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基于S698PM星载计算机主板的设计研究

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【摘要】:
摘  要: 星载计算机长期工作在宇宙空间辐射环境中,各种辐射效应是导致星载计算机在运行期间发生故障的主要原因。各类容错技术,纷纷被用于星载计算机中以提高系统的可靠性,对于保证整个卫星系统的长寿命准确稳定运行具有重要意义。S698PM芯片是一款优秀的国产抗辐射型高性能宇航级SOC芯片,具有三模冗余加固、检错纠错加固技术,并具有强劲的计算性能和丰富的宇航总线接口,因此,设计一款基于S698PM星载计算

基于S698PM星载计算机主板的设计研究

代威威,董文岳,龚永红

(珠海欧比特宇航科技股份有限公司,广东 珠海 519080

  星载计算机长期工作在宇宙空间辐射环境中,各种辐射效应是导致星载计算机在运行期间发生故障的主要原因。各类容错技术,纷纷被用于星载计算机中以提高系统的可靠性,对于保证整个卫星系统的长寿命准确稳定运行具有重要意义。S698PM芯片是一款优秀的国产抗辐射型高性能宇航级SOC芯片,具有三模冗余加固、检错纠错加固技术,并具有强劲的计算性能和丰富的宇航总线接口,因此,设计一款基于S698PM星载计算机主板是非常有必要的。

关键词星载计算机;S698PM;抗辐射;EDAC

中图分类号TN915             文献标识码A      文章编号:

Design of Computer control system based on S698-T

Dai WeiweiDong WenyueGong Yonghong

 (Orbita (Zhuhai) Control Engineering Co., Ltd. Guangdong, Zhuhai, 519080)

Abstract S698-T is based on LEON4 core ,designed for the high-end embedded real-time control application and complex calculation .This article of computer control system composition is based on S698-T chip, according to the miniaturization design train of thought, is composed of different functional modules, through the SPACEWIRE bus information for each module, and equipment to the integrated and unified management.

Key wordsComputer control system; S698-T; LEON4 core; high-end embedded real-time control application;

 

 

 

星载计算机主板是卫星上的核心部件,主要用于完成星务管理、通信管理、控制管理、飞行控制等任务。随着航天任务复杂性的日益提高,需要在星上处理大量的信息,对星载计算机主板性能,特别是数据处理能力的要求不断提高。而且星载计算机主板是工作在电磁环境复杂的太空环境中,高能粒子及宇宙射线对电子设备的损伤使得星载计算机主板必须具备很高的可靠性。

研究和开发基于S698PM星载计算机主板不仅可以满足日益增长的航天任务的需求,而且对于保障星载计算机的安全,提高星载计算机的可靠性,打破国外对于高性能器件的封锁,自主发展我国星载计算机技术有极为重要的意义。

设计需求

1.1 指标要求

基于S698PM星载计算机主板具有高可靠性、高性能、低功耗、体积小、重量轻、高算力、容错好、可重构、自适应、分布式等特点。其具体指标如下:

1) 符合Space VPX 6U标准;

2) 对外接连接器采用J30J系列标准连接器;

3) 功耗≤7 W

4) 总重量≤2kg

5) 处理速度:1500MIPS900MFLOPS

6) 飞行控制指令输出周期不大于5ms

7) 星上时钟稳定度:自守时应满足2×10-6/s,并支持授时、集中校时、均匀校时;分辨率为1ms

8) OC指令路数: 64路(12V28V驱动电流不小于500mA);

9) 模拟量采集路数: 64路,AD采集精度不低于14位,输入电压范围为-5V~+5V;其中32路具备一次切换的能力,分离前采集运载遥测,分离后采集卫星遥测;

10) 电流量采集: 16路,输入电流范围[-4mA~0mA]

11) 磁力矩器输出驱动路数: 4路;

12Flash程序存储器: 8MBSRAM存储器(带EDAC功能): 4MBFlash 数据存储器: 16GB

13)操作系统Vxworks

1.2 对外接口要求

计算机模块对外接口说明如下表:

序号

接口名称

数量

接口形式

信号方向

1.     

电源接口

1

+5V

输入

2.     

