一種星載電子設(shè)備嵌入式集成管理單元設(shè)計(jì)

劉朋 施思寒 謝斌 趙志明

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

傳統(tǒng)衛(wèi)星研制模式中，星載電子設(shè)備大多基于獨(dú)立的功能元器件設(shè)計(jì)，不同單機(jī)研制的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)差異較大，模塊通用性差，系統(tǒng)集成時(shí)，容易出現(xiàn)電子系統(tǒng)間的兼容性問(wèn)題，且問(wèn)題相互疊加影響，難以定位，阻礙衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)快速集成和應(yīng)用。電子設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用軟件由不同研制單位針對(duì)具體衛(wèi)星專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)，通信協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)各不相同，功能軟件可移植性差，軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程滯后，不同衛(wèi)星的電子設(shè)備軟件都需要重新評(píng)測(cè)，軟件研發(fā)周期延長(zhǎng)。因此，軟硬件架構(gòu)不統(tǒng)一，通用性差，難以滿足不同衛(wèi)星的批量化實(shí)現(xiàn)快速接入和應(yīng)用需求。

隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，電子產(chǎn)品小型化、微型化趨勢(shì)要求微電子技術(shù)的不斷微小型化，促進(jìn)了系統(tǒng)級(jí)封裝(System in Package，SIP)技術(shù)的發(fā)展，SIP設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中使用了先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：分割(partitioning)與整合、覆晶、鍵合(wire bonding)、芯片多層堆疊、高密度粘接和最佳化的測(cè)試方法等技術(shù)?；赟IP技術(shù)的器件有利于減少星上電子元器件規(guī)模和體積，降低星載設(shè)備的功耗，同時(shí)促進(jìn)星載電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，加速星載管理設(shè)備的研制進(jìn)度，保障星載管理硬件的研制質(zhì)量?；赟IP技術(shù)，歐洲的微系統(tǒng)封裝32位計(jì)算模塊(MCMERC32)單元集成了中央處理器(CPU)、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(DRAM)以及總線、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)等資源，質(zhì)量150 g，功耗12 W，抗輻照值為30 krad。NASA戈達(dá)德宇航中心為促進(jìn)即插即用的發(fā)展，基于SIP技術(shù)研制了關(guān)鍵服務(wù)單元(Essential Servers Node,ESN)，通過(guò)ESN嵌入各分系統(tǒng)，將分系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的接入衛(wèi)星總線。ESN包含了微處理器、MIL-STD-1553B以及MIL-STD-1773接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、16路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)采集電路等，ESN功耗設(shè)計(jì)小于1 W，尺寸為66.04 mm×66.04 mm×7.62 mm。

我國(guó)的快速響應(yīng)、商業(yè)遙感等衛(wèi)星對(duì)星上電子設(shè)備接入管理的靈活性，電子設(shè)備功能密度、可靠性以及成本等提出了新的要求，需要進(jìn)一步研究電子系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)星載通用電子設(shè)備接口與管理技術(shù)[1-2]?；趪?guó)內(nèi)外衛(wèi)星電子設(shè)備接口管理技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，本文研究并驗(yàn)證一種星載電子設(shè)備嵌入式集成管理單元設(shè)計(jì)方法，將衛(wèi)星電子設(shè)備的運(yùn)算載體、通信載體、遙測(cè)信息采集載體、遙控執(zhí)行載體、程序和狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體集成到統(tǒng)一的嵌入式管理單元中，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星單機(jī)接口與管理硬件的統(tǒng)一。通過(guò)集成嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、測(cè)、控、管等功能軟件中間件，構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)了調(diào)度管理和基礎(chǔ)應(yīng)用軟件的統(tǒng)一。

