CN105739416A - 一种星载综合电子计算机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载综合电子计算机，包括供电模块、处理器模块和多个功能模块,多个所述功能模块包括指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块，所述供电模块、处理器模块、指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用CPCI内总线接口，通过CPCI底板总线进行互联。本发明通过系统优化、综合集成设计、合理划分模块，提高了星载计算机的通用化、模块化程度，在一台单机集成了遥控和遥测基带处理、星务及数据管理、姿轨控、固态存储、AOS等五台星载单机的功能，取得了极大减轻星载设备重量、体积、功耗和提高模块化、可扩展和柔性程度等有益效果。

Description

一种星载综合电子计算机

技术领域

本发明涉及一种宇航用计算机，特别涉及一种星载综合电子计算机。

背景技术

卫星、飞船、运载器等宇航飞行器的平台电子设备通常包括计算机、遥测遥控设备、固态存储器、AOS处理机、执行下位机等。计算机通常分为星务及数据管理计算机、姿轨控计算机等。

星务及数据管理计算机主要功能包括：

1)数据管理，对宇航飞行器电子系统的遥测、遥控、程控数据进行管理；

2)热控管理，管控宇航飞行器的温度；

3)能源管理，监测和分配宇航飞行器的能源；

4)时间管理，产生时间基准，并进行校准与维护，经总线向各分系统发布。

姿轨控计算机主要功能包括：

1)姿轨控系统的测量信号采集与处理；

2)向姿轨控系统各执行单机发出控制信号；

3)为宇航飞行器轨道和姿态进行多模式控制计算提供硬件平台。

此外一个宇航飞行器的平台电子设备还包括处理遥控信息的遥控终端设备，存储飞行器载荷数据的固态存储器和向地面下传数据的AOS处理机等。星务及数据管理计算机、姿轨控计算机、遥测遥控终端、固态存储器、AOS处理机等五台宇航电子设备协同工作来完成宇航飞行器的飞行控制、载荷数据管理和数据下传地面等功能。

宇航飞行是一项高成本的任务，其中宇航飞行器的重量、体积和功耗是决定成本的关键因素。完成上述宇航飞行器平台功能的多台单机，每台均需要有结构件来支撑电子线路，各单机电子部件各自独立，无法实现软硬件资源的共享，而且电子设备多采用分立电子器件来实现逻辑功能，造成单机的重量、体积和功耗均较大，无疑需要花费很大成本。还有单机组件的模块化、组合化程度低，系统功能的可扩展性和柔性程度不高，当飞行器任务变动时，各设备的改动较大，甚至需要重新设计这些设备，提高了研制成本、延长了研制周期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是宇航飞行器平台电子设备由多台单机完成飞行器的飞行控制、载荷数据管理和数据下传地面等功能而造成的重量、体积和功耗较大，软硬件资源的共享程度低，单机组件的模块化、组合化程度低，功能的可扩展性和柔性程度不高等，进而提出了一种星载综合电子计算机。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种星载综合电子计算机,包括供电模块、处理器模块和多个功能模块,多个所述功能模块包括指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块，所述供电模块、处理器模块、指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用CPCI内总线接口，通过CPCI底板总线进行互联。

优选的，所述处理器模块、指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用一主一备的冗余备份形式。

进一步的，所述指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用接口电路与FPGA电路互联，其中：

所述接口电路包括OC门接口电路、RS422发送和接收电路、TTL电平电路、LVDS发送和接收电路、AD电路和DA电路；

所述指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用所述OC门接口电路、RS422发送和接收电路、TTL电平电路、LVDS发送和接收电路、AD电路和DA电路中的至少之一与所述FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上。

进一步的，所述供电模块通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于电源转换和开关机指令执行。

进一步的，所述处理器模块包括主处理器模块和备处理器模块，所述主处理器模块和备处理器模块分别通过第一1553B总线和第二1553B总线对外连接，并通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，所述主处理器模块和备处理器模块中任意一个作为总线控制器BC，另外一个作为远置终端RT,或者所述主处理器模块和备处理器模块均作为远置终端RT，接入卫星的1553B中低速数据传输网络。

进一步的，所述指令模块采用OC门接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于发送程控指令。

进一步的，所述串行通信模块采用RS422发送和接收电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现RS422异步串行通信。

进一步的，所述遥测模块采用TTL电平电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现遥测信息组包发送。

进一步的，所述遥控模块采用TTL电平电路和OC门接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现遥控信息的接收处理及指令发送。

进一步的，所述固存AOS模块采用SpaceWire总线、FLASH电路、LVDS发送和接收电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现载荷数据接收、AOS组帧、存储和下传。

优选的，所述SpaceWire总线共有8路，用于实现8个星载高速数据设备的即插即用。

进一步的，所述模拟量采集模块采用AD接口电路、DA接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现模拟信号采集和模拟信号输出。

本发明通过采取上述方案克服了现有的星载计算机功能密度低，宇航飞行器平台电子设备由多台单机完成控制处理功能的重量、体积和功耗较大，软硬件资源的共享程度低等问题，取得如下有益效果：

