CN103425612A

CN103425612A - 低功耗的皮卫星星载计算机系统

Info

Publication number: CN103425612A
Application number: CN2013103201065A
Authority: CN
Inventors: 高武; 袁晓峰; 高德远; 魏廷存; 郑然�; 王佳; 魏晓敏
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: CN103425612B

Abstract

本发明公开了一种低功耗的皮卫星星载计算机系统，用于解决现有皮卫星星载计算机系统功耗高的技术问题。技术方案是由微控制器MCU、内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块组成。所述微控制器MCU用于运行姿态控制、状态仲裁以及发送控制指令，通过总线调度模块与有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统，以及内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块进行通信。由于微控制器MCU功耗低，而且其操作温度、性能、功耗均满足皮卫星工作环境的要求，降低了皮卫星星载计算机系统的功耗。

Description

低功耗的皮卫星星载计算机系统

技术领域

本发明涉及一种皮卫星星载计算机系统，特别是涉及一种低功耗的皮卫星星载计算机系统。

背景技术

传统微小卫星的星载计算机系统结构的研究比较成熟，大都采用多处理器的架构提高可靠性。多核架构的星载计算机系统需要由FPGA实现桥接器，而一旦桥接器遭受空间辐射破坏，整个星载计算机系统将出于瘫痪状态。

参照图1。文献“朱新忠,卫新国,陈明清.新一代并行处理星载计算机技术研究.上海航天,2004,21(1):32-37.”公开了一种皮卫星星载计算机系统。该系统是星载双CPU并行计算机。皮卫星与其他质量的卫星相比，具有成本低廉、质量体积小、研发与制造周期短、发射周期短、反应灵敏等优点。由于皮卫星自身具有的独特优势，目前皮卫星已成为全球航天领域研究的热点之一。但是，皮卫星在体积、质量、功耗等方面有严格的限制，考虑到皮卫星的功能相对比较单一，所以在性能满足的情况下，高可靠、低功耗、低复杂度成为皮卫星星载计算机系统追求的目标。

发明内容

为了克服现有皮卫星星载计算机系统功耗高的不足，本发明提供一种低功耗的皮卫星星载计算机系统。该系统由微控制器MCU、内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块组成。所述微控制器MCU用于运行姿态控制、状态仲裁以及发送控制指令，通过总线调度模块与有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统，以及内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块进行通信。由于微控制器MCU功耗低，而且其操作温度、性能、功耗均满足皮卫星工作环境的要求，可以降低皮卫星星载计算机系统的功耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低功耗的皮卫星星载计算机系统，其特点是：包括微控制器MCU、内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块。所述微控制器MCU用于运行姿态控制、状态仲裁以及发送控制指令，通过总线调度模块与有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统，以及内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块进行通信。所述内置电源模块，用于提供星载计算机板上芯片工作所需的电压。从电源系统接入固定压值的电源后，通过板上LDO芯片转换为稳定的3.3V和5V电压。所述高可靠备份模块由两块抗辐射ROM芯片组成，用于保存皮卫星初始化时的重要参数，包括各寄存器的值和启动代码。ROM1和ROM2存储的数据一样，默认情况下微控制器与ROM1中的参数进行比对，若参数一致，则执行后续操作；若参数不一致，则与ROM2中的参数进行比较，从而决定后续操作。所述总线调度模块，用于皮卫星有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统的数据传输。所述电路调试模块用于发射前在地面对星载计算机系统进行调试操作，包括代码调试接口、测试点和LED灯。所述电路保护模块包括看门狗定时器和温度传感器，用于星载计算机系统和有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统的故障处理。

本发明的有益效果是：该系统由微控制器MCU、内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块组成。所述微控制器MCU用于运行姿态控制、状态仲裁以及发送控制指令，通过总线调度模块与有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统，以及内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块进行通信。由于微控制器MCU功耗低，而且其操作温度、性能、功耗均满足皮卫星工作环境的要求，降低了皮卫星星载计算机系统的功耗。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术星载双CPU并行计算机结构框图；

