基于SoC技術提高航天控制系統(tǒng)自主可控能力的策略研究

張妍 張亞波 李萌 孫靖

摘? 要：為了提高我國航天控制系統(tǒng)的自主可控能力，本文提出了基于SoC技術的航天控制系統(tǒng)發(fā)展策略，詳細介紹了SoC技術的基本概念、主要特性，以及對實現自主可控的航天控制系統(tǒng)的重要性，并提出SoC設計的整體流程及其質量管理管理方案。本文從航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與及系統(tǒng)級驗證兩個方面闡述了對所設計系統(tǒng)的驗證方式，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

關鍵詞：SoC技術? 控制系統(tǒng)? 自主可控? 系統(tǒng)驗證

中圖分類號：V44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0004-03

Research on Strategy of Improving Autonomous Controllability of Aerospace Control System Based on SoC Technology

ZHANG Yan? ZHANG Yabo? LI Meng? SUN Jing

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076? China）

Abstract： In order to improve the autonomous and controllability of China's aerospace control system， this paper puts forward the development strategy of aerospace control system based on SoC technology. The basic concept and main characteristics of SoC technology and its importance to the realization of autonomous and controllable aerospace control system are introduced in detail. The overall process of SoC design and its quality management scheme are put forward. FINALLY， the verification method of the designed system is described from two aspects： SoC software and hardware function division and system level verification of aerospace control system， so as to ensure the stability and reliability of the system.

Key Words： SoC technology; Control system; Autonomous and controllable; System verification

自20世紀50年代以來，航天技術充分結合并利用各個學科、門類的發(fā)展，在相關的各項技術上都有了突破性的進展。衛(wèi)星從最初的科學探究試驗逐步走向了面向應用的發(fā)展策略。目前，航天器已廣泛涵蓋了多種深空探測器、空間站及各種應用衛(wèi)星等[1]。自Wiener創(chuàng)立的經典控制理論以來，隨著工業(yè)及人們生活需求的不斷提升，控制理論正在朝著系統(tǒng)化、集成化、智能化的方向發(fā)展[2]。特別是在航天應用領域，因我國國防安全的特殊要求，其控制系統(tǒng)智能化成為評價一個國家國防能力的重要指標。航天控制系統(tǒng)的可靠性與相關技術的自主可控能力已經受到了各個國家相關科研人員的高度重視。

此外，雖然近年來我國的航天技術得到了迅猛發(fā)展，但是由于我國對航天控制系統(tǒng)的研究起步較晚，目前依然存在控制系統(tǒng)儀器多、集成度低、可靠性差、部分高精尖技術依賴進口、不可控等問題。因此如何實現完全自主的設計并滿足符合我國航天設備型號需求的、適用于嵌入實時控制的產品是當前面臨的最為迫切的問題。在上述需求背景下，片上系統(tǒng)（SoC，System On a Chip）作為現代電子技術系統(tǒng)化、智能化發(fā)展的重要研究方向，將其與知識產權技術相結合，為我國完成自主可控、靈活可靠的航天控制系統(tǒng)提供新的機遇。

1? SoC及其重要性分析

隨著微電子技術的不斷發(fā)展，并結合微組裝、EDA等相關技術，可以將原傳統(tǒng)機箱搭建的電子系統(tǒng)轉變?yōu)楦叨燃傻陌浻布δ艿碾娮有酒撔酒礊镾oC。結合SoC技術的特點與優(yōu)勢，可以將所需的航天控制系統(tǒng)集成在一個或多個電路芯片上，以包含所需的飛控軟件、各類電路的功能，該芯片即被稱為片上控制系統(tǒng)。根據片上控制系統(tǒng)規(guī)模的大小，可以將其粗略的分為兩大類。一類是將飛行控制軟件與功耗較低的電路集成在一定數量的SoC中，從而實現部分功能的集成，該類方式被稱為狹義的片上控制系統(tǒng);另一類則是將控制系統(tǒng)的各部分模塊全部利用微硅的方式來集成，因此被稱為完全片上控制系統(tǒng)[3]。

