CN112162784B - 基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，包括CPU单元、两个NorFlash、SDRAM内存、第一总线接口、第二总线接口、看门狗电路及OC控制器组成主控单元，NorFlash存储系统启动、引导和初始化程序代码；NorFlash存放vx Works操作系统及应用程序；数据处理系统启动后，NorFlash中的vx Works操作系统及应用程序转移至SDRAM内存中运行；第一总线接口作为MIL‑STD‑1553B上总线RT接口，负责与星载计算机通信，接收星载计算机的遥控指令，反馈工程遥测数据和整星关键数据进行备份和恢复；第二总线接口作为MIL‑STD‑1553B内总线BC接口，负责主控单元和内部单板之间相关状态数据的采集和各内部单板数据的通信；看门狗电路用于提供看门狗信号以使数据处理系统复位。

Description

基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统

技术领域

本发明涉及卫星数据处理技术领域，特别涉及一种基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统。

背景技术

卫星数据处理系统是卫星综合电子系统的重要组成部分，主要功能为采集卫星在轨工作状态和单机业务数据，下发遥测数据；接收地面遥测指令或程控指令对星上单机进行控制和管理；对整星能源系统、热控系统等进行数据采集和控制。因此，数据处理系统是保障卫星在轨正常运行和数据传输的重要组成部分，对系统的安全性和可靠性有较高要求。

国内中高轨长寿命航天器数据处理等综合电子系统核心芯片多采用国外芯片。传统卫星数据处理系统或综合电子系统多采用“ERC32+PROM”架构。ERC32 CPU(AtmelTSC695)是一颗高可靠性，高性能，具有容错，抗辐射功能的32位RISC结构的CPU，在国外主要是用在航空航天等领域。PROM是反熔丝高可靠性程序存储器。目前这两种核心器件均依赖进口供货困难，影响工程进度；而且成本高昂，并且产品安全不可控；另外长寿命业务星需要根据任务变化及故障处理进行系统升级，由于无法进口高性能芯片，极大限制系统升级换代。

另外，卫星单机一般采用双机冷备结构以提高可靠性，当工作单机出现故障时可以通过发送遥控指令或者自主复位至备份单机。MEO中高轨卫星所处空间电磁环境复杂恶劣，卫星设计寿命长，对单机可靠性要求更为严格。因此，中高轨长寿命业务星数据处理系统对自主可控的高性能核心架构提出来迫切需求；对系统的升级能力和可靠性提出了更严格的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，以解决现有的中高轨长寿命业务星数据处理系统依赖进口及提高系统可靠性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，包括CPU单元、两个NorFlash及SDRAM内存组成主控单元，其中：

两个所述NorFlash存储系统启动、引导和初始化程序代码，以及存放vx Works操作系统及应用程序；

所述数据处理系统的CPU单元启动后，某一所述NorFlash中的vx Works操作系统及应用程序转移至SDRAM内存中运行。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，所述主控单元还包括第一总线接口、第二总线接口、看门狗电路及OC控制器，其中：

所述第一总线接口作为MIL-STD-1553B上总线RT接口，负责与星载计算机通信，接收星载计算机的遥控指令，反馈所述工程遥测数据和所述整星关键数据进行备份和恢复；

所述第二总线接口作为MIL-STD-1553B内总线BC接口，负责主控单元和内部单板之间相关状态数据的采集和各内部单板数据的通信；

所述看门狗电路用于提供看门狗信号以使数据处理系统复位；

所述OC控制器用于控制OC驱动芯片以提供脉冲开关指令。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，所述数据处理系统还包括一套内部单板，其中：

所述内部单板用于采集星上各个任务单机、部件单元的工程遥测数据，并将工程遥测数据发送至所述主控单元；

所述主控单元用于接收星载计算机的遥控指令的译码、分发和执行；所述星载计算机为进行整星数据和指令的集中管理；

所述主控单元还用于对整星能源系统和热控系统进行数据采集和管理，以及对整星关键数据进行备份和恢复；

所述数据处理系统的数量为2个，互为双机冷备，两个主控单元分别位于两个不同的单板上，两个数据处理系统其余各单板上分别有两份相同的功能单元形成单板同构冷备。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，两套所述内部单板共包括两个模拟采集板、4个指令板、1个温度板，其中：

