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2020-09-22 10:10

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基于国产化S698PM芯片的SIP小型化星敏感器电控系统设计

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【摘要】:
 摘要:随着航天技术的不断发展和研究的不断深入,星敏感器作为目前航天器中精度最高的空间姿态测量装置,为航天器提供准确的空间方位和基准。

基于国产化S698PM芯片的SIP小型化星敏感器电控系统设计

李光,颜志宇,吴郁琪,任志新,孙凌燕,杨蕾

(珠海欧比特宇航科技股份有限公司,广东 珠海 519080)

摘要:随着航天技术的不断发展和研究的不断深入,星敏感器作为目前航天器中精度最高的空间姿态测量装置,为航天器提供准确的空间方位和基准。本文主要阐述了针对星敏感器电控系统国产化、高精度和小型化的应用需求,基于珠海欧比特宇航科技股份公司国产化SOC多核处理器S698PM芯片、高集成度电路设计、SIP立体封装小型化设计等内容, 提出了一种高精度小型化星敏感器电控系统设计方案,以解决狭小空间高度集成的小型化问题,为今后星敏感器在我国其它航天任务中的应用打下了良好的基础。

关键词:国产化;多核处理器S698PM芯片;SIP小型化;

中图分类号:V19    文献识别码:A

Electronic Control System Design of SIP Miniaturization Star Sensor Based on the Homemade S698PM Chip

Li Guang,Yan Zhiyu,Wu Yuqi ,Ren Zhixin,Sun Lingyan,Yang Lei

Abstract:With the continuous development of space technology and the further development of research, star sensor, as the most accurate space attitude measurement device in the spacecraft, provides accurate spatial orientation and datum for spacecraft. This paper mainly expounds the application requirements for localization, high precision and miniaturization of the electronic control system of star sensor. Based on the multi-core processor SOC S698PM chip produced in China, high integration circuit design and the compact design of SIP package, a miniaturized star sensitivitywith high precision is proposed. The target of the electronic control system design for the star sensor is to solve the miniaturized problem of the high integration of the narrow space and to lay a good foundation for the future application of star sensor in other space missions in China.

Keywords:Homemade;Multi-core processor S698PM chip;SIP miniaturization;

 

引言

  星敏感器是以某一颗亮度高于+2的可见恒星为参照基准,以星空为工作对象测量恒星相对于航天器的角位置的高精度空间姿态测量装置,通过与星历表中该星的角位置参数来进行比较,以确定卫星、导弹、飞船等飞行器的姿态,根据参数来确定飞行器当前所处的方位和基准。同太阳敏感器、惯性陀螺、地球敏感器等其他调节飞行器姿态的敏感器相比较,星敏感器指向精度高、无姿态累积误差、具有完全自主导航能力以及有较好的隐蔽性,所以航空航天飞行器往往选择星敏感器作为姿态敏感器。

 

1星敏感器系统概述

  图1.1是星敏感器系统内部结构图,系统一般由电控系统、光学系统和机构本体3部分构成。光学系统中包含遮光罩、光学镜头及临时连接筒,遮光罩可以减小杂散光的干扰,光学镜头接收指定的导航星所发出的可见光,并将其成像在光学系统的对焦平面上。电控系统是将光学系统所成的像进行光电转换并进行空间离散采样,转换成相应的数字星图,从而提取各星点目标精确的质心位置。机构本体则是用来连接光学系统和电控系统从而形成一个整体。

图1.1 星敏感器系统内部结构图

  如图1.2所示是星敏感器的工作原理图,当星空在星敏感器的光学镜头上成像时,镜头内星空中所有的恒星都会经过光学镜头并在图像传感器的感光面上成像,同时星象的光能量转换成为电荷,经过支持电路识别转换成为电荷图像,将该图像放大后转换成为电压模拟信号,模拟信号通过A/D转换器转换后转换成为数字量信号,这些数字量会与图像传感器的像元一一对应地存储到数据存储单元中。对转换为数字量的星图进行星点提取、星点坐标计算以及星图识别处理,将星体所形成的像点与导航星库中的星体进行比对,得到与像点对应的星体在天球坐标系中的位置坐标,根据这个位置坐标完成卫星姿态最终的确定。