1 嵌入式集成管理單元總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，基于微系統(tǒng)封裝集成設(shè)計(jì)和軟件中間件進(jìn)行快速?gòu)?fù)用的思想，結(jié)合對(duì)衛(wèi)星下位機(jī)、部組件的通用性接口與管理需求，嵌入式集成管理單元采用分層式總體架構(gòu)，軟件系統(tǒng)構(gòu)建于硬件系統(tǒng)之上。在硬件模塊上構(gòu)建底層驅(qū)動(dòng)中間件，將軟件開(kāi)發(fā)與硬件時(shí)序和寄存器細(xì)節(jié)剝離?；隍?qū)動(dòng)中間件，構(gòu)建操作系統(tǒng)微內(nèi)核，在內(nèi)核層實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、任務(wù)通信、中斷管理、時(shí)間管理中間件。構(gòu)建用戶層軟件中間件，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、熱控、軟件更新中間件。在中間件基礎(chǔ)上，構(gòu)建遙測(cè)、遙控、電源管理等各類(lèi)應(yīng)用程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最頂層的各類(lèi)衛(wèi)星工程化應(yīng)用。

圖1 嵌入式集成管理單元功能需求Fig.1 Embedded integrate management unit function requirement

嵌入式集成管理單元硬件總體功能構(gòu)成如下：星載抗輻照中央處理器(CPU)、程序存儲(chǔ)器(FLASH)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、總線控制及驅(qū)動(dòng)接口電路(CAN)、異步串行通信接口(Uart422)、同步串行通信接口(SPI)、指令控制及驅(qū)動(dòng)接口電路(OC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制及驅(qū)動(dòng)接口電路(AD)、數(shù)模轉(zhuǎn)換控制及驅(qū)動(dòng)接口電路(DA)、脈沖驅(qū)動(dòng)接口(PWM)、、通用輸入輸出接口(GPIO)、定時(shí)器(Timer)、在線調(diào)試模塊等。嵌入式集成管理單元軟件總體功能構(gòu)成如下：任務(wù)調(diào)度、任務(wù)通信、中斷管理、時(shí)間管理、遙測(cè)中間件、遙控中間件、熱控中間件、軟件在軌更新中間件、底層驅(qū)動(dòng)中間件、嵌入式測(cè)試中間件[6]等。

1.1 嵌入式集成管理單元硬件功能總體設(shè)計(jì)

嵌入式集成管理單元在接口上集成衛(wèi)星通信的CAN、422、SPI、PWM等各類(lèi)總線接口資源，在功能上集成CPU、FLASH、SRAM、OC、AD、DA、Timer模塊，將星載衛(wèi)星分系統(tǒng)和部組件的運(yùn)算、通信、信息采集與處理、監(jiān)控等管理功能集成到嵌入式集成管理單元中，將嵌入式集成管理單元打造為衛(wèi)星通用的硬件接口與測(cè)量管理單元[3-4]。

1.2 嵌入式集成管理單元軟件功能總體設(shè)計(jì)

基于通用軟件開(kāi)發(fā)框架實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)的平臺(tái)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與操作系統(tǒng)、應(yīng)用與硬件設(shè)備、應(yīng)用與通信協(xié)議的隔離。整星各部組件、單機(jī)與星務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議、任務(wù)調(diào)度、軟件升級(jí)與更新、異常處理與搶救、自主測(cè)試與管理通過(guò)通用軟件開(kāi)發(fā)框架統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星上電子設(shè)備研制只需要開(kāi)發(fā)關(guān)鍵的頂層應(yīng)用軟件即可，從而實(shí)現(xiàn)快速研發(fā)、快速集成、快速測(cè)試和快速發(fā)射應(yīng)用[5]。

2 嵌入式集成管理單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 嵌入式集成管理單元的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式集成管理單元的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。采用微系統(tǒng)集成技術(shù)，將中央處理器、FLASH存儲(chǔ)器、SRAM存儲(chǔ)器、信息處理相關(guān)的運(yùn)算放大器、模擬開(kāi)關(guān)、譯碼器、電平轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路封裝到同一混合電路標(biāo)準(zhǔn)件中。采用工藝、版圖、布局布線、電路、檢錯(cuò)糾錯(cuò)(EDAC)等多層次設(shè)計(jì)加固措施，提高管理接口單元的可靠性和對(duì)空間環(huán)境的適應(yīng)性[6-7]。

圖2 嵌入式集成管理單元的硬件設(shè)計(jì)圖Fig.2 Embedded integrate management unit hardware design

2.2 嵌入式集成管理單元中央處理器設(shè)計(jì)

