CN104216846A - 基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统，用于解决现有皮卫星计算机系统信息处理能力弱的技术问题。技术方案是包括计算机处理模块、存储模块、电源管理模块、总线调度模块和电路保护模块。所述计算机处理模块用于运行姿态控制、状态仲裁以及发送控制指令，通过总线调度模块与姿控系统、通信系统和星载电源系统，以及存储模块、功能调试模块和电路保护模块进行通信。由于商用四核微处理器功耗低、数据处理速度快、片上可用资源丰富、性能优化，而且其操作温度满足皮卫星工作环境的要求，降低了航天器的成本，缩短研制周期，同时满足皮卫星对星载计算机系统的小型化，功耗低，高可靠性，数据处理速度快的要求。

Description

基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统

技术领域

本发明涉及一种皮卫星计算机系统，特别是涉及一种基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统。

背景技术

皮卫星一般是指1公斤以下、以微机电系统技术为基础的小卫星。皮卫星具有成本低、研制周期短、发射灵活等突出优点，能通过组成星座、编队或卫星群完成单颗大卫星难以完成的任务。但是当今世界各国皮卫星技术的发展，对航天器平台重要组成部分的星载计算机提出了更多更高的要求，如更小的体积、质量，更大的存储能力，更强的信息处理能力。而目前比较成熟的计算机系统由于体积、质量、数据吞吐量等原因明显不适用于皮卫星的新应用。

参照图1。美国航空航天局于2013年4月发射了3颗基于Android手机框架平台的纳卫星(被命名为PhoneSat)，每颗纳卫星都是尺寸为4英寸(约为10厘米)的立方体，重量仅1.36千克。PhoneSat1.0的计算机系统采用了HTC代工的智能手机(型号为Nexus one)，PhoneSat2.0的计算机系统采用了三星电子代工的智能手机(型号为Nexus S)。两个版本均采用单核处理器，运行Google公司的Android 2.3.3操作系统。

参照图2。文献“Xin-shen WANG,Han-xu SUN,“The New Fault Tolerant OnboardComputer for Microsatellite Missions”,The Journal of China Universities of Posts andTelecommunications,2006,Vol.13(1),pp.6-9.”公开了一种采用低功耗、数据处理速度快、片上可用资源丰富、性能优化的商用32位RISC微处理器的皮卫星计算机系统。该系统以双机容错计算机为核心，通过冗余的CAN总线与其他通用模块连接成星载计算机网络系统。但是2个CPU单机模块完全相同，主要用于容错设计，信息处理能力弱，无法完全满足小卫星平台的特殊要求。

发明内容

为了克服现有皮卫星计算机系统信息处理能力弱的不足，本发明提供一种基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统。该系统主要包括计算机处理模块、存储模块、电源管理模块、总线调度模块和电路保护模块。所述计算机处理模块用于运行姿态控制、状态仲裁以及发送控制指令，通过总线调度模块与姿控系统、通信系统和星载电源系统，以及存储模块、功能调试模块和电路保护模块进行通信。由于商用四核微处理器功耗低、数据处理速度快、片上可用资源丰富、性能优化，而且其操作温度满足皮卫星工作环境的要求，可以降低航天器的成本，缩短研制周期，同时满足皮卫星对星载计算机系统的小型化，功耗低，高可靠性，数据处理速度快的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统，其特点是包括计算机处理模块、存储模块、电源管理模块、总线调度模块和电路保护模块。所述计算处理模块以四核微处理器为核心，用于运行姿态控制、状态仲裁、图像处理算法以及发送控制指令。通过总线调度模块与姿控系统、通信系统和星载电源系统，以及存储模块、功能调试模块和电路保护模块进行通信。所述存储模块由2GB双通道DDR3内部存储器和16GB大容量EMMC存储芯片组成。EMMC存储芯片主要用来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。所述电源管理模块用于提供基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统上芯片工作所需的电压。从星载电源系统接入固定压值的电源后，通过板上的DC/DC芯片和LDO芯片转变为稳定的电压值，为芯片正常工作提供电压。并且该模块通过I²C总线可动态配置各路电源的电压输出大小，进而实现对处理器动态电压频率调整。所述总线调度模块包括I²C总线、UART总线、USB总线。星载计算机系统通过UART总线与UHF模块通信，通过USB总线与WIFI模块通信，通过I²C总线与星载电源系统、姿控系统、相机模块和温度传感器进行通信。所述电路保护模块用于星载计算机系统和有效载荷、姿控系统、通信系统和星载电源系统的故障处理。

