CN111796507A - 一种箭载全冗余综合电子系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种箭载全冗余综合电子系统，其中箭载全冗余综合电子系统采用VPX背板架构，该综合电子系统包括：具有多模冗余架构的主控模块、电源模块及多个业务模块，其中，主控模块设置于VPX背板的中心，用于向各业务模块发送控制指令以对各业务模块进行管理和控制；电源模块设置于VPX背板的一侧面，用于对主控模块及各业务模块进行供电；各业务模块按照预设排序要求依次设置于VPX背板上，用于根据主控模块发送的控制指令执行相应的业务服务。本发明通过采用VPX背板架构将具有多模冗余架构的模块互联成整机，易于扩展；并且功能独立的各个模块为多模架构，不存在单点故障模式，进而提高了系统的可靠性。

Description

一种箭载全冗余综合电子系统

技术领域

本发明涉及运载火箭电气系统技术领域，具体涉及一种箭载全冗余综合电子系统。

背景技术

箭载计算机是运载火箭(或导弹武器)电气系统的核心装置，由于运载火箭(或导弹武器)本身的研制及生产成本较高，要求箭载计算机的飞行可靠性极高，箭载综合电子系统在传统运载火箭(或导弹武器)中的称呼是箭(弹)载单机，属于分布式结构，由多台单机组成，一般包括箭载计算机、综合控制器、时序控制器、配电器、惯性导航装置、卫星导航接收机等设备。每台单机功能独立完整，内部包括结构件、多块印制板和应用软件，单机和单机之间通过系统总线进行指令控制和数据通讯。现有的箭载综合电子系统中各个功能模块之间通过自定义架构集成，结构形式自定义、互联总线自定义，随意性较高，可扩展性差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种箭载全冗余综合电子系统，解决现有技术中综合电子系统中各个功能模块之间结构形式自定义、互联总线自定义，随意性较高，可扩展性差的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种箭载全冗余综合电子系统，所述箭载全冗余综合电子系统采用VPX背板架构，所述箭载全冗余综合电子系统包括：具有多模冗余架构的主控模块、电源模块及多个业务模块，其中，所述主控模块设置于所述VPX背板的中心，用于向各业务模块发送控制指令以对各业务模块进行管理和控制；所述电源模块设置于所述VPX背板的一侧面，用于对所述主控模块及各业务模块进行供电；各所述业务模块按照预设排序要求依次设置于所述VPX背板上，用于根据所述主控模块发送的控制指令执行相应的业务功能。

可选地，所述主控模块和各个所述业务模块内部的各个冗余模组之间以及所述主控模块和各个所述业务模块之间均采用GTX高速串行收发器两两连接，以进行各模块之间通讯、各模块中冗余模组之间通讯及系统之间通讯。

可选地，所述电源模块由多个电源模组并联构成，所述电源模组的输入端与外部供电电源连接，输出端通过VPX背板分别与主控模块及各业务模块连接；所述电源模组由EMC滤波电路、EMI滤波电路、二次电源模块依次串联组成，EMC滤波电路和EMI滤波电路对外部供电电源提供的电源进行滤波后通过二次电源模块根据预设供电要求变换为多路直流电源。

可选地，所述主控模块包括：三个单模计算机、三选二复位选择电路、时钟同步电路及模间高速总线通讯电路，其中，所述三选二复位选择电路的三个输入端分别与三个单模计算机连接，三个输出端分别与三个单模计算机的复位端口连接，用于当任意一个单模计算机发生故障后，对当前故障的单模计算机进行复位重启；所述时钟同步电路用于实现三个单模计算机中处理器运行的同步性；所述模间高速总线通讯电路用于实现任意两个单模计算机之间的数据通讯。