图2是本发明低功耗的皮卫星星载计算机系统结构框图；

图3是图2中高可靠备份模块工作流程图；

图4是图2中外围分系统的I2C结构图；

图5是图4中I2C总线的写操作时序；

图6是图4中I2C总线的读操作时序。

具体实施方式

参照图2-6。本发明低功耗的皮卫星星载计算机系统以低功耗微控制器为核心；微控制器通过总线调度模块与其他分系统和模块进行通信；高可靠备份模块备份皮卫星初始的重要参数；星载计算机系统的内置电源模块为各模块芯片供电。

低功耗的皮卫星星载计算机系统包括以下模块：

（1）计算机处理模块计算机处理模块，星载计算机系统计算机处理模块的核心是一款超低功耗抗辐射的微控制器，用于运行姿态控制和状态仲裁等算法以及发送控制指令。皮卫星多以集群网络的方式进行工作，执行的任务功能没有大卫星复杂，故采用性能满足需求的低功耗微控制器。

（2）内置电源模块，用于提供星载计算机板上芯片工作所需的电压。从电源系统接入固定压值的电源后，通过板上LDO芯片转换为稳定的3.3V和5V电压，为芯片工作提高电压。

（3）高可靠备份模块，由两块抗辐射ROM芯片ROM1和ROM2组成，ROM1和ROM2存储的数据一致。从图3中可以看出，开机启动后，微控制器将初始参数与存储在ROM1中的参数进行比对，若参数一致，则执行后续操作；若参数不一致，则与ROM2中的参数进行比较，若与ROM2中的参数一致，则执行后续皮卫星操作；否则，将三组参数中两组一致的数据备份至微控制器中。

（4）总线调度模块，包括星载计算机系统与皮卫星其他分系统进行通信的I2C总线和UART总线。星载计算机系统通过UART总线与姿控系统进行数据的传输，包括磁强计、陀螺仪和GNSS的数据。星载计算机系统通过I2C总线与电源系统和通信系统进行控制指令的传输，其中，I2C总线采用七位寻址方式。电源系统和通信系统的I2C总线模块均由FPGA实现，电源系统和通信系统均有指针寄存器和用于数据传输的数据寄存器。指针寄存器用于标识读写操作的寄存器，具体标识如下：

P7

P6

P5

P4

P3

P2

P1

P0

指针寄存器最多可指向256个寄存器，也可以根据实际需求来定义固定位的位数，例如P7-P3位为固定位，改变P2-P0的值可以指向8个不同的寄存器中的一个。

此外，电源系统的I2C模块还包括开关状态寄存器和电量寄存器。开关状态寄存器用于保存各路电源的开关状态，具体标识如下：

OBC_sw

GNSS_sw

Gyro_sw

mag_sw

Mag_sw

Com_sw

Mems_sw

Load_sw

开关状态寄存器从高位到低位依次表示星载计算机系统、GNSS、陀螺仪、磁强计、通信系统、MEMS系统和有效载荷电源的开关，其中高电平表示电源导通，低电平表示关断。星载计算机系统可以通过I2C总线读取各个电源开关的状态，并通过写操作打开或关闭电源。

电量寄存器为一个8位的寄存器，里面存储经电源系统计算后的剩余电量相对满电量的比例，具体标识如下：

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

通信系统的I2C模块还包括操作状态寄存器和计数寄存器。状态寄存器表示通信系统正在进行的操作，具体标识为：

S2G

C2OBC

Pho

Photodata

S2S[3]

S2S[2]

S2S[1]

S2S[0]

S2G表示是否进行星地通信；C2OBC表示是否与星载计算机系统在通信；Pho和Photodata为1时分别表示正在拍照和处理照片数据；S2S表示进行星间通信的卫星编号，全0表示没有进行星间通信。

通信系统的计数寄存器为星载计算机提供在一段时间间隔后，通信系统会将计数寄存器的数值做加1处理。如果星载计算机系统连续五次读取的计数寄存器的值一致时，则会对通信系统的电源进行关闭处理。