指令输出

64

OC

输出

3.     

模拟量采集

64

电压采集

输入

4.     

模拟量采集

16

电流采集

输入

5.     

RS422输入接口

16

3.3V供电

输入

6.     

RS422输出接口

16

3.3V供电

输出

7.     

LVDS输入接口

4

40Mbps

输入

8.     

LVDS输出接口

4

40Mbps

输入

9.     

CAN接口

4

CAN

双向

10.   

磁力矩器接口

4

0/12V电平

输出

 

2系统设计

基于S698PM星载计算机主板采用CPU+FPGA+DSP构架,DSP完成主动段高速运算或在轨飞行载荷数据管理,由CPU+FPGA作卫星控制。其中DSP主要完成高速计算功能,FPGA完成相关接口功能,CPU实现计算机板的总控功能。

CPU选型为由欧比特公司生产的自主可控宇航级SPARC V8处理器S698PM四核芯片;DSP选型为TI公司生产的TMS320C6713,处理速度高达2400 MIPS 1800 MFLOPSFPGA选型为XC7K325TFFG900,有325万门电路。

3.1组成及工作原理

基于S698PM星载计算机主板原理框图如下:

 

基于S698PM星载计算机主板原理框图

S698PM星载计算机主板是基于VPX 6U模块标准进行设计,主要有CPU最小系统、DSP最小系统、FPGA最小系统、各类接口电路以及电源电路组成。

CPU采用珠海欧比特公司自主研制的高性能、高可靠、高集成度、低功耗的多核并行处理器SOC芯片S698PM,通过并行总线与FPGA实现数据交互,通过S698PM的带EDAC功能的MMU单元,设计16MB NOR FLASH以及带EDAC功能的4MB SRAM

DSP最小系统主要完成高速计算功能,DSPFPGA之间通过并行总线进行数据交互,FPGA内部设计了双口RAM,用于实现CPUDSP之间的数据交互,另外DSP 挂接16GB NAND FLASH

FPGA设计接口逻辑,外接接口驱动电路,实现相关接口功能。

另外作为VPX模块,该计算机模块VPX接口设计了电源接口以及6RS422总线,其中2路为S698PMCPU模块)的RS422接口,2路为DSPRS422接口,2路为FPGARS422接口。

3.2 S698PM最小系统电路

基于S698PM星载计算机主板的S698PM最小系统电路主要包括:DSU电路;JTAG电路;时钟电路;倍频电路;复位电路; 带EDAC加固的40SRAM电路;32NOR FLASH电路; 与FPGA互联电路。框图如下:

 

 


3.2 软件设计

本机的软件按功能可以分为以下几种,引导程序、实时操作系统、驱动程序和应用程序。其中应用程序又可以分为功能测试程序和正式装星程序。引导程序是硬件加电后执行的第一个程序,主要负责CPU寄存器的初始化,硬件资源的初始化,软件上载,支持EEPROMFLASH的在线编程,引导应用程序执行。

操作系统选用Vxworks,主要原因是Vxworks稳定可靠、实时性强、性能高、核心代码短小精湛。

引导程序用于完成硬件初始化、资源分配,实现应用软件的上载、引导及删除功能;

软件上载后,存放在可擦写的FLASH中,该存储器分为3个区间,分别存放控制卡应用软件、主处理软件和预处理软件,为每个软件分配的空间大小为256KB64KB64KB

上载软件通过CAN总线分帧注入,每帧含有软件块信息,引导软件根据软件块序号将上载的软件存放在不同的位置中。当收到“软件删除”的指令后,根据参数将相应的软件进行删除。

4结论

基于S698PM星载计算机主板可改进成在空间环境中使用的星载计算机主板,其强大的处理能力将大大提高星载有效载荷的性能,为我国未来的复杂航天任务提供高性能的计算机平台,而且采用国产CPU对我国航天事业的独立自主安全发展有重要意义。

参考文献:

[1] S698PM芯片使用说明书,珠海欧比特宇航科技控制股份有限公司,2018年。

[2]基于高性能多核片上系统芯片的计算机系统使用说明书,欧特控制股份有限公司,2018年。

 

 

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