可选地，所述主控模块由三个完全独立的MPSoC芯片组成。

可选地，所述主控模块还包括：多个数据存储模块，各所述数据存储模块与所述MPSoC芯片连接，用于根据不同预设数据类型存储所述主控模块中的单模计算机对应的数据。

可选地，所述业务模块包括：采集模块、配电模块、时序模块、卫导模块、遥测模块。

可选地，所述业务模块中设置有多个控制模组，用于根据所述主控模块的控制指令选择对应的冗余模组。

可选地，本发明实施例提供的箭载全冗余综合电子系统，还包括：扩展模块，所述扩展模块用于根据预设需求进行箭载全冗余综合电子系统的功能扩展。

可选地，所述主控模块、电源模块及多个业务模块均采用VPX子板结构。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供了一种箭载全冗余综合电子系统，通过采用VPX背板架构将具有多模冗余架构的主控模块、电源模块及多个业务模块互联成整机，方便各模块更换和增减，易于扩展；并且功能独立的各个模块为多模架构，不存在单点故障模式，进而提高了系统的可靠性，可以满足中大型运载火箭对高可靠性的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1为本发明实施例中的箭载全冗余综合电子系统的示意图；

图2为本发明实施例中的箭载全冗余综合电子系统的各模块的通讯连接示意图；

图3为本发明实施例中的电源模块的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供的箭载全冗余综合电子系统基于以下场景，即由于运载火箭(或导弹武器)本身的研制及生产成本较高，加之卫星、飞船等载荷更加昂贵，要求箭载计算机的飞行可靠性达到0.999甚至更高。传统箭(弹)载综合电子系统存在如下缺点：功能独立的各个模块多为单模架构，存在多个单点故障模式，系统可靠性不高，难以满足中大型运载火箭对高可靠性的要求；对于采用多模架构的功能模块，模组之间通讯一般采用低速总线或双口随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)实现，数据带宽较低，存在一定的延时，限制了数据处理的实时性；箭载综合电子系统中各个模块之间通过自定义架构集成，结构形式自定义、互联总线自定义，随意性较高，可扩展性差。

本发明实施例提供了一种箭载全冗余综合电子系统，箭载全冗余综合电子系统采用VPX背板1架构，如图1所示，箭载全冗余综合电子系统包括：具有多模冗余架构的主控模块2、电源模块3及多个业务模块4，其中，主控模块2设置于VPX背板1的中心，用于向各业务模块4发送控制指令以对各业务模块4进行管理和控制；电源模块3设置于VPX背板1的一侧面，用于对主控模块2及多个业务模块4进行供电；各业务模块4按照预设排序要求依次设置于VPX背板1上，用于根据主控模块2发送的控制指令执行相应的业务服务，其中VPX背板1根据功能模块的功能不同分为不同的连接形式(例如：Control Plane、Control Switch、DataPlane、Expan Plane、IMPC、Power等等，这些都是VPX背板1所固有的标准内容，本发明实施例不再赘述)，根据实际功能需求进行连接形式设置，本发明并不以此为限。

采用VPX背板1架构的箭载全冗余综合电子系统符合VITA65标准，实现了多模冗余，保证在任何一个模块内部故障的情况下，都不影响模块正常功能，保证了运行可靠性；并且避免了通过自定义架构集成，结构形式自定义、互联总线自定义，随意性较高，可扩展性差的问题，使得各模块易于扩展。需要说明的是，在实际应用中也可以选择其他背板架构代替VPX背板1架构，本发明并不以此为限。

本发明实施例中，主控模块2、电源模块3及多个业务模块4内部的各个冗余模组均采用VPX子板(VPX1、VPX2……VPX11)结构，在箭载全冗余综合电子系统中，各个模块接口均采用符合VITA65标准的OpenVPX架构。按照既定的模块顺序，且考虑每个模块使用过程中功能走线、功耗及散热的要求，主控模块2在VPX背板1结构中间位置，电源模块3等功率模块在VPX背板1侧面位置，其余业务模块4(包括：配电模块41、采集模块42、遥测模块43、卫导模块44、多个时序模块45等)按照功能及走线逐一放置在VPX背板1结构上，方便模块更换和增减。其中VPX接扣的插件选用国产中航光电公司生产的VPX，模块插头为VPX-61T8aAA8CACC8-B、背板插座为VPX-61Z8eIJ8IIIJ8-A。需要说明的是，本发明实施例仅举例说明背板结构的厂家及插件类型，在实际应用中可以根据实际需求进行选择，本发明并不以此为限。