所述电路保护模块包括看门狗电路。看门狗电路在遇到系统进入死循环或者程序跑飞异常情况时，强制整个系统自动复位，保护系统程序。为了防止在运行程序时看门狗定时器计数溢出，在程序执行过程中需要对看门狗定时器进行清零操作。

所述电路保护模块包括温度传感器。温度传感器用来测量整个计算机系统工作温度，对星体内的温度进行实时监测，并通过I²C总线传输给处理器，由处理器上的安卓应用程序裁定进行过温保护。过温保护通过处理器降频运行和关闭部分功能模块方式实现。

还包括功能调试模块，用于发射前在地面对星载计算机系统进行调试操作，通过观察测试点信号判定星载计算机系统模块是否正常工作。通过JAVA应用程序往I²C总线上写入数据控制LED灯的闪灭，反过来，通过LED灯的闪灭来验证I²C总线上传输数据的正确性。

本发明的有益效果是：该系统包括计算机处理模块、存储模块、电源管理模块、总线调度模块和电路保护模块。所述计算机处理模块用于运行姿态控制、状态仲裁以及发送控制指令，通过总线调度模块与姿控系统、通信系统和星载电源系统，以及存储模块、功能调试模块和电路保护模块进行通信。由于商用四核微处理器功耗低、数据处理速度快、片上可用资源丰富、性能优化，而且其操作温度满足皮卫星工作环境的要求，降低了航天器的成本，缩短研制周期，同时满足皮卫星对星载计算机系统的小型化，功耗低，高可靠性，数据处理速度快的要求。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术Android卫星计算机系统框图。

图2是背景技术商用AT91FR4081处理器内部结构图。

图3是本发明基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统框图。

图4是图3中基于四核微处理器的皮卫星计算机系统架构框图。

具体实施方式

参照图3、图4。本发明以计算机处理模块的四核微处理器为核心；微处理器通过总线调度模块与其他分系统和模块进行通信；存储模块存放了皮卫星初始的重要参数；星载计算机系统的电源管理模块提供芯片正常工作所需的电压。基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统包括计算机处理模块、存储模块、电源管理模块、总线调度模块和电路保护模块

计算机处理模块：主要包括商用四核微处理器，内置ADC模块和内置电源管理模块三部分。目前适用于大多数航天器数据处理应用的星载微处理器性能相对不高，应用受到限制。采用高性能四核微处理器的计算机系统可应用于未来航天新技术、新组件以及进行低成本的地球观测。采用四核CPU的片上系统，可实现三模冗余计算，增加抗单粒子效应的能力。手机星三模冗余容错系统的设计是：在四核处理器中选取CPU(A)、CPU(B)、CPU(C)用于三模冗余，CPU(D)用做冗余判决。CPU(D)在获取时钟信号和控制线、地址线及数据线在内的输出结果后，如果其中一个核的计算结果与另外两个核的计算结果不同，则选择另外两个核的计算结果作为最终结果，将判决结果存储下来，用于定期向地面站发送。三模冗余系统软件通过对各模块的定时轮询，完成皮卫星数据管理、星载数据链路检测、实时遥测数据处理以及皮卫星综合电子系统测试等功能。三模冗余系统内部的存储数据主要包括：实时遥测数据、延时遥测数据、姿控注入数据及回传、遥测指令以及星上状态数据等；ADC负责对太阳能电池片的电压模拟信号进行采集，其数据可用于卫星姿态调整；电源管理电路实现系统芯片内供电和动态电源管理。星载电源系统、星载计算机系统、通信系统的供电模式是星载电源系统供电给星载计算机系统，星载计算机系统供电给通信系统。针对星载电源系统没有提供的电压值，计算机系统经过DC/DC降压后供电给通信系统。四核处理器系统中的看门狗电路在遇到系统进入死循环或者程序跑飞等异常情况时，强制整个系统自动复位，保护系统程序。为了防止在运行程序时看门狗定时器(WDT)计数溢出，在程序执行过程中需要对WDT进行清零操作。

存储模块：包括2GB双通道DDR3内存和16GB大容量EMMC存储芯片。双通道DDR3可达到2倍单通道内存的吞吐量，是当前应用相对成熟与性能较好的RAM，容量大，速率高。四片DDR3双通道内存组成64为的数据宽度，严格按照等长布线的设计要求，并保证阻抗一致，充分预留设计余量，在恶劣电磁环境下工作良好。EMMC存储芯片内置算法控制器，ECC纠错、坏块管理等工作可由EMMC芯片自身来完成，大大提高了存取速度以及稳定性，主要用来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等。