所述模拟采集板采集星上各个任务单机、部件单元的工程遥测数据；

所述温度板采集星上各个任务单机、部件单元的温度数据；

所述指令板用于控制加热器开关和提供载荷单机开关指令。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，每个所述主控单元中，作为主程序存储器的第一NorFlash及作为备程序存储器的第二NorFlash分别存放相同的代码，所述数据处理系统启动时，SDRAM内存将第一NorFlash或第二NorFlash中的代码取出运行；

所述数据处理系统冷启动后，运行第一NorFlash中的代码；

若所述看门狗电路复位或接收到软件复位指令后，自动切换至运行第二NorFlash中的代码；

运行第二NorFlash中的代码时，所述看门狗电路复位或接收到软件复位指令后，数据处理系统重新启动，继续运行第二NorFlash的代码；

运行时定时对两个NorFlash中代码依次进行校验，若某份代码的校验值与地面固化校验值一致则能够执行该份代码，若某份NorFlash中代码的校验值与地面固化校验值不一致，能够由地面上注重构与当前运行的NorFlash相异的NorFlash中的代码；

两个NorFlash的代码采用互斥方式进行重构；

通过NorFlash片选信号、看门狗复位信号和上电复位信号对两个NorFlash进行选择。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，由地面上注重构NorFlash中的代码包括：

星载计算机将软件重构数据按照特定格式打包数据帧，数据处理系统按照通信协议识别星载计算机发送的软件重构数据；

接收到软件重构数据后去掉帧头和帧尾，把有效数据进行拼包组成重构有效数据放在缓冲区；

重构有效数据接收完毕后写入NorFlash；

数据帧包括帧序号、上注帧数、起始地址、长度及校验和；

数据处理系统收到软件重构数据后返回重构帧序号，用于判断块内数据上注情况；

重构帧序号表示连续数据帧的序号最大值。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，由地面上注重构NorFlash中的代码还包括：

上注状态包括表示当前没有软件上注的无动作、表示软件上注至缓冲区动作完成前的地面注数中、以及表示当前正在进行软件重构帧写入NorFlash动作的上注写入中；

确定上注数据的上注首地址和上注长度；

地面确认无动作状态后从第一帧开始发送注数包，数据处理系统软件在接收到第一帧数据之后初始化接收缓冲区，设置上注状态为地面注数中，开始新的拼包动作；

地面发送完数据包后，根据重构帧序号遥测量补发缺漏的数据包；

数据处理系统软件在检查接收到所有的数据包之后，将上注状态变为上注写入中，并开始向NorFlash分次写入，此时不允许再次注入数据。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，由地面上注重构NorFlash中的代码还包括：

写入完成后，将上注状态设置为无动作；在无动作的情况下收到非第一帧重构数据会自动丢弃；上注状态为地面注数中时，若重新发送第一帧数据之后，数据处理终端软件清除上次注数，重新开始软件上注；

上注完成后数据处理系统选择启动应用程序；

数据处理系统冷启动时从第一NorFlash中启动程序；

接收软件复位指令之后运行第二NorFlash的应用程序。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，两个所述数据处理系统共包括电源供电板、电源切换板、互为备份的第一主控板和第二主控板、第一指令板、第二指令板、第三指令板、第四指令板、第一模拟采集板、第二模拟采集板、温度板、第一高性能板和第二高性能板，其中：

所述电源供电板为电源切换板、第一主控板、第二主控板、第一高性能板和第二高性能板供电；

所述电源切换板为第一指令板、第二指令板、第三指令板、第四指令板、第一模拟采集板、第二模拟采集板和温度板供电；

所述内部总线包含第一内部串行总线和第二内部串行总线形成冗余备份，均能够与第一主控板或第二主控板通信；所述第一主控板上的主控单元通过母板上的第一或第二内部串行总线与第一指令板、第二指令板、第三指令板、第四指令板、第一模拟采集板、第二模拟采集板和温度板通信；