在实际应用中，业务模块4的控制FPGA选用2个完全独立的Xilinx公司K7系列FPGA作为控制单元，芯片型号为XC7K325T-2FFG676I，集成了自定义高速串行总线iSPACE的节点IP核，信号滤波IP等。该FPGA为业务模块4的控制中心，接收主控模块2的总线控制命令进行运算处理后送入执行电路(即业务系统内部的各个冗余模组中对应的模组)输出控制信号，同时接收采样电路信号进行处理后通过总线送给外部设备，其中采用FPGA的作为控制核心，将原来传统的单模架构进行冗余设计，消除原架构存在的单点故障模式，实现了全冗余体系，提高了业务模块4的可靠性以及整体性能。

如图2所示，主控模块2和各个业务模块4内部的各个冗余模组之间以及主控模块2和各个业务模块4之间均采用GTX高速串行收发器两两连接，以进行各模块之间通讯、各模块中冗余模组之间通讯及系统之间通讯。以自定义高速串行总线技术连接系统内各模块以及与系统外单机的通讯；采用全可编程系统级芯片(System on Chip，简称SOC)及现场可编程逻辑芯片(Field Programmable Gate Array，简称FPAG)，集成多种成熟IP核，减少接口芯片的器件种类；基于以太网及实时嵌入式操作系统的解决方案，为运载火箭控制算法提供软硬件环境，保证各模块之间采用机内自定义高速串行总线进行数据、指令的传输，每个模块均有对外的连接器完成与控制系统其他设备的信号传输。

本发明实施例中，互连总线的硬件上采用GTX高速串行收发器将SOC及FPGA两两连接，进行模组间通讯、模块间通讯、系统间通讯，实现综合电子系统的全联通结构；全冗余综合电子系统内部采用电信号，对外采用光信号，光模块采用中航光电公司生产的HTG8512-MH-I002LU，GTX高速串行收发器工作速率5Gbps，采用X2的模式将有独立的10Gbps带宽通讯链路。GTX高速串行收发器支持目前流行的高速串行总线协议实现，采用IP的形式在SOC及FPGA中实现，其中模组间通讯采用SRIO总线协议，模块间及系统间通讯采用自主研发的iSPACE总线协议，自研iSPACE的交换IP核位于主控模块2的SOC(SOC1、SOC2、SOC3)中，iSPACE的节点IP核位于业务模块4的FPGA(FPGA1、FPGA2)中。总线连接硬件上采用GTX保证双冗余通路；总线软件协议上采用标准SRIO总线协议及自定义iSPACE总线协议，自主可控，使用方便，易于移植。

需要说明的是，本发明实施例中仅举例说明，模组间通讯采用的SRIO总线协议以及模块间及系统间通讯采用自主研发的iSPACE总线协议，在实际应用中也可以选择其他总线协议，本发明并不以此为限。

本发明实施例中，如图3所示，电源模块3由多个电源模组并联构成，电源模组的输入端与外部供电电源连接，输出端分别与主控模块2及各业务模块4连接；电源模组由EMC滤波电路31、EMI滤波电路32、二次电源模块33依次串联组成，EMC滤波电路31和EMI滤波电路32对外部供电电源提供的电源进行滤波后通过二次电源模块33根据预设供电要求变换为多路直流电源。

其中，电源模块3的功能是将一次直流电压经过DC/DC变换成多路不同电压和功率的直流输出，并满足隔离要求，输出机内主控模块2、业务模块4以及测试所需的电源电压，在设计时采用多模冗余技术，充分考虑了产品的可靠性、安全性和电磁兼容性。外部+28V供电输入，首先经过电容、电感构成的EMC滤波电路31进行滤波，同时增加瞬态电压抑制二极管，防止母线出现较高的电压损坏元器件，输入电源通过EMI滤波电路32后供给二次电源模块33，进行电压变换及电气隔离，转发到电源接口VPX插件中(P0、P1……P6)。EMI滤波电路32采用Vicor公司的MQPI-18LP，DC-DC变换模块采用Vicor公司的PI3109-00-HVMZ、PI3111-00-HVMZ及PI3106-00-HVMZ。