电源管理模块：用于提供基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统上芯片工作所需的电压。从电源模块接入固定压值的电源后，通过板上的DC/DC芯片和LDO芯片转变为稳定的所需电压值，为芯片正常工作提供电压。并且该模块通过I²C总线可动态配置各路电源的电压输出大小，进而实现对处理器动态电压频率调整(DVFS)。在减小功耗的同时提高系统稳定性，在一定程度上解决皮卫星功耗有限的问题。

总线调度模块：主要包括星载计算机与皮卫星其他各模块进行通信的I²C总线、UART总线和USB总线。星载计算机通过总线读取各模块的状态，经过处理，发出相应的控制指令。星载计算机系统通过UART总线与UHF模块通信，通过USB总线与WIFI模块通信，通过I²C总线与多个模块进行通信，包括星载电源系统、姿控系统、相机模块、温度传感器等。其中，相机载荷接口连接皮卫星的相机载荷，通过数据线将数据输送给手机计算机。温度传感器用来测量整个计算机系统工作温度，温度传感器可以对星体内的温度进行实时监测，并通过I²C总线传输给处理器，由处理器上的安卓应用程序裁定进行过温保护。过温保护可以通过处理器降频运行和关闭部分功能模块等方式实现。HDMI显示接口连接带HDMI接口的显示设备，用于星载计算机的人机交互功能。在本发明提出的皮卫星综合电子系统中，综合考虑I²C总线上所挂器件数量及I²C总线的速率，上拉电阻R的取值为4.7K欧姆。

电路保护模块：用于星载计算机系统和有效载荷、姿控系统、通信系统和星载电源系统的故障处理。

所述电路保护模块包括看门狗电路。看门狗电路在遇到系统进入死循环或者程序跑飞异常情况时，强制整个系统自动复位，保护系统程序。为了防止在运行程序时看门狗定时器计数溢出，在程序执行过程中需要对看门狗定时器进行清零操作。

所述电路保护模块包括温度传感器。温度传感器用来测量整个计算机系统工作温度，对星体内的温度进行实时监测，并通过I²C总线传输给处理器，由处理器上的安卓应用程序裁定进行过温保护。过温保护通过处理器降频运行和关闭部分功能模块方式实现。

Claims (4)

1.一种基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统，其特征在于：包括计算机处理模块、存储模块、电源管理模块、总线调度模块和电路保护模块；所述计算处理模块以四核微处理器为核心，用于运行姿态控制、状态仲裁、图像处理算法以及发送控制指令；通过总线调度模块与姿控系统、通信系统和星载电源系统，以及存储模块、功能调试模块和电路保护模块进行通信；所述存储模块由2GB双通道DDR3内部存储器和16GB大容量EMMC存储芯片组成；EMMC存储芯片主要用来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；所述电源管理模块用于提供基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统上芯片工作所需的电压；从星载电源系统接入固定压值的电源后，通过板上的DC/DC芯片和LDO芯片转变为稳定的电压值，为芯片正常工作提供电压；并且该模块通过I²C总线可动态配置各路电源的电压输出大小，进而实现对处理器动态电压频率调整；所述总线调度模块包括I²C总线、UART总线、USB总线；星载计算机系统通过UART总线与UHF模块通信，通过USB总线与WIFI模块通信，通过I²C总线与星载电源系统、姿控系统、相机模块和温度传感器进行通信；所述电路保护模块用于星载计算机系统和有效载荷、姿控系统、通信系统和星载电源系统的故障处理。

2.根据权利要求1所述的基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统，其特征在于：所述电路保护模块包括看门狗电路；在遇到系统进入死循环或者程序跑飞异常情况时，强制整个系统自动复位，保护系统程序；为了防止在运行程序时看门狗定时器计数溢出，在程序执行过程中对看门狗定时器进行清零操作。

3.根据权利要求1所述的基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统，其特征在于：所述电路保护模块包括温度传感器；用来测量整个计算机系统工作温度，对星体内的温度进行实时监测，并通过I²C总线传输给处理器，由处理器上的安卓应用程序裁定进行过温保护；过温保护通过处理器降频运行和关闭部分功能模块方式实现。

4.根据权利要求1所述的基于安卓手机四核微处理器的皮卫星计算机系统，其特征在于：还包括功能调试模块，用于发射前在地面对星载计算机系统进行调试操作，通过观察测试点信号判定星载计算机系统模块是否正常工作；通过JAVA应用程序往I²C总线上写入数据控制LED灯的闪灭，反过来，通过LED灯的闪灭来验证I²C总线上传输数据的正确性。