CN110162432B - 一种基于arm的多级容错星载计算机系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，涉及一种小卫星星载计算机系统。解决了小卫星星载计算机系统高性能、高可靠性与体积小、重量轻之间难以兼得的问题。本发明包括主控板和备份板，二者通过PC104插件连接，从而实现二者间的信号传输；主控板包括两个ARM主控模块，且两个ARM主控模块采用非抗辐射级ARM处理器实现；备份板包括单片机监控模块和电源模块，且单片机监控模块采用抗辐射级单片机实现；电源模块用于给两个ARM主控模块和单片机监控模块进行供电。本发明主要应用于小卫星上。

Description

一种基于ARM的多级容错星载计算机系统
技术领域
本发明涉及一种小卫星星载计算机系统。
背景技术
星载计算机是卫星的管理控制中心，负责整星的数据信息采集、分析与处理，各分系统状态的监控，卫星星务管理，卫星姿态控制等，以实现小卫星的安全可靠运行。因此，星载计算机在卫星中占据重要地位，其性能与可靠性对卫星而言非常重要。
体积小、质量轻、成本低是小卫星的显著特点，作为小卫星重要组成部分的星载计算机系统也需要满足这些特点。另外，星载计算机在完成各项管理任务的同时，还需要完成复杂的姿控计算。且随着卫星技术的发展，小卫星综合性越来越强，星载计算机承担的任务越来越丰富，未来可能需要进行更多的复杂计算，计算型任务加重。因此，星载计算机对处理性能的要求也越来越高。为保证可靠性，星载计算机通常采用的是抗辐射级的处理器，且采用双冗余的结构，但抗辐射级的处理器性能不高。小卫星多采用商用器件(Commercial-off-the-shelf,COTS)，既降低了成本，同时还具备较高的性能，但是抗辐射能力差。
为了提高抗辐射能力，有的小卫星星载计算机采用多模冗余的体系结构，通过增加系统的冗余度来提高可靠性。但是这样会造成资源开销的成倍增长，成本的成倍增长，以及体积、重量的增加，与小体积、轻重量的要求不符，对于一些体积非常小的微小卫星是不适用的。因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明是为了解决小卫星星载计算机系统高性能、高可靠性与体积小、重量轻之间难以兼得的问题，本发明提供了一种基于ARM的多级容错星载计算机系统。
一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，包括主控板和备份板，二者通过PC104插件连接，从而实现二者间的信号传输；
主控板包括两个ARM主控模块，且两个ARM主控模块采用非抗辐射级ARM处理器实现；
备份板包括单片机监控模块和电源模块，且单片机监控模块采用抗辐射级单片机实现；
两个ARM主控模块均用于实现承担星载计算机系统计算型任务及星务管理任务，并根据星务管理任务发出控制指令；
两个ARM主控模块中的一个或两个ARM主控模块作为星载计算机系统的主处理器，单片机监控模块用于对主处理器的工作状态进行监测，根据监测结果确定主处理器是否故障，并对故障的主处理器进行切机操作；
单片机监控模块还用于根据两个ARM主控模块发出的控制指令，对相应的外设进行控制；
电源模块用于给两个ARM主控模块和单片机监控模块进行供电。
优选的是，星载计算机系统包括三种工作模式，
其一、因两个ARM主控模块故障，二者停止工作，仅单片机监控模块工作，此模式为卫星应急模式；
其二、一个ARM主控模块和单片机监控模块处于工作状态，另一个ARM主控模块处于非工作状态，此模式为正常工作模式；
其三、两个ARM主控模块和单片机监控模块均处于工作状态，此模式为冗余工作模式。
优选的是，每个ARM主控模块包括ARM最小系统、RS422收发器和CAN收发器；
ARM最小系统通过RS422收发器与RS422总线进行数据通信；
ARM最小系统通过CAN收发器与CAN总线进行数据通信；
ARM最小系统用于发出心跳信号，单片机监控模块实时监测ARM最小系统的心跳信号，并根据接收的心跳信号判断ARM最小系统是否发生故障，当确定ARM最小系统发生故障时，单片机监控模块进行切机操作。
优选的是，单片机监控模块包括单片机最小系统和CAN收发器；
单片机最小系统通过CAN收发器与CAN总线进行数据通信。
优选的是，电源模块包括电源保护电路、电源转换电路和继电器开关电路；