1)极大降低宇航计算机的重量体积功耗，一台单机完成五台单机的功能，减重达60％,降低功耗50％；

2)提高了宇航计算机组件模块化、组合化程度。采用了CPCI标准内总线，单机组件设计标准化。采用了1553B和SpaceWire外总线，实现对外接口的标准化；

3)提高了宇航计算机功能的可扩展性和柔性程度。功能模块设计采用了FPGA+接口电路形式，FPGA实现全部的时序和组合逻辑功能，当飞行器任务变动时，通过更改FPGA的代码，可以不用改动硬件结构，功能可扩展性和模块的柔性程度得以提高；

4)本发明通过系统优化、综合集成设计、合理划分模块，提高了星载计算机的通用化、模块化程度，在一台单机集成了遥控和遥测基带处理、星务及数据管理、姿轨控、固态存储、AOS等五台星载单机的功能，取得了极大减轻星载设备重量、体积、功耗和提高模块化、可扩展和柔性程度等有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是实现本发明的组成框图；

图2是本发明的功能模块的框图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种星载综合电子计算机,包括供电模块、处理器模块和多个功能模块,多个所述功能模块包括指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块，所述供电模块、处理器模块、指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用CPCI内总线接口，通过CPCI底板总线进行互联。这些模块组成一台星载综合电子计算机，完成了星务及数据管理计算机、姿轨控计算机、遥测遥控终端、固态存储器、AOS处理机五台单机的功能，实现了在一台计算机上综合集成了遥控和遥测基带处理、星务及数据管理、姿轨控、固态存储、AOS等多台星载单机的功能。

优选的，所述处理器模块、指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用一主一备的冗余备份形式。本设计的目的在于提高可靠性，具体的方法是在一块PCB上做成A和B冗余备份形式，并且均通过CPCI底板接插件与处理器模块和供电模块相连,以此提高系统的模块化程度，并且通过A和B双冗余满足宇航的高可靠性要求。

进一步的，所述指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用接口电路与FPGA电路互联，所述接口电路包括OC门接口电路、RS422发送和接收电路、TTL电平电路、LVDS发送和接收电路、AD电路和DA电路，所述指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用所述OC门接口电路、RS422发送和接收电路、TTL电平电路、LVDS发送和接收电路、AD电路和DA电路中的至少之一与所述FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上。其中，FPGA电路代替了分立数字逻辑电路，实现功能模块的全部时序逻辑和组合逻辑功能。

本实施例中，所述供电模块通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于电源转换和开关机指令执行。其中，电源转换是将一次电源转换为二次电源，即将外部输入母线电压转换为处理器模块和各功能模块需要的电压，并保证足够的电流驱动。开关机等指令执行是接收外部遥控指令，如常用的开关机、控制权等，并通过继电器及开关路等形式完成指令执行。星载计算机一般有一个供电模块，其电路在一块PCB印制板上，为提高其可靠性，PCB印制板上有独立的两部分或以上的相同电路以形成冗余，保证其中某部分故障时，其他部分可以作为备份替代故障部分工作，完成电源转换和遥控指令执行。

本实施例中，所述处理器模块包括主处理器模块和备处理器模块，所述主处理器模块和备处理器模块分别通过第一1553B总线和第二1553B总线对外连接，并通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，所述主处理器模块和备处理器模块中任意一个作为总线控制器BC，另外一个作为远置终端RT,或者所述主处理器模块和备处理器模块均作为远置终端RT，接入卫星的1553B中低速数据传输网络。上述的处理器模块作为运算控制的核心模块完成星载计算机主程序的运行，对各功能模块发送控制信息，与各功能模块交互数据。星载计算机一般有两个处理器模块，来完成冗余备份，每个处理器模块电路在一块PCB印制板上，通常由CPU、存储器和部门接口电路构成。

本实施例中，所述指令模块采用OC门接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于发送程控指令。其中，FPGA电路实现CPCI的总线接口逻辑，可以被处理器模块进行读写访问，实现脉冲发送宽度和状态的逻辑，当接收处理器模块的指令后，发出相应宽度的信号给OC门接口电路。OC门接口电路完成脉冲信号的驱动输出。

本实施例中，所述串行通信模块采用RS422发送和接收电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上。其中，FPGA电路实现CPCI的总线接口逻辑，实现RS422异步串行通信，RS422接口实现信号驱动。

本实施例中，所述遥测模块采用TTL电平电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现遥测信息组包发送。其中，FPGA电路实现CPCI的总线接口逻辑，实现遥测信息组包发送到相应接口电路，接口电路完成接口和驱动。

本实施例中，所述遥控模块采用TTL电平电路和OC门接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现遥控信息的接收处理及指令发送。其中，FPGA电路实现CPCI的总线接口逻辑，实现遥控信息的接收处理及指令发送到相应接口电路，接口电路完成接口和驱动。