嵌入式集成管理單元內(nèi)部集成的中央處理器采用0.18 μm抗輻照工藝。如圖3所示，在中央處理器內(nèi)部集成高速8051內(nèi)核CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換控制器、4路11位DA轉(zhuǎn)換控制器、4路CAN總線控制器、4路Uart422控制器、5路定時(shí)器、3路SPI、32路GPIO(P0～P3)、特殊寄存器(SFR)總線。

基于精簡(jiǎn)指令集，CPU機(jī)器周期由2個(gè)時(shí)鐘周期組成，從而可快速、無(wú)等待地訪問(wèn)ROM或RAM。支持在線調(diào)試，支持程序的單步、連續(xù)、斷點(diǎn)執(zhí)行，支持SFR及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)，兼容通用的可視化Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境[8]。

圖3 中央處理器內(nèi)部框圖Fig.3 Central processor blocked diagram

2.3 嵌入式集成管理單元嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)微內(nèi)核設(shè)計(jì)

基于嵌入式實(shí)時(shí)搶占式內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任務(wù)上下文的現(xiàn)場(chǎng)保存和恢復(fù)，在任務(wù)被剝奪控制權(quán)時(shí)保存任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)，在任務(wù)重新調(diào)度執(zhí)行時(shí)，恢復(fù)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)[9]。

基于快速查找表的任務(wù)調(diào)度算法，任務(wù)調(diào)度算法從當(dāng)前可運(yùn)行的任務(wù)中根據(jù)某個(gè)策略提取一個(gè)可運(yùn)行的任務(wù)在處理器上運(yùn)行?；诨コ庑盘?hào)量的任務(wù)同步機(jī)制，任務(wù)的通信通過(guò)系統(tǒng)在內(nèi)核的全局變量實(shí)現(xiàn)，避免了通用操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)郵箱，隊(duì)列等對(duì)內(nèi)核的負(fù)擔(dān)和開(kāi)銷(xiāo)。實(shí)現(xiàn)了用戶級(jí)任務(wù)擴(kuò)展機(jī)制，考慮到應(yīng)用層用戶任務(wù)的多樣性，定義好的用戶任務(wù)擴(kuò)展方式，可加速軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)度，保障系統(tǒng)穩(wěn)定性[10]。用戶任務(wù)擴(kuò)展模式如圖4所示。

圖4 用戶任務(wù)擴(kuò)展模式Fig.4 User task extension mode

2.4 嵌入式集成管理單元功能軟件中間件設(shè)計(jì)

嵌入式集成管理單元通用軟件包含五類(lèi)功能軟件中間件。遙控中間件面向底層實(shí)現(xiàn)對(duì)總線遙控?cái)?shù)據(jù)接收、協(xié)議處理，解碼、分類(lèi)和應(yīng)答，嵌入式集成管理軟件接收遙控輸入，處理自身的虛擬指令，通知和分發(fā)分系統(tǒng)的間接指令，用戶行為的控制權(quán)掌握在管理軟件控制之下。面向應(yīng)用層軟件自主實(shí)現(xiàn)地面上注遙控指令的信息交互和調(diào)度管理[11]。遙測(cè)中間件將CAN上信息流和控制流的接收和解碼抽象出來(lái)，剝離遙測(cè)數(shù)據(jù)的同步、編碼、組幀，將分系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)的回送過(guò)程封裝，面向應(yīng)用層設(shè)計(jì)的只是遙測(cè)數(shù)組。抽象程序控制，用戶按需設(shè)計(jì)任務(wù)并按照系統(tǒng)的任務(wù)同步特性設(shè)置信號(hào)量，任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行由嵌入式集成管理軟件本身完成。抽象底層硬件設(shè)備，面向用戶的只是各硬件設(shè)備的接口函數(shù)。嵌入式集成管理軟件追求的一個(gè)目的就是盡量避免用戶直接操作硬件寄存器，減少系統(tǒng)的誤配置和誤操作同時(shí)加速底層程序開(kāi)發(fā)。抽象嵌入式集成管理單元的自測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了嵌入式集成管理單元自主測(cè)試任務(wù)，快速測(cè)試嵌入式集成管理單元的模塊健康狀態(tài)，給出封裝各模塊的健康狀態(tài)標(biāo)識(shí)。