电源保护电路接收电源总线的电源电压，并对其采集的电源电压进行保护后，通过电源转换电路进行电压转换，电压转换完成的电源电压通过继电器开关电路对两个ARM主控模块和单片机监控模块进行供电；
继电器开关电路，还用于接收单片机监控模块的控制指令，从而对两个ARM主控模块的供电通断进行控制。
优选的是，所述的一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，还包括状态监控模块；
状态监控模块，用于采集星箭分离信号，并将该星箭分离信号发送至单片机监控模块，单片机监控模块根据接收的星箭分离信号，确定卫星处于在轨状态或地面状态，并根据在轨状态或地面状态确定两个ARM主控模块的工作状态。
本发明利用商用器件(Commercial-off-the-shelf,COTS)的低成本与高性能的特点，以及宇航级器件高可靠性的特点，将商用器件(即：两个ARM主控模块)与宇航级器件(即：单片机监控模块)相结合，采用双冗余ARM主处理器和监控单片机处理器的体系结构。其中双备份ARM主控模块采用COTS器件，单片机监控模块采用宇航级器件，既保证了星载计算机系统的可靠性，又获得了高性能，同时还降低了成本。
本发明带来的有益效果是，本发明该系统采用双备份非抗辐射级ARM处理器作为主处理器，同时采用抗辐射级单片机来监测主处理器的工作状态，在监测到主处理器发生故障时进行切机操作，提高了系统可靠性，避免了采用多模冗余结构，结构精简，同时降低了成本。特别地，该系统十分适用于体积、质量十分受限的小卫星。
同时，星载计算机系统以ARM处理器作为主处理器，使系统具有高性能、低功耗的特点。还可以通过让抗辐射级的单片机来承担系统的控制型任务，并监测ARM主控模块工作状态，ARM主控模块承担系统计算型任务，进行复杂运算，来进一步提高系统性能，以应对未来星载计算机系统性能方面更高的需求。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于ARM的多级容错星载计算机系统的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，包括主控板和备份板，二者通过PC104插件连接，从而实现二者间的信号传输；
主控板包括两个ARM主控模块，且两个ARM主控模块采用非抗辐射级ARM处理器实现；
备份板包括单片机监控模块和电源模块，且单片机监控模块采用抗辐射级单片机实现；
两个ARM主控模块均用于实现承担星载计算机系统计算型任务及星务管理任务，并根据星务管理任务发出控制指令；
两个ARM主控模块中的一个或两个ARM主控模块作为星载计算机系统的主处理器，单片机监控模块用于对主处理器的工作状态进行监测，根据监测结果确定主处理器是否故障，并对故障的主处理器进行切机操作；
单片机监控模块还用于根据两个ARM主控模块发出的控制指令，对相应的外设进行控制；
电源模块用于给两个ARM主控模块和单片机监控模块进行供电。
本实施方式中，双冗余ARM主控模块作为星载计算机系统的主处理器，负责完成主要星务管理控制工作和姿轨控计算；
单片机监控模块作为监控处理器，监测两个ARM主控模块工作状态，在当班机(即：处于工作状态的ARM主控模块)发生故障时切换备份机接替当班机工作，同时在ARM主控模块的控制下承担部分星务管理控制任务。
本发明该系统采用双备份非抗辐射级ARM处理器作为主处理器，同时采用抗辐射级单片机来监测主处理器的工作状态，在监测到主处理器发生故障时进行切机操作，提高了系统可靠性，避免了采用多模冗余结构，结构精简，同时降低了成本。特别地，该系统十分适用于体积、质量十分受限的小卫星。
同时，两个ARM处理器采用非抗辐射级处理器，单片机采用抗辐射级处理器，两种类型处理器配合使用，在保证星载计算机系统的高性能、高可靠性需求的情况下，降低了星载计算机系统的整体成本，由于单片机采用抗辐射级处理器，可提高星载计算机系统可靠性。
星载计算机系统以ARM处理器作为主处理器，使系统具有高性能、低功耗的特点。还可以通过让抗辐射级的单片机来承担系统的控制型任务，并监测ARM主控模块工作状态，ARM主控模块承担系统计算型任务，进行复杂运算，来进一步提高系统性能，以应对未来星载计算机系统性能方面更高的需求。
本发明中通信模块包括两种通信总线：CAN总线和RS422总线，通信模块实现与星上其他系统的通讯，CAN总线用于同星上其他所有系统进行指令与数据的传输。两个ARM主控模块采用双冗余CAN总线，提高可靠性。RS422总线用于同某些单元进行数据传输以及秒脉冲同步。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，星载计算机系统包括三种工作模式，