所述第二主控板上的主控单元通过母板上的第二或第一内部串行总线与第一指令板、第二指令板、第三指令板、第四指令板、第一模拟采集板、第二模拟采集板和温度板通信。

可选的，在所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，第一主控板和第二主控板分别具有两片龙芯1F作为1553B接口芯片，分别通过PCI接口与CPU单元连接，工作于PCI桥片模式；

第一主控板和第二主控板具有外总线1553B的RT功能、内总线1553B协议的BC功能，采用RS485电平1553B协议的单板间总线完成对单板间交叉访问以及电源切换板供电切换指令输出；

两套内部单板与主控板之间通信采用基于RS485电平的MIL-STD-1553B总线协议，通信方式为命令响应型，时分复用多路信号；

第一主控板和第二主控板作为总线控制器，内部单板作为远置终端；

第一主控板和第二主控板与其他单板之间通过1553B内总线通信，各单板之间采用交叉备份，当某一单板出现故障时，能够单独把该单板切换至备份单板。

在本发明提供的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统中，针对中高轨长寿命卫星对数据处理系统高可靠性、自主国产化等需求，提出了一种能够使用国产龙芯芯片替代进口芯片的高可靠性数据处理系统架构。系统采用全新的“龙芯+双NorFlash”架构，完全替代进口方案；系统软件采用在轨可重构设计，可以根据任务需求变化或者故障处理需要实时在线更新系统软件，并且不影响在轨任务；提出基于双冗余总线的子板交叉冷备份设计方案，替代传统单机双机整机冷备份设计，大大提高系统可靠性。数据处理系统经在轨验证，系统运行稳定可靠，可完全满足中高轨卫星在复杂电磁环境下对数据处理系统的可靠性要求。采用国产核心芯片的数据处理系统设计合理可靠，为后续卫星数据处理系统提供经验。

本发明运用一些措施提高可靠性，比如第二点双NorFlash结构，软件重构，交叉备份都可以提高可靠性。

进一步的，通过星载计算机进行整星数据和指令的集中管理，数据处理系统采集星上各个任务单机、部件单元的工程遥测数据，所述数据处理系统接收星载计算机的遥控指令的译码、分发和执行，所述数据处理系统对整星能源系统和热控系统进行数据采集和管理，所述数据处理系统对整星关键数据进行备份和恢复，实现了MEO轨道卫星综合电子系统的“集中管理、分散控制”设计，可满足中高轨长寿命业务星数据处理系统的自主可控的高性能要求。

附图说明

图1是本发明一实施例数据处理系统硬件组成示意图；

图2是本发明一实施例软件存储和运行设计示意图；

图3是本发明一实施例程序存储器选择逻辑示意图；

图4是本发明一实施例程序存储器代码启动流程示意图；

图5是本发明一实施例上注数据加工流程示意图；

图6是本发明一实施例软件重构流程示意图；

图7是本发明一实施例数据处理系统硬件示意图；

图8是本发明一实施例数据处理系统工作原理流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

本发明的核心思想在于提供一种基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，以解决现有的中高轨长寿命业务星数据处理系统依赖进口的问题。

本发明充分考虑了基于自主可控的高性能核心架构的国产化需求，以及MEO中高轨长寿命卫星对系统升级和可靠性的要求，提出了一种基于龙芯的核心架构完全自主可控，在轨系统软件可重构，双冗余内总线子板交叉备份等内容的高可靠性中高轨卫星数据处理系统设计，并通过在轨运行状态对数据处理系统设计进行验证和总结。

为实现上述思想，本发明提供了一种基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，包括：星载计算机，被配置为进行整星数据和指令的集中管理；数据处理系统，被配置为采集星上各个任务单机、部件单元的工程遥测数据；所述数据处理系统，还被配置为接收所述星载计算机的遥控指令的译码、分发和执行；所述数据处理系统，还被配置为对整星能源系统和热控系统进行数据采集和管理；所述数据处理系统，还被配置为对整星关键数据进行备份和恢复。