图1.2 星敏感器工作原理

 

2星敏感器电控系统性能特点

  本文设计的星敏感器电控系统以珠海欧比特宇航科技股份有限公司研制生产的高可靠、高性能嵌入式SOC多核并行处理器S698PM芯片为主集成512K*40Bit数据存储SRAM和16G*40Bit程序存储Flash,支持Vxworks操作系统,支持片内二级缓存机制和RS232、JTAG、Ethernet在线调试,具有TMR三模冗余加固、EDAC检错纠错和复位等功能,具备2路1553B接口、2路CAN接口、2路RS232接口、16路A/D转换和16路GPIO等丰富的外设接口资源。

 

3星敏感器电控系统设计方案

  本文设计的星敏感器电控系统全部选用国产化器件,采用高集成度电路和SIP立体封装小型化设计方案,设计方案如图3.1所示。系统主要由控制处理单元、数据存储单元、数据通信单元和对外接口单元等组成,以S698PM为核心,集成数据存储器SRAM、程序存储器Flash、可编程门阵列(FPGA)、晶振、复位电路、以及1553B总线电平转换芯片、CAN总线电平转换芯片、A/D转换芯片等器件,如图3.2所示。星敏感器电控系统共由4层构成,各层基板采用柔性PCB板,层间互连信号通过模块表面的金属镀层走线互连,实现拥有自主知识产权的国产化、小型化星敏感器的目标,解决狭小空间高度集成的小型化问题。

图3 .1星敏感器电控系统设计方案图

图3.2 星敏感器电控系统结构框图

3.1控制处理单元

  控制处理单元是星敏感器电控系统的核心,通过接收、处理由载体控制器传输来的拍摄的星图数据,计算星点目标的质心位置然后将位置坐标数据通过数据通信单元传回到载体控制器中。

  控制处理单元由处理器芯片、晶体振荡器、复位芯片组成,其中,处理器芯片选用珠海欧比特宇航科技股份有限公司研制生产的一款国产化高可靠、高性能嵌入式SOC多核并行处理器S698PM芯片,该芯片主要负责接收数据处理单元的控制指令,将光学系统捕获到的星图按数字的方式存储于内存中,对转换为数字量的星图进行星点提取、星点坐标计算以及星图识别处理,将星体所形成的像点与导航星库中的星体进行比对,得到与像点对应的星体在天球坐标系中的位置坐标,根据这个位置坐标完成卫星姿态最终的确定。

  国产化多核并行处理器“S698PM”芯片是一款抗辐照型的高性能、高可靠、高集成度、低功耗的多核并行处理器SOC芯片,采用对称多处理架构(SMP),遵循SPARC V8标准,专为高端嵌入式实时控制及复杂计算等应用而设计。S698PM芯片内部集成4个相同的高性能处理器核心,每个处理器核心均由32位RISC整型处理单元(IU)、双精度浮点处理单元(FPU)、高速一级缓存(L1 Cache)和存储器管理单元(MMU)等组成。芯片内部集成了丰富的片上外设,包括GPIO、UART、定时器、中断控制器、调试支持单元、存储器控制器、1553B总线控制器、CAN总线控制器、以太网控制器、SpaceWire总线节点控制器、CCSDS遥控/遥测控制器、USB2.0主控器、SPI主控器、I2C主控器等功能模块。内部所有逻辑单元均具有三模冗余(TMR)加固,片内与片外存储器进行了检错纠错(EDAC)加固,芯片抗辐照指标满足高可靠、抗辐照产品要求,支持片内二级缓存机制和RS232、JTAG、Ethernet在线调试,最高主频可达600MHz,峰值处理能力2100MIPSMIPS/900MFLOPS,采用65nm生产工艺,具备“抗辐照、高集成度、低功耗、超稳定、长寿命、小型化”等特点,可广泛应用在航空、航天、电子、核工业、兵器、船舶、测控、工业控制等领域。如图3.3所示。