其一、因两个ARM主控模块故障，二者停止工作，仅单片机监控模块工作，此模式为卫星应急模式；
其二、一个ARM主控模块和单片机监控模块处于工作状态，另一个ARM主控模块处于非工作状态，此模式为正常工作模式；
其三、两个ARM主控模块和单片机监控模块均处于工作状态，此模式为冗余工作模式。
本优选实施方式中，1)在卫星应急模式下，在两个ARM主控模块均发生故障无法正常工作时，单片机监控模块切断ARM主控模块电源，且接管星载计算机主要工作，卫星进入应急模式。或是在卫星电源不足时，也进入应急工作模式，以降低卫星功耗，节省能源。此模式下，卫星仅最小应急系统工作，仅完成星载计算机的必要工作，功耗最小。
2)一个ARM主控模块与单片机工作，此模式为正常工作模式。通常情况下，双冗余ARM主控模块仅一个工作，作为主处理器，完成星载计算机的各项任务，定时向单片机监控模块发送心跳信号，受单片机监控模块的监测。单片机监控模块作为监控处理器，接收当班ARM主控模块发送的心跳信号，对当班机的工作状态进行监控。若监测到当班机心跳信号异常，认为当班机发生故障，单片机监控模块发出指令通过切断当班机电源，开启备用机电源，备用机成为当班机开始工作，实现切机。同时，单片机监控模块作为主处理器的从设备，在主处理器的控制下完成部分星载计算机任务。
3)两个ARM主控模块与单片机监控模块均工作。在有特殊需求需要两个ARM主控模块均工作时，卫星进入该工作模式。此模式下，可令两个ARM主控模块共同作为主控处理器，在单片机监控模块的监测下，完成星载计算机各项任务。单片机监控模块既负责监控两个主处理器的工作状态，在主处理器工作异常时进行重启，同时又作为从设备，接收主处理器的指令，承担部分星载计算机任务。此模式下，还可以单片机监控模块为主处理器，负责星载计算机所有控制型任务，两个ARM主控模块则承担星载计算机的计算型任务，如姿轨控计算。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，每个ARM主控模块包括ARM最小系统、RS422收发器和CAN收发器；
ARM最小系统通过RS422收发器与RS422总线进行数据通信；
ARM最小系统通过CAN收发器与CAN总线进行数据通信；
ARM最小系统用于发出心跳信号，单片机监控模块实时监测ARM最小系统的心跳信号，并根据接收的心跳信号判断ARM最小系统是否发生故障，当确定ARM最小系统发生故障时，单片机监控模块进行切机操作。
本优选实施方式中，ARM最小系统为现有技术，其包括ARM处理器、上电复位电路、SRAM存储器、SD卡存储器和程序烧写接口；ARM处理器可采用Atmel公司基于ARM Cortex-M7核的32位处理器，两个ARM处理器采用非抗辐射级处理器，从而了降低成本，在低成本的情况下，保证星载计算机系统的高性能、高可靠性需求。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，单片机监控模块包括单片机最小系统和CAN收发器；
单片机最小系统通过CAN收发器与CAN总线进行数据通信。
本优选实施方式中，单片机最小系统采用现有技术实现，单片机最小系统包括单片机处理器、上电复位电路、和程序烧写接口。单片机监控模块中的单片机可采用Atmel公司的单片机，单片机采用抗辐射级处理器，可提高星载计算机系统可靠性。单片机作为监控芯片，采用抗辐射级芯片使切机机制更可靠。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，电源模块包括电源保护电路、电源转换电路和继电器开关电路；
电源保护电路接收电源总线的电源电压，并对其采集的电源电压进行保护后，通过电源转换电路进行电压转换，电压转换完成的电源电压通过继电器开关电路对两个ARM主控模块和单片机监控模块进行供电；
继电器开关电路，还用于接收单片机监控模块的控制指令，从而对两个ARM主控模块的供电通断进行控制。
本优选实施方式中，电源保护电路、电源转换电路和继电器开关电路均可采用现有技术实现，电源模块结构简单便于实现。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式所述的一种基于ARM的多级容错星载计算机系统还包括状态监控模块；
