CN110442542B - 一种箭载计算机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种箭载计算机，包括：核心处理器，其包括四核ARM应用处理器和双核ARM实时处理器，所述四核ARM应用处理器用于进行箭载传感器信息处理和控制参数的计算，所述双核ARM实时处理器用于对外接口实时管理以及信息实时交互；外围接口，其采用Zynq UltraScale+XCZU28DR处理器集成设计外围接口电路，包括多个接口，用于连接外部设备；计算机软件，其包括VxWorks实时操作系统，用于实时运行管理与控制多个任务以及接口数据的输入输出管理。本发明可大大增加计算机系统处理能力、简化电路结构、有效降低成本并提高可靠性。

Description

一种箭载计算机
技术领域
本发明涉及航天电子计算机领域，尤其涉及一种箭载计算机。
背景技术
随着民用航天的快速发展，对火箭发射服务提出了越来越高的要求。体积和重量对于运载火箭来说直接决定了成本，所以对箭载各电子系统都提出了计算性能强、实时性强、体积小、重量轻、可靠性等要求。
传统箭载计算机多采用FPGA+DSP架构，为了适应不同的外设如导航系统、舵机系统、遥控遥测系统、监视相机等设计了不同的外部接口，全箭电子学系统需要多个处理器或控制器，结构复杂、重量大、成本体积等均较大，同时可靠性降低，越来越不能适应未来低成本民用商业航天的发展需求。
发明内容
本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种箭载计算机，其提供一组基于ARM架构，并且多种接口控制器集成到ZYNQ-7处理器中的箭载计算机，通过接口连接不同的外部设备，实现多功能于一体的箭载计算机。
本发明提供的技术方案为：一种箭载计算机，包括：
核心处理器，其包括四核ARM应用处理器和双核ARM实时处理器，所述四核ARM应用处理器用于进行箭载传感器信息处理和控制参数的计算，所述双核ARM实时处理器用于对外接口实时管理以及信息实时交互；
外围接口，其采用Zynq UltraScale+XCZU28DR处理器集成设计外围接口电路，包括多个接口，用于连接外部设备；
其中，所述外围接口包括：
2路CAN总线接口，其连接具有CAN总线接口的外部设备；
1路千兆以太网接口，其连接具有以太网接口的视频相机及其他高速数据传输设备；
1个USB3.0接口，其连接具有USB接口的视频相机、USB存储器；
1路SATA接口，其连接高速固态存储器，用于存储传感器数据、视频数据及指令；
1路SD接口，其连接SD存储卡，用于存储数据；
10路串口，其连接具有串口的感器及其他外设；
8路高速AD，其用于采集陀螺、加速度计、电流传感器的信号；
8路RF-ADC接口和8路RF-DAC接口，用于连接功率放大电路，进行无线电数据传输以及所述箭载计算机遥控遥测数据的传输。
优选的是，
所述千兆以太网接口和所述USB3.0接口用于进行数字视频相机的接入与数据的处理。
优选的是，还包括：
计算机软件，其包括VxWorks实时操作系统，用于实时运行管理与控制多个任务以及接口数据的输入输出管理。
优选的是，
所述CAN总线接口、所述串口和所述高速AD用于控制与管理传感器数据和总线外设的数据。
优选的是，
在所述Zynq UltraScale+XCZU28DR处理器上运行VxWorks操作系统，实时运行管理与控制多个任务、接口数据输入输出管理。
优选的是，
所述外围接口还包括：
16路隔离DIO，其用于产生逻辑或控制信号。
优选的是，
所述核心处理器与所述外围接口集成于一个芯片内。
优选的是，
所述接口处均设置隔离。
本发明所述的有益效果：
1)计算机系统处理能力大大增加，采用多核处理器，多任务实时操作系统模式，处理性能与实时性均得到大幅提高；
2)电路结构大大简化，多种接口控制器被集成到ZYNQ-7处理器中，省去了大量外部接口控制，可靠性与接口带宽可以大幅提高；
3)系统成本得到有效降低，集成一体化设计减少大量芯片与接口控制器代码设计成本。
附图说明
图1为本发明的箭载计算机的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明的箭载计算机，主要包括计算机硬件部分和计算机软件部分，两者相辅相成、作用互补，可集成箭上传感器采集、信息处理与控制、遥控遥测等功能。可提高计算机处理能力、电路结构大大简化、系统成本得到有效降低。