本实施例中，所述固存AOS模块采用SpaceWire总线、FLASH电路、LVDS发送和接收电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现载荷数据接收、AOS组帧、存储和下传。其中，FPGA电路实现载荷SpaceWire总线数据接收、AOS组帧、存储和下传的逻辑功能。优选的，所述固存AOS模块有8路SpaceWire串行总线接口，可以实现8个星载高速数据设备的即插即用。

本实施例中，所述模拟量采集模块采用AD接口电路、DA接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现模拟信号采集和模拟信号输出。其中，FPGA电路实现CPCI的总线接口逻辑，实现模拟信号采集和模拟信号输出到相应接口电路，接口电路完成接口和驱动。

如图2所示是本发明的功能模块的框图，该装置包括：FPGA电路、接口电路和CPCI内总线接插件，各模块的接口电路与FPGA电路互联，FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，其中：

FPGA电路完成整个模块的控制和处理逻辑，即具有硬件的高速处理、并行处理的特性，又具有软件可以更改、可配置的灵活性。本实施例中，有的模块FPGA电路采用宇航应用的反熔丝类型来提高可靠性，有的模块采用SRAM型FPGA以满足容量和速率要求。

接口电路根据各模块的功能有OC门接口电路、RS422发送和接收电路、LVDS发送和接收电路电路、TTL电平电路、AD电路、DA电路等，这些电路完成电平的转换匹配、驱动等功能。

CPCI内总线接插件是CPCI的标准接插件，用于与底板总线CPCI接插件互联，实现各模块的电气连接。

本实施例中的星载综电电子计算机集成了多总线通信技术，既有1553B中低速外总线，又有SpaceWire高速外总线，可用于传输有不同速率/容量需求的用户数据。

本发明通过采取上述方案克服了现有的星载计算机功能密度低，宇航飞行器平台电子设备由多台单机完成控制处理功能的重量、体积和功耗较大，软硬件资源的共享程度低等问题，取得如下有益效果：

1)极大降低宇航计算机的重量体积功耗，一台单机完成五台单机的功能，减重达60％,降低功耗50％；

2)提高了宇航计算机组件模块化、组合化程度。采用了CPCI标准内总线，单机组件设计标准化。采用了1553B和SpaceWire外总线，实现对外接口的标准化；

3)提高了宇航计算机功能的可扩展性和柔性程度。功能模块设计采用了FPGA+接口电路形式，FPGA实现全部的时序和组合逻辑功能，当飞行器任务变动时，通过更改FPGA的代码，可以不用改动硬件结构，功能可扩展性和模块的柔性程度得以提高；

4)本发明通过系统优化、综合集成设计、合理划分模块，提高了星载计算机的通用化、模块化程度，在一台单机集成了遥控和遥测基带处理、星务及数据管理、姿轨控、固态存储、AOS等五台星载单机的功能，取得了极大减轻星载设备重量、体积、功耗和提高模块化、可扩展和柔性程度等有益效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种星载综合电子计算机,包括供电模块、处理器模块和多个功能模块,其特征在于，多个所述功能模块包括指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块，所述供电模块、处理器模块、指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用CPCI内总线接口，通过CPCI底板总线进行互联。

2.如权利要求1所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述处理器模块、指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用一主一备的冗余备份形式。

3.如权利要求1或2所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用接口电路与FPGA电路互联，其中：

所述接口电路包括OC门接口电路、RS422发送和接收电路、TTL电平电路、LVDS发送和接收电路、AD电路和DA电路；

所述指令模块、串行通信模块、遥测模块、遥控模块、固存AOS模块和模拟量采集模块均采用所述OC门接口电路、RS422发送和接收电路、TTL电平电路、LVDS发送和接收电路、AD电路和DA电路中的至少之一与所述FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上。

4.如权利要求1所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述供电模块通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于电源转换和开关机指令执行。

5.如权利要求1或2所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述处理器模块包括主处理器模块和备处理器模块，所述主处理器模块和备处理器模块分别通过第一1553B总线和第二1553B总线对外连接，并通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，所述主处理器模块和备处理器模块中任意一个作为总线控制器BC，另外一个作为远置终端RT,或者所述主处理器模块和备处理器模块均作为远置终端RT，接入卫星的1553B中低速数据传输网络。

6.如权利要求3所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述指令模块采用OC门接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于发送程控指令。

7.如权利要求3所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述串行通信模块采用RS422发送和接收电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现RS422异步串行通信。

8.如权利要求3所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述遥测模块采用TTL电平电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现遥测信息组包发送。

9.如权利要求3所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述遥控模块采用TTL电平电路和OC门接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现遥控信息的接收处理及指令发送。

10.如权利要求3所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述固存AOS模块采用SpaceWire总线、FLASH电路、LVDS发送和接收电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现载荷数据接收、AOS组帧、存储和下传。

11.如权利要求10所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述SpaceWire总线共有8路，用于实现8个星载高速数据设备的即插即用。

12.如权利要求3所述的一种星载综合电子计算机，其特征在于，所述模拟量采集模块采用AD接口电路、DA接口电路与FPGA电路互联，所述FPGA电路再通过CPCI内总线接插件插到CPCI底板上，用于实现模拟信号采集和模拟信号输出。