對于航天控制系統(tǒng)，利用SoC技術可以從特定的應用出發(fā)，并將其嵌入到相應的電控系統(tǒng)中，從而達到高度集成、可靠，且功耗低的目的[4]。具體來說，SoC的主要特點可以總結為如下幾個方面。

（1）SoC涉及領域較廣、涵蓋技術眾多。例如，在航天控制系統(tǒng)的Soc與微電子技術、計算機技術、集成技術及諸多跨學科領域技術具有較為密切的關系。

（2）由于高度的集成使得SoC的功能密度大、成本低。

（3）在航天控制系統(tǒng)中，SoC在設計過程中應與相應的航天型號及應用進行緊密結合，確保其在有效的面積上，能夠高效、可靠地實現系統(tǒng)及功能的集成。

（4）當SoC設計完成之后，便很難進行二次開發(fā)。也就算說其功能無法在后期進行進一步的修改與完善。因此在設計之初，應當具備一套較為完善的SoC開發(fā)工具、環(huán)境及驗證手段，從而保證其產品的質量。

由于SoC技術對于航天控制系統(tǒng)的相關產品能夠在性能、功耗等方面做出巨大的提升，因此近年來在國內外得到了廣泛的關注，為了提高我國航天控制系統(tǒng)的自主可控能力，對其進行研究具有極其重要的意義與價值。

2? SoC設計流程及其質量管理

2.1 SoC設計流程

關于航天系統(tǒng)的SoC設計，首先需要了解其詳細的設計流程。圖1為SoC設計開發(fā)過程的具體流程，即主要包括4個步驟。

2.1.1 系統(tǒng)分析和設計

結合航天設備的具體型號及相關的應用需求，完成所需的控制系統(tǒng)體系結構的設計，并構建相應的仿真系統(tǒng)。同時，根據系統(tǒng)中的軟件及硬件的特性，明確航天控制系統(tǒng)具體的功能，并通過任務書的形式，給出較為具體的用于分析其系統(tǒng)性能的詳細指標[5]。

2.1.2 方案論證和設計

結合步驟（1）給出的任務書，確定相關參數及技術指標，并完成SoC芯片的總體方案設計。通過分析和驗證明確芯片的功能規(guī)格、靜電防護、核心處理器的選用、不同子模塊的IP核，及國產化需求等。

2.1.3 芯片ASIC設計

根據總體方案設計，完成SoC源代碼編寫、仿真測試、布局布線等相關設計與測試，并對芯片進行封裝與生產。

2.1.4 測試與應用

對所設計并生產的芯片進行完善的測試，主要包括功能的完整性與可靠性測試、詳細參數指標驗證、系統(tǒng)級驗證，同時對其進行產品鑒定與應用[6]。

2.2 SoC研制質量管理

SoC的質量關系到整個航天設備穩(wěn)定性及可靠性，任何的故障都可能帶來巨大的經濟損失。因此，對SoC研制過程中每一步的質量進行嚴格的控制與管理具有非常重要的意義。應結合圖1所示的研制流程圖及具體的航天設備需求，制定詳細的質量管理及評分手冊，只有在當前設計步驟滿足規(guī)定得評分要求時，才能進入下一階段，并在合理的研制節(jié)點，根據系統(tǒng)需求，組織相關專家進行復查與驗收工作，從而有效地減少個別人為因素導致的評審不規(guī)范問題。

SoC源代碼主要是通過VHDL或Verilog HDL語言來編寫的，其在很大程度上直接決定了航天控制系統(tǒng)的功能的實現及性能的優(yōu)劣。對于諸如針對衛(wèi)星、彈載等航天設備開發(fā)的源代碼主要采用A級軟件管理，而如果是對地匝測試設備等應用所開發(fā)的SOC代碼，則通過B級軟件管理。