计算机硬件部分主要包括核心处理器部分和外围接口部分，其中核心处理器包括四核ARM应用处理器和双核ARM实时处理器，外围接口部分包括2路CAN总线接口，1路千兆以太网接口、1个USB3.0接口、1路SATA接口、1路SD接口、10路串口、8路高速AD、16路隔离DIO、8路RF-ADC接口、8路RF-DAC接口，以上接口均有隔离保护设计。核心处理器与外围接口控制器在一个芯片中集成设计。
计算机软件部分主要VxWorks实时操作系统，实时运行管理与控制多个任务、接口数据输入输出管理。
箭载计算机选用Xlinx公司生产的Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片作为主控芯片。
四核ARM应用处理器主要进行箭载传感器信息处理、控制等参数计算；
双核ARM实时处理器主要完成对外接口实时管理、信息实时交互等，在处理器上运行VxWorks实时操作系统。
2路CAN总线接口，可以连接具有CAN总线接口的外部设备；
1路千兆以太网接口可以用于连接具有以太网接口的视频相机及其他高速数据传输设备；
1路USB3.0接口可以连接具有USB接口的视频相机、USB存储器等；
1路DP显示接口用于显示视频图像；
1路SATA接口可以连接高速固态存储器，存储传感器数据、视频数据及相关指令等；
1路SD接口可以连接SD存储卡，存储相关数据；
10路串口用于连接具有串口传感器及其他外设；
8路高速AD用于采集陀螺、加速度计、电流传感器等信号；
8路RF-ADC接口、8路RF-DAC接口，设计功率放大电路即可完成无线电数据传输功能，完成箭载计算机遥控遥测数据传输。
16路DIO产生各种逻辑或控制信号。
在另一实施例中，选用VxWorks操作系统作为实时操作系统，实时运行管理多个任务。
通过USB 3.0接口直接连接具有USB 3.0输出的数字视频相机，如英迪格公司S-400-MRU相机；
通过GigE网络接口直接连接具有千兆网输出功能的数字视频相机，如Basler公司的acA640-90gc相机；
通过SD接口扩展SD卡座，可以直接连接金士顿、闪迪等品牌SD卡；
SATA接口直接连接具有SATA接口的固态硬盘，存储速率达到450MB/s；
CAN总线控制器扩展CAN总线隔离驱动芯片SN65HVD232C，挂载到CAN总线上，按照设定得CAN总线协议与总线上得设备进行数据通信；
Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片自带2路UART控制器，扩展2路MAX1490A芯片，生成RS422串行接口电平，可以按照预先设置得通信协议与串口外设进行数据通信；
通过Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片自带SPI接口扩展WK2124芯片，WK2124芯片是SPI接口扩展4路串口芯片，最大波特率2Mbps，每个子串口具备独立的256级发送FIFO，发送FIFO触发点可按用户需求进行编程，每个子串口具备独立的256接收FIFO，接收FIFO触发点可按用户需求进行编程。再扩展4路MAX1490A芯片，生成RS422串行接口电平，可以按照预先设置得通信协议与串口外设进行数据通信。
通过Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片自带SPI接口2片扩展AD9627芯片，AD9627芯片是4通道、12位分辨率、125MSPS采样率的ADC芯片，通过300Mhz带宽的AD8056芯片和分压电阻把-5V～+5V输入的电压缩小成-1V～+1V，通过AD8132芯片转换成差分信号(VIN+-VIN-)，差分信号的共模电平由AD的CML管脚决定。
通过Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片通过自带8路RF-ADC接口、8路RF-DAC接口扩展PLL芯片LMX2594与时钟缓冲器LMK00804B即可完成对射频信号的采集与发射功能。其中LMX2594是一款高性能宽带合成器，可在不使用内部加倍器的情况下生成10MHz至15GHz范围内的任何频率。
通过Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片通过自带多路可编程数字IO，扩展4片ADuM1400芯片，ADuM1400隔离器提供四个独立的隔离通道，支持多种通道配置和数据速率，采用ADI公司
Figure BDA0002164297940000051
技术。隔离输出后的IO可以直接连接逻辑外设。
系统内部双核ARM-Cortex R5实时处理单元运行VxWorks 6.6操作系统，使用Workbench 3.0开发环境进行开发，主要进行系统多任务管理与控制、接口数据输入输出管理。