状态监控模块，用于采集星箭分离信号，并将该星箭分离信号发送至单片机监控模块，单片机监控模块根据接收的星箭分离信号，确定卫星处于在轨状态或地面状态，并根据在轨状态或地面状态确定两个ARM主控模块的工作状态。
本优选实施方式中，状态监控模块可采用行程开关采集电路实现，行程开关采集电路为现有电路。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (5)

1.一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，其特征在于，包括主控板和备份板，二者通过PC104插件连接，从而实现二者间的信号传输；
主控板包括两个ARM主控模块，且两个ARM主控模块采用非抗辐射级ARM处理器实现；
备份板包括单片机监控模块和电源模块，且单片机监控模块采用抗辐射级单片机实现；通过抗辐射级单片机来承担系统的控制型任务，并监测ARM主控模块工作状态；
两个ARM主控模块均用于实现承担星载计算机系统计算型任务及星务管理任务，并根据星务管理任务发出控制指令；
两个ARM主控模块中的一个或两个ARM主控模块作为星载计算机系统的主处理器，单片机监控模块用于对主处理器的工作状态进行监测，根据监测结果确定主处理器是否故障，并对故障的主处理器进行切机操作；
单片机监控模块还用于根据两个ARM主控模块发出的控制指令，对相应的外设进行控制；
电源模块用于给两个ARM主控模块和单片机监控模块进行供电；
星载计算机系统包括三种工作模式，
其一、因两个ARM主控模块故障，二者停止工作，仅单片机监控模块工作，此模式为卫星应急模式；
其二、一个ARM主控模块和单片机监控模块处于工作状态，另一个ARM主控模块处于非工作状态，此模式为正常工作模式；
其三、两个ARM主控模块和单片机监控模块均处于工作状态，此模式为冗余工作模式；此模式下，两个ARM主控模块共同作为主处理器，在单片机监控模块的监测下，完成星载计算机各项任务；单片机监控模块既负责监控两个主处理器的工作状态，在主处理器工作异常时进行重启，同时又作为从设备，接收主处理器的指令，承担部分星载计算机任务；或者此模式下，以单片机监控模块为主处理器，负责星载计算机所有控制型任务，两个ARM主控模块则承担星载计算机的计算型任务。
2.根据权利要求1所述的一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，其特征在于，每个ARM主控模块包括ARM最小系统、RS422收发器和CAN收发器；
ARM最小系统通过RS422收发器与RS422总线进行数据通信；
ARM最小系统通过CAN收发器与CAN总线进行数据通信；
ARM最小系统用于发出心跳信号，单片机监控模块实时监测ARM最小系统的心跳信号，并根据接收的心跳信号判断ARM最小系统是否发生故障，当确定ARM最小系统发生故障时，单片机监控模块进行切机操作。
3.根据权利要求1所述的一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，其特征在于，单片机监控模块包括单片机最小系统和CAN收发器；
单片机最小系统通过CAN收发器与CAN总线进行数据通信。
4.根据权利要求1所述的一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，其特征在于，电源模块包括电源保护电路、电源转换电路和继电器开关电路；
电源保护电路接收电源总线的电源电压，并对其采集的电源电压进行保护后，通过电源转换电路进行电压转换，电压转换完成的电源电压通过继电器开关电路对两个ARM主控模块和单片机监控模块进行供电；
继电器开关电路，还用于接收单片机监控模块的控制指令，从而对两个ARM主控模块的供电通断进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于ARM的多级容错星载计算机系统，其特征在于，还包括状态监控模块；
状态监控模块，用于采集星箭分离信号，并将该星箭分离信号发送至单片机监控模块，单片机监控模块根据接收的星箭分离信号，确定卫星处于在轨状态或地面状态，并根据在轨状态或地面状态确定两个ARM主控模块的工作状态。
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