3? 航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與驗證

3.1 軟硬件功能調試及劃分

SoC的設計復雜度、集成度很高，主要包括系統(tǒng)分析、規(guī)范描述、系統(tǒng)級驗證三大方面。利用傳統(tǒng)方法進行軟硬件劃分、確定模塊功能和體系結構已經無法實現SoC的設計，必須按照設計重用和IP組裝的概念進行設計，即可提高效率。劃分過程非常重要，該過程要對模塊劃分、模塊接口、處理性能等進行優(yōu)化，同時降低功耗，保持信號完整，交流溝通順暢，設計收斂。需要注意的是，此劃分過程全部在EDA環(huán)境中進行，首先進行系統(tǒng)分析和系統(tǒng)級驗證，再經過有限次迭代。為完成好這些步驟，前端和后端必須實現共享數據，時域必須性能優(yōu)良，總線設計整體調試方便，設計使用恰當，保證后期的迭代次數減少，以完成正確的系統(tǒng)規(guī)格（System specmcation）。

3.2 SoC系統(tǒng)級驗證

系統(tǒng)級驗證貫穿SoC設計整個流程，主要包括驗證規(guī)劃、IP核驗證、功能驗證、系統(tǒng)環(huán)境適應性驗證等部分。

首先，完整的驗證規(guī)劃主要包括對模塊和頂層的測試策略;SoC設計為實現高質量的驗證，嚴格要求設計需求和規(guī)范，把系統(tǒng)級的功能驗證和時序驗證作為最重要的部分。從第一步驗證規(guī)劃開始就進行了系統(tǒng)驗證，方便與設計師進行及時交互，作為驗證過程的說明書，保證整個驗證過程具有較強的可讀性及易用性。

其次，IP核驗證作為整個系統(tǒng)驗證的前提條件，其主要作用是用于驗證IP功能及時序的正確性。為了避免由于當前航天控制系統(tǒng)功能的不斷增加，導致時序驗證的復雜度成指數性增長，在設計初期應建立相應的驗證規(guī)范與計劃。

功能驗證最初是用直接測試向量進行的，但是這種方法存在很多的弊端，如耗費時間長、投入精力多、覆蓋率低、操作繁瑣。因此，只能滿足相對簡單、復雜度低的系統(tǒng)。隨著設計規(guī)模的增大，在傳統(tǒng)設計的基礎上發(fā)展了更為方便地約束隨機測試，此方法仍然包括語言、平臺和方法3個關鍵點。作為驗證中最復雜，工作量最大也最靈活的部分，該方法大大縮短了驗證時間，而且覆蓋率高，以基于斷言的驗證方法為例，其利用約束隨機測試向量可以對輸入的期望行為進行準確的描述，從而利于描述設計中的一些復雜關系。

最后，對系統(tǒng)環(huán)境適應性進行驗證。在實現基于SoC技術的自主可控航天控制系統(tǒng)設計過程中，在確?；赟oC的功能性完整之外，還需要對其在特定環(huán)境中的工作性能及穩(wěn)定性進行分析與驗證。例如，通過強電磁脈沖干擾等環(huán)境，對其工作性能進行驗證。

4? 結語

本文針對如何提高我國航天控制系統(tǒng)自主可控能力的策略問題，研究了基于SoC技術的控制系統(tǒng)實現及驗證方式，闡述了SoC的基本概念及其對實現自主可控的航天控制系統(tǒng)的重要意義，并提出了SoC設計的詳細流程，明確了其質量管理的必要性。最后，為了保證設計系統(tǒng)的有效性，總結概括了航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與驗證方法，對實現自主可控的航天控制系統(tǒng)具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 藺陸洲.從太空競賽到空間合作航天外交的理論建構與現實轉型[D].北京：外交學院，2020.

[2] 鄭茂寬.智能產品服務生態(tài)系統(tǒng)理論與方法研究[D].上海：上海交通大學，2018.

[3] 方凱.基于轉換概率分析的硬件木馬檢測方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2019.

[4] 王曉東，張磊，江思榮，等.基于自主可控SoC的航天控制系統(tǒng)集成應用研究[J].航天控制，2020，38（2）：10-14.

[5] 劉浩.民用飛機環(huán)控系統(tǒng)仿真研究[D].南京：南京航空航天大學，2019.

[6] 劉嘉珺.ZYNQ SoC驗證平臺的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2020.