图3.3S698PM芯片内部结构框图

3.2数据通信单元

  数据通信单元由可编程逻辑门阵列、A/D转换芯片、1553B收发芯片、异步串口电平转换芯片和CAN电平转换芯片组成,主要负责与光学系统、载体控制器和载体遥测系统的通信。通过数字信号与光学系统进行通信,采用1553B总线与CAN总线与载体控制器进行通信,与遥测数据进行通信则采用RS232总线协议形式。

3.3数据存储单元

  数据存储单元是星敏感器电控系统的数据存储单元,主要由E2PROM、SRAM、Flash组成,颗将光学系统捕获到的星图按数字的方式存储于内存中,将转化为数字量的星图进行星点提取、星点坐标计算以及星图识别处理,将星体所形成的像点与导航星库中的星体进行比对,得到与像点对应的星体在天球坐标系中的位置坐标。

 

4星敏感器电控系统SIP小型化设计

  通过SIP立体封装小型化设计,可减少整个系统的PCB面积和寄生效应,降低重量,提高产品的机械性能、抗震动、冲击以及耐湿性,增强EMI电磁兼容,实现更高的电气性能和电气信号完整性。

  根据封装方案设计和器件的合理布局,对整个系统进行原理分解及叠层PCB板设计绘图,通过信号完整性分析和热力学分析,对各叠成板进行功能和环境测试,经过立体堆叠、灌封成像、模块切割、表面处理、连线雕刻等工艺和可靠性验证,如图4.1所示。形成了外形尺寸为35 mm *35 mm *15mm、重量30克、QFP-144封装形式的小型化星敏感器电控系统。如图4.2所示。

图4.1 SIP小型化流程图

图4.2星敏感器电控系统实体图

 

5结论

  本文针对星敏感器国产化、高精度和小体积的应用需求,基于珠海欧比特宇航科技股份公司国产化SOC多核处理器S698PM芯片、高集成度电路设计、SIP小型化设计,实现拥有自主知识产权的国产化、小型化星敏感器电控系统的目标,解决狭小空间高度集成小型化问题;本文设计了一种基于国产化S698PM芯片的高精度小型化星敏感器电控系统,该电控系统可实现对目标图像的捕获以及数字图像数据的存储和输出,能够与载体控制器和遥测部分实现可靠的通信,并且实现了自主可控、国产化、高集成度、小型化的目标,为今后S698PM多核处理器和SIP小型化设计在我国航天中其它任务中的应用具有重要意义。

 

参考文献

[1]颜军,蒋晓华,唐芳福,龚永红,颜志宇,黄小虎,面向宇航应用的高性能多核处理器S698PM芯片的设计,航天控制,2016.8;

[2]颜军.SPARC嵌入式系统设计与开发S698系列处理器使用教程[M].中国标准出版社,2013;

[3]高性能32 位多核处理器SOC 芯片S698PM 用户手册,珠海欧比特宇航科技股份有限公司,2014;

[4]王祝金,蒋晓华,廖华,颜军,高可靠平台计算机设计,Design设计天地,2008.11(90-93);

[5]王水弟,蔡坚,贾松良,系统芯片(SOC)与系统级封装(SiP),中国集成电路,2003(4);

[6]尤政等,空间微系统与微纳卫星,国防工业出版社,2013.6。

 

作者简介

 

李光(1983-),男,本科,主要研究方向:基于SPARC架构的SOC与立体封装SIP产品的应用及宇航总线电子产品研发、设计、应用。

颜志宇(1984-),男,本科,主要研究方向:基于SPARC架构的SOC与立体封装SIP产品的应用及宇航总线电子产品研发、设计、应用。

吴郁琪(1984-),女,本科,主要研究方向:基于SPARC架构的SOC与立体封装SIP产品的应用及宇航总线电子产品研发、设计、应用。

任志新(1968-),男,本科,主要研究方向:基于SPARC架构的SOC与立体封装SIP产品的应用及宇航总线电子产品研发、设计、应用。

孙凌燕(1976-),男,本科,主要研究方向:基于SPARC架构的SOC与立体封装SIP产品的应用及宇航总线电子产品研发、设计、应用。

杨蕾(1975-),男,本科,主要研究方向:基于SPARC架构的SOC与立体封装SIP产品的应用及宇航总线电子产品研发、设计、应用。

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