系统内部四核ARM-Cortex A53实时处理单元可进行复杂算法应用程序计算。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种箭载计算机，其特征在于，包括：
核心处理器，其包括四核ARM应用处理器和双核ARM实时处理器，所述四核ARM应用处理器用于进行箭载传感器信息处理和控制参数的计算，所述双核ARM实时处理器用于对外接口实时管理以及信息实时交互；
外围接口，其采用Zynq UltraScale+XCZU28DR处理器集成设计外围接口电路，包括多个接口，用于连接外部设备；
其中，所述外围接口包括：
2路CAN总线接口，其连接具有CAN总线接口的外部设备；
1路千兆以太网接口，其连接具有以太网接口的视频相机及其他高速数据传输设备；
1个USB3.0接口，其连接具有USB接口的视频相机、USB存储器；
1路SATA接口，其连接高速固态存储器，用于存储传感器数据、视频数据及指令；
1路SD接口，其连接SD存储卡，用于存储数据；
10路串口，其连接具有串口的感器及其他外设；
8路高速AD，其用于采集陀螺、加速度计、电流传感器的信号；
8路RF-ADC接口和8路RF-DAC接口，用于连接功率放大电路，进行无线电数据传输以及所述箭载计算机遥控遥测数据的传输；
Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片自带2路UART控制器，扩展2路MAX1490A芯片，生成RS422串行接口电平，可以按照预先设置得通信协议与串口外设进行数据通信；
通过Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片自带SPI接口扩展WK2124芯片，WK2124芯片是SPI接口扩展4路串口芯片，最大波特率2Mbps，每个子串口具备独立的256级发送FIFO，发送FIFO触发点可按用户需求进行编程，每个子串口具备独立的256接收FIFO，接收FIFO触发点可按用户需求进行编程；再扩展4路MAX1490A芯片，生成RS422串行接口电平，可以按照预先设置得通信协议与串口外设进行数据通信；
通过Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片自带SPI接口2片扩展AD9627芯片，AD9627芯片是4通道、12位分辨率、125MSPS采样率的ADC芯片，通过300Mhz带宽的AD8056芯片和分压电阻把-5V～+5V输入的电压缩小成-1V～+1V，通过AD8132芯片转换成差分信号(VIN+-VIN-)，差分信号的共模电平由AD的CML管脚决定；
通过Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片通过自带8路RF-ADC接口、8路RF-DAC接口扩展PLL芯片LMX2594与时钟缓冲器LMK00804B即可完成对射频信号的采集与发射功能，其中LMX2594是一款高性能宽带合成器，可在不使用内部加倍器的情况下生成10MHz至15GHz范围内的任何频率；
通过Zynq UltraScale+XCZU28DR芯片通过自带多路可编程数字IO，扩展4片ADuM1400芯片，ADuM1400隔离器提供四个独立的隔离通道，支持多种通道配置和数据速率，隔离输出后的IO可以直接连接逻辑外设。
2.根据权利要求1所述的箭载计算机，其特征在于，
所述千兆以太网接口和所述USB3.0接口用于进行数字视频相机的接入与数据的处理。
3.根据权利要求2所述的箭载计算机，其特征在于，还包括：
计算机软件，其包括VxWorks实时操作系统，用于实时运行管理与控制多个任务以及接口数据的输入输出管理。
4.根据权利要求3所述的箭载计算机，其特征在于，
所述CAN总线接口、所述串口和所述高速AD用于控制与管理传感器数据和总线外设的数据。
5.根据权利要求2所述的箭载计算机，其特征在于，
在所述Zynq UltraScale+XCZU28DR处理器上运行VxWorks操作系统，实时运行管理与控制多个任务、接口数据输入输出管理。
6.根据权利要求5所述的箭载计算机，其特征在于，
所述外围接口还包括：
16路隔离DIO，其用于产生逻辑或控制信号。
7.根据权利要求1所述的箭载计算机，其特征在于，
所述核心处理器与所述外围接口集成于一个芯片内。
8.根据权利要求7所述的箭载计算机，其特征在于，
所述接口处均设置隔离。
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