从图5和图6可以看出，在进行读写操作时，首先将目的寄存器的地址写入指针寄存器中，写操作则继续发送目的寄存器的数值；读操作则需要重新发送从地址和读操作标示，再读取寄存器的数值。

（5）电路调试模块，用于发射前在地面对星载计算机系统进行调试操作，主要包括代码调试接口（JTAG、BSL等接口）、测试点和LED灯等。

（6）电路保护模块，用于星载计算机系统和其他外围分系统的故障处理，主要元器件有温度传感器、MCU内部看门狗定时器（WDT）等。

微控制器在受到电磁干扰后可能会出现程序跑飞的现象。微控制器内部的看门狗定时器在计数溢出时使系统复位，从而使星载计算机系统恢复正常运行状态。为了防止在运行程序时WDT计数溢出，在程序执行过程中需要对WDT进行清零操作。

微控制器会定时读取温度寄存器中的温度值，当温度过高时，将通过总线调度模块，给电源系统的开关状态寄存器写入值，关闭功耗大的器件，从而减少散热。

星载计算机系统通过I2C总线读取电源系统电量寄存器的值，当寄存器的值显示电量不足20%时，则认为皮卫星电量不足。星载计算机将通过改变电源系统开关状态寄存器的值，关闭功耗大的器件，使电源系统快速充电。

当星载计算机系统通过总线接口读取通信系统计数寄存器的值，当连续五次读取到一样的数值时，认为通信系统出现故障，从而对电源系统的开关状态寄存器进行写操作，对通信系统进行重启。

为了提高皮卫星系统的可靠性，在选择星载计算机系统的芯片时，首先考虑的是芯片的操作温度、性能、功耗是否满足皮卫星工作环境的要求。在选择电容、电阻等器件时，要考虑降额因子，如电容的电压和功耗降额，电阻的功率降额和电压降额。因为太空环境的复杂性和皮卫星的维修难度，皮卫星的降额等级为Ⅰ级降额，失效后将不能维修。在选择插接件时，星载计算机系统的器件插拔方向，应平行于电路板，而不是垂直插拔，这样在插拔时可减少系统板的震动，防止变形。

在完成星载计算机系统的制造后，为了提高星载计算机系统的可靠性，将在系统板表层刷抗辐射漆。同时，皮卫星的铝蒙皮也可对空间辐射起到一定的屏蔽作用。

本发明所述的皮卫星星载计算机系统在器件选型、系统设计和制造阶段充分考虑系统的可靠性，具有结构简单、复杂度低、小体积、低功耗的特点，且通过高可靠备份模块、总线调度模块和电路保护模块等功能模块，实现对皮卫星整个系统的保护，具有较高的可靠性。

Claims

1.一种低功耗的皮卫星星载计算机系统，其特征在于：包括微控制器MCU、内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块；所述微控制器MCU用于运行姿态控制、状态仲裁以及发送控制指令，通过总线调度模块与有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统，以及内置电源模块、高可靠备份模块、总线调度模块、电路调试模块和电路保护模块进行通信；所述内置电源模块，用于提供星载计算机板上芯片工作所需的电压；从电源系统接入固定压值的电源后，通过板上LDO芯片转换为稳定的3.3V和5V电压；所述高可靠备份模块由两块抗辐射ROM芯片组成，用于保存皮卫星初始化时的重要参数，包括各寄存器的值和启动代码；ROM1和ROM2存储的数据一样，默认情况下微控制器与ROM1中的参数进行比对，若参数一致，则执行后续操作；若参数不一致，则与ROM2中的参数进行比较，从而决定后续操作；所述总线调度模块，用于皮卫星有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统的数据传输；所述电路调试模块用于发射前在地面对星载计算机系统进行调试操作，包括代码调试接口、测试点和LED灯；所述电路保护模块包括看门狗定时器和温度传感器，用于星载计算机系统和有效载荷、微推进系统、姿控系统、通信系统和电源系统的故障处理。