工作在確定的狀態(tài)，并通過瞬態(tài)抑制二極管提高總線接口的抗靜電和浪涌能力。

由于飛控組件所選用的SiP芯片內(nèi)部集成了2個1553B總線IP核，因此在外部接口電路設(shè)計上只需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片及隔離變壓器將總線信號進行轉(zhuǎn)換即可。

3.3 配電組件設(shè)計

配電組件主要功能是通過飛控組件的控制實現(xiàn)對外部設(shè)備的供配電控制以及對火工品電路的功率輸出。本組件中通過固態(tài)繼電器的串并聯(lián)搭建供配電電路，共可以實現(xiàn)對4路設(shè)備的供配電控制。

3.4 供電組件設(shè)計

供電組件是航天綜合電子系統(tǒng)正常工作的能量源頭，如果供電組件電路設(shè)計存在隱患，則綜合電子系統(tǒng)無法長時間穩(wěn)定正常工作，因此供電組件電路設(shè)計十分關(guān)鍵。本設(shè)計在以功耗和可靠性為出發(fā)點，為綜合電子系統(tǒng)設(shè)計了一種隔離式的多電壓輸出的電源系統(tǒng)。

綜合電子系統(tǒng)的輸入電壓為28 V，經(jīng)過EMI濾波電路和多路隔離式DC/DC模塊輸出多路電壓，各路之間互相隔離，保證了CPU電路與外部各個接口電路的物理隔絕，提高產(chǎn)品固有可靠性。電源電路原理框圖如下圖2所示。電源組件輸出4路電壓，其中，+12 V電壓額定電流為2.5 A，+5 V電壓額定電流為10 A，+3.3 V電壓額定電流為3 A，-12 V電壓額定電流為1 A，所有的輸出電壓紋波均不超過50 mV。同時，電源組件內(nèi)部有監(jiān)控單元，實時對輸出電壓和工作溫度進行檢測，并將信息通過I2C總線[10]傳遞給飛控組件。

圖2 供電組件框架設(shè)計

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于產(chǎn)品各個功能模塊集成化程度較高，因此各個模塊熱源集中，對散熱的要求較高；按照VITA74熱設(shè)計標準，通過機殼導冷設(shè)計實現(xiàn)對產(chǎn)品的散熱，使整機在不額外增加體積的情況下實現(xiàn)了散熱加固設(shè)計，滿足了小型化的要求。整體框架上提供5個槽位，采用高效導冷設(shè)計和全封閉EMC屏蔽設(shè)計，具有高可靠、高性能、輕小型特點。其外形圖如圖3所示。

圖3 VNX計算機外形示意

該產(chǎn)品由5槽導冷機箱、主控板模塊、背板模塊、配電板模塊、電源板模塊和IO板模塊組成，可擴展其他功能板卡，其外形尺寸為117 mm×115.5 mm×154.5 mm。

其中5槽導冷機箱由主體框架和六個面板組成，均采用鋁合金材質(zhì)。主體框架為全樓空型，結(jié)構(gòu)輕，結(jié)構(gòu)強度大，配有5個插槽，如圖4所示；前后面板用于安裝電連接器；各面板采用散熱片形式，兩側(cè)面板內(nèi)側(cè)有導熱橡膠，使得整機具有良好的散熱效果；此外各面板內(nèi)側(cè)邊緣均設(shè)有導電橡膠墊，為全封閉EMC屏蔽設(shè)計。

圖4 主體框架

VNX各主要模塊外殼均采用鋁合金材質(zhì)，外形尺寸成系列化。為保證安裝的精確性、方便性，各模塊均設(shè)計有定位銷以及定位孔，如圖5所示，并配備鋼質(zhì)可折疊拉手。

圖5 定位銷和定位孔圖示

最終產(chǎn)品實物效果如圖6所示。

圖6 航天綜合電子系統(tǒng)實物設(shè)計

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

該綜合電子系統(tǒng)的核心組件為飛控組件，而軟件作為飛控組件的靈魂模塊，是綜合電子系統(tǒng)實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵。該軟件由于SiP芯片內(nèi)部構(gòu)成的異構(gòu)多核處理器而需要采用全新的模塊化設(shè)計思想來開展設(shè)計。為了減少算法對硬件資源的消耗，需要將飛控軟件與導航軟件分別配置在兩個不同的C6713內(nèi)核中，兩個DSP內(nèi)核通過FPGA配置的雙口RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳遞。同時，對于接口功能的邏輯，如RS422/485總線通訊，I/O輸出控制，I/O輸入識別等功能，全部由性能靈活的FPGA芯片實現(xiàn)。

DSP芯片的軟件包括底層驅(qū)動層和應(yīng)用層，底層驅(qū)動層軟件包括系統(tǒng)初始化，雙核交互機制，定時器配置，中斷模塊配置等，應(yīng)用層軟件包括對外部設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)流的控制、自檢、裝訂、制導姿控算法解算，控制信號輸出，遙測信號輸出等功能。軟件系統(tǒng)框圖如7所示。

圖7 軟件系統(tǒng)框圖

6 性能驗證與分析

對飛行器綜合控制系統(tǒng)的功能性能評估主要從兩方面展開，一方面是其電路各個功能接口的正確協(xié)調(diào)性，一方面是主控CPU的運算處理能力。本文利用接口豐富的工業(yè)測試儀對系統(tǒng)的硬件接口進行了功能驗證，驗證的接口主要包括輸入I/O接口、輸出I/O接口、RS422/485總線接口、CAN總線接口、1553B總線接口。通過驗證測試，各個接口功能正常，能夠?qū)崿F(xiàn)I/O的輸入輸出和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

本文選取了2款成熟產(chǎn)品的主控CPU(CPU型號分別為TMS320F2812和TMS320C6713B)進行了運算性能的對比，運行軟件采用相同的飛行控制算法和卡爾曼濾波組合導航算法[11]。通過三款CPU完成一次運算的時間作為性能比較基準，由表1可以看出，本文所設(shè)計的SiP芯片具有更加優(yōu)秀的運算性能。

表1 CPU性能對比

7 結(jié)論

本文提出了一種利用VNX總線架構(gòu)(即VITA-74總線)實現(xiàn)的航天飛行器綜合控制系統(tǒng)設(shè)計，使其滿足了未來航天工業(yè)及小型化航天飛行器對電子設(shè)備小型化、集成化、模塊化的需求。本文介紹了VNX總線標準及該方案的總體設(shè)計思路，并針對綜合控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計進行了詳細描述。硬件上，采用功能豐富、性能強大、功耗低的SiP芯片實現(xiàn)了核心組件的設(shè)計，同時，通過設(shè)計豐富高可靠的通訊接口、通用I/O輸入輸出接口、配電接口實現(xiàn)航天綜合電子系統(tǒng)的各項功能指標；軟件設(shè)計上，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法，將底層硬件開發(fā)結(jié)合上層應(yīng)用軟件開發(fā)，通過可編程邏輯模塊的設(shè)計，減輕了CPU的資源負擔，可以保證CPU更高效可靠地實現(xiàn)相應(yīng)算法。VNX總線的模塊化設(shè)計思想極大的降低了未來新產(chǎn)品的研發(fā)成本和研發(fā)周期。目前，該航天飛行器綜合控制系統(tǒng)已經(jīng)完成了樣機設(shè)計，并進行了相應(yīng)的性能測試試驗，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)工作正常，各項性能指標滿足任務(wù)需求，可用于未來航天飛行器的使用。