需要说明的是，本发明实施例中各模块的电压等级及滤波电路的选择等都是根据实际需要进行设置的，本发明并不以此为限。

箭载全冗余综合电子系统采用三个完全独立的以MPSoC芯片为核心的模组组成。每个模组为一个功能独立的主控模块2，包括三个单模计算机、三选二复位选择电路、时钟同步电路及模间高速总线通讯电路，其中，三选二复位选择电路的三个输入端分别与三个单模计算机连接，三个输出端分别与三个单模计算机的复位端口连接；时钟同步电路用于实现三个单模计算机中处理器运行的同步性；模间高速总线通讯电路用于实现任意两个单模计算机之间的数据通讯。在MPSoC中部署基于大型嵌入式实时操作系统的飞行控制软件系统。其中主控模块2还包括：多个数据存储模块，各数据存储模块与MPSoC芯片连接，用于根据不同预设数据类型存储主控模块2中的单模计算机对应的数据。需要说明的是，本发明实施例中举例说明主控模块2以MPSoC芯片为核心，在实际应用中也可以选择其他芯片，本发明并不以此为限。

其中，对于三选二复位选择电路，提出了采用三选二的三模计算模块可互相投票进行复位重构的机制，即保证了任意一个计算机的故障都可以通过另外两个计算的投票少数服从多数的方式进行故障复位与系统重构，又保证了任意故障的一模计算机都不能误复位其他二模的计算机，保证了系统复位重构的可靠性。同时对于三选二复位选择电路的设计，为了保证可靠性，不采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)或者微控制单元(Microcontroller Unit，简称MCU)的方式，而是采用更为可靠的标准门电路(与非门、或门等)进行搭建，保证电路的空间可靠性和高抗辐照性能。

本发明实施例中系统的箭载全冗余综合电子系统的主控模块2采用3个完全独立的ZYNQ UltraScale+系列MPSoc芯片组成，采用的Zynq SOC是目前Xilinx最先进的型号系列，型号为XCZU15EG，在复杂系统控制及大型AI加速计算系统上都有着很好的应用。片上集成4核Arm A53和大容量FPGA(含高速收发器及2000+个并行DSP单元等大量计算加速单元)，在计算及AI加速能力方面性能水平在全球箭机控制系统业内领头水平。

本发明实施例提供的箭载全冗余综合电子系统的单模计算机还包括：接口电路，其中接口电路用于实现各单模计算机之间的数据通信以及各单模计算机与外部设备的数据通信，包括：双CAN总线接口、高速双以太网口、光电隔离IO接口及光电接口、机外高速总线接口、机外普通接口、机内高速总线接口、机内普通接口。按照XCZU15EG处理器PS端(ARM端)和PL端(FPGA端)各自的特点进行合理划分。DDR4动态存储器RAM、大容量eMMC闪存存储器、SPI配置存储器、CAN总线接口、Ethernet接口等挂接在XCZU15处理器的PS端(ARM端)；高速总线接口、开关量IO接口、同步及复位逻辑等挂接在XCZU15EG处理器的PL端(FPGA端)。

本发明实施例中，DDR4存储器选用Micron公司的MT40A512M16JYE动态DDR4芯片，2片并联，总位宽32bit，容量2GB；EMMC FLASH数据存储器采用Micron公司的MTFC64GAKAEEY大容量EMMC闪存实现，容量64GB；QSPI FLASH采用Micron公司的MT25QU01GBBB8E12，容量128MB；EEPROM采用ATMEL公司的AT24C256C，容量32MB。其中，主控模块2上需要0.85V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5V等多个电源轨道，采用凌特的LTM4627、LTM4622电源uModule模块、TI的TPS54525、TPS7A8101、TPS74401线性电源以及TI的DDR专用电源TPS51200生成。晶振选用SiTime公司的SIT5156-FD-33N0-33.333333型温补晶振作为PS端主时钟，符合5ppm的指标要求；选用SiTime公司的SiT8103AI-23-33E-50.000T型晶振作为PL端备用时钟，调试用的RS232串口电平转换采用Linear公司的LTC2802CDE。