3 嵌入式集成管理單元設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

嵌入式集成管理單元目前已經(jīng)在我國(guó)首個(gè)0.5米級(jí)商業(yè)遙感衛(wèi)星星座(高景一號(hào))、珠江一號(hào)視頻星座等十余顆小衛(wèi)星上使用，在軌使用數(shù)量已超過(guò)70片。嵌入式管理單元模塊封裝照片如圖5所示，外形尺寸為45 mm×45 mm×13 mm。

圖5 嵌入式集成管理單元實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Embedded integrate management unit photo

如表1所示，以CAST2000小衛(wèi)星平臺(tái)星載測(cè)控應(yīng)答機(jī)為例(傳統(tǒng)設(shè)計(jì))，將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與本文嵌入集成管理單元的應(yīng)答機(jī)比較。

表1 嵌入集成管理單元的單機(jī)與傳統(tǒng)單機(jī)比較

如表2所示，傳統(tǒng)基于VxWorks系統(tǒng)和本文軟件設(shè)計(jì)的性能比較，本文任務(wù)調(diào)度內(nèi)核較VxWorks更為精簡(jiǎn)。通過(guò)對(duì)高景一號(hào)星座星地測(cè)控應(yīng)答機(jī)和能源管理單元下位機(jī)的軟件統(tǒng)計(jì)，軟件中間件可以節(jié)省傳統(tǒng)下位機(jī)80%以上的軟件研制工程量。

表2 與VxWorks操作系統(tǒng)的軟件性能比較

3.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)采用微系統(tǒng)封裝技術(shù)，有效減少設(shè)備體積和質(zhì)量：通過(guò)SIP技術(shù)將構(gòu)成系統(tǒng)的各功能裸片和調(diào)理電路在基板上封裝、鍵和。將傳統(tǒng)單機(jī)多個(gè)板卡實(shí)現(xiàn)的功能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式集成管理芯片中實(shí)現(xiàn)，有效降低設(shè)備體積，縮短研制過(guò)程中的硬件電路的調(diào)試周期。

(2)集成通用的操作系統(tǒng)微內(nèi)核和功能軟件中間件，提高軟件復(fù)用率，減少軟件開(kāi)發(fā)的工程量：提供統(tǒng)一的多任務(wù)實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)通用的任務(wù)擴(kuò)展與調(diào)度保障衛(wèi)星各分系統(tǒng)測(cè)控管理的統(tǒng)一性和可靠性。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，通用的軟件可以節(jié)省傳統(tǒng)下位機(jī)(應(yīng)答機(jī)下位機(jī)、配電下位機(jī)等)80%以上的軟件研制工程量，加速整星研制和測(cè)試進(jìn)度。

(3)優(yōu)化衛(wèi)星電子系統(tǒng)研制模式，縮短研制流程：傳統(tǒng)衛(wèi)星研制模式中，需要安排3～5天數(shù)管計(jì)算機(jī)與接入星上網(wǎng)的各下位機(jī)桌面聯(lián)試的流程，以驗(yàn)證星上總線各節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議和時(shí)序正確。嵌入集成管理單元的單機(jī)因?yàn)榉庋b了統(tǒng)一的軟件協(xié)議和硬件接口，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)室接口測(cè)試的流程，避免整星集成過(guò)程中的可能引入的問(wèn)題，提高研制效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的嵌入式集成管理單元通過(guò)將14類(lèi)硬件功能集成，形成了統(tǒng)一的硬件開(kāi)發(fā)模塊；通過(guò)將9類(lèi)功能軟件集成，形成了統(tǒng)一的軟件開(kāi)發(fā)框架。通過(guò)高景一號(hào)等星座的研制表明，嵌入式集成管理單元的應(yīng)用可以減少單機(jī)質(zhì)量58%，減少單機(jī)體積52%?；诒疚牡募绍浖蚣芸梢詼p少傳統(tǒng)下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)80%的工程量，加快衛(wèi)星研制的進(jìn)度。此嵌入式集成管理單元在硬件上集成通用的電路模塊，在軟件上復(fù)用中間件的設(shè)計(jì)理念，以及在工程上成功推廣應(yīng)用的情況可以為后續(xù)分布式衛(wèi)星電子系統(tǒng)的研制提供參考。