其中，PS端接口有双CAN总线接口、高速双以太网口；PL端接口高速自定义总线接口、光电隔离IO接口。CAN总线接口采用XCZU15EG处理器PS端的CAN总线IP核+外部CAN收发器芯片的实现，CAN收发器采用NXP公司的TJA1040T接口芯片；双网口的实现全部通过XCZU15EG处理器PS端的ETH0和ETH1接口实现，两个控制器分别对应两片MARVAL公司88E1111，变压器选用PULSE公司的H5007NL。

采用全可编程SOC的核心处理器，将原来传统的三模冗余架构进行优化，消除原架构存在的薄弱环节，尤其是仲裁判断的单点模式，实现了全冗余体系，提高了主控模块2的可靠性以及整体性能。

本发明实施例提供的箭载全冗余综合电子系统还包括：扩展模块5，其中扩展模块5用于根据预设需求进行箭载全冗余综合电子系统的功能扩展，进一步提高系统的可扩展性及易移植性。

本发明实施例提供了一种箭载全冗余综合电子系统，通过采用VPX背板架构将具有多模冗余架构的主控模块、电源模块及多个业务模块互联成整机，方便各模块更换和增减，易于扩展；并且功能独立的各个模块为多模架构，不存在单点故障模式，进而提高了系统的可靠性，可以满足中大型运载火箭对高可靠性的要求；采用MPSoC作为模组的CPU，MPSoC的片上集成多个ARM核和大容量FPGA，CPU主频可达到1GHz以上，在计算能力及AI加速能力上具有强大功能；采用GTX高速串行收发器实现模块内的模组之间通讯，保证了数据传输速率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述箭载全冗余综合电子系统采用VPX背板架构，所述箭载全冗余综合电子系统包括：具有多模冗余架构的主控模块、电源模块及多个业务模块，其中，

所述主控模块设置于所述VPX背板的中心，用于向各业务模块发送控制指令以对各业务模块进行管理和控制；

所述电源模块设置于所述VPX背板的一侧面，用于对所述主控模块及各业务模块进行供电；

各所述业务模块按照预设排序要求依次设置于所述VPX背板上，用于根据所述主控模块发送的控制指令执行相应的业务功能。

2.根据权利要求1所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述主控模块和各个所述业务模块内部的各个冗余模组之间以及所述主控模块和各个所述业务模块之间均采用GTX高速串行收发器两两连接，以进行各模块之间通讯、各模块中冗余模组之间通讯及系统之间通讯。

3.根据权利要求1所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述电源模块由多个电源模组并联构成，所述电源模组的输入端与外部供电电源连接，输出端通过VPX背板分别与主控模块及各业务模块连接；

所述电源模组由EMC滤波电路、EMI滤波电路、二次电源模块依次串联组成，EMC滤波电路和EMI滤波电路对外部供电电源提供的电源进行滤波后通过二次电源模块根据预设供电要求变换为多路直流电源。

4.根据权利要求1所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述主控模块包括：三个单模计算机、三选二复位选择电路、时钟同步电路及模间高速总线通讯电路，其中，

所述三选二复位选择电路的三个输入端分别与三个单模计算机连接，三个输出端分别与三个单模计算机的复位端口连接，用于当任意一个单模计算机发生故障后，对当前故障的单模计算机进行复位重启；

所述时钟同步电路用于实现三个单模计算机中处理器运行的同步性；

所述模间高速总线通讯电路用于实现任意两个单模计算机之间的数据通讯。

5.根据权利要求1所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述主控模块由三个完全独立的MPSoC芯片组成。

6.根据权利要求5所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述主控模块还包括：多个数据存储模块，各所述数据存储模块与所述MPSoC芯片连接，用于根据不同预设数据类型存储所述主控模块中的单模计算机对应的数据。

7.根据权利要求1所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述业务模块包括：采集模块、配电模块、时序模块、卫导模块、遥测模块。

8.根据权利要求2所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述业务模块中设置有多个控制模组，用于根据所述主控模块的控制指令选择对应的冗余模组。

9.根据权利要求1所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，还包括：扩展模块，所述扩展模块用于根据预设需求进行箭载全冗余综合电子系统的功能扩展。

10.根据权利要求1所述的箭载全冗余综合电子系统，其特征在于，所述主控模块、电源模块及多个业务模块均采用VPX子板结构。

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