本发明的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统具有国产化龙芯自主架构，例如某工程项目MEO轨道卫星综合电子系统采用“集中管理、分散控制”设计，星载计算机进行整星管理，数据处理系统采集星上各个任务单机、部件单元的工程遥测(含温度采集)；接收星载计算机的遥控指令的译码、分发和执行；对整星能源系统和热控系统进行数据采集和管理；对整星关键数据进行备份和恢复。是星载计算机功能的重要延伸和整星数据采集和处理的关键系统。

相比于传统卫星数据采集系统或综合电子系统多采用“ERC32+PROM”架构，本发明提出一种基于国产CPU龙芯LS1E和双NorFlash存储器的星上数据处理系统新架构，实现核心芯片国产化，实现系统自主可控，提高可靠性，降低成本。

龙芯1E(简称LS1E)是中科院龙芯中科技术有限公司研发的宇航级芯片，是以龙芯1号处理器为运算中心的高性能应用处理器SOC，提供中断控制器、定时器、RS232串口控制器、浮点处理器、PCI和存储器接口(存储器接口支持SDRAM和Flash ROM)。存储控制器提供增强ECC校验，支持SDRAM、ROM、FLASH等航天系统常用的主流存储器。真正实现了核心芯片自主可控，提高系统安全性。

数据处理系统采用“龙芯IE+双NorFlash”架构。以龙芯LS1E03处理器为核心器件，采用复旦微电子宇航级NorFlash作为程序存储器；针对数据处理系统核心功能软件，采用双片可擦写NorFlash存储器设计，同时设计软件在轨可重构功能。此架构设计解决了NorFlash存储方式的高轨抗辐照问题，实现全软件在轨可重构，使得系统可靠性、可升级能力大幅提高。龙芯1E芯片内有SDRAM控制器，该SDRAM支持EDAC功能，在使能ECC的情况下，如果某个SDRAM存储单位发生一位翻转，龙芯CPU对该地址单元读操作时，可以自动纠正发生翻转的数据，并回写至该地址单元；同时为龙芯CPU配置了看门狗电路，一旦由于单粒子翻转引起程序走飞，可使龙芯CPU复位。数据处理系统硬件示意图如图1所示。

龙芯CPU外围设备是由NorFlash、SDRAM、龙芯LS1F和看门狗电路以及OC控制器等构成，其中，NorFlash存储系统启动、引导和初始化等程序代码，NorFlash也用于存放vxWorks操作系统以及应用程序。系统启动后，将NorFlash中的操作系统和应用程序搬移到SDRAM中运行。

图1中黑色方框内部为数据处理系统主控单元，是整个系统的控制中枢，控制系统内部外围设备并与星载计算机和载荷设备等进行信息交互。系统使用龙芯1F(LS1F04)实现MIL-STD-1553B总线接口。龙芯1F是龙芯1E处理器的配套IO桥芯片，集成了航天领域常用的遥测遥控接口和外围接口，同时可在航天领域的遥测遥控应用中替代FPGA使用，满足航天领域核心芯片自主化的需求。使用龙芯LSIF04替代进口的DDC公司MIL-STD-1553B总线接口芯片61580，实现1553B上总线RT接口和1553B下总线BC接口。数据处理系统的1553B上总线RT接口负责与星载计算机通信，作为MIL-STD-1553B总线的RT挂在平台MIL-STD-1553B总线上，通过该模块接收星载计算机的预定的指令，同时通过该模块反馈遥测量和卫星关键的备份和恢复。1553B接口内总线BC接口负责数据处理系统主控单元和系统内部单板(子板)相关状态数据的采集和各子板数据的通信。

与数据处理系统主控单元交互的系统内部外围包括：2块模拟采集板、4块指令板、1块温度采集板。整个数据处理系统由主控板和指令板、模拟采集板和温度采集板等子板组成，主控单元在主控板上，主控板与各单板之间通过1553B内总线通信。数据处理系统采用双机冷备设计，A、B机各有一块主控板，形成单板备份，其余各单板之间采用板内同构冷备设计，同一单板内分为A、B单元。数据处理系统主控软件运行于主控板的龙芯1E CPU上，主存为SDRAM，主存容量128MB。主控板上两片龙芯1F作为1553B接口芯片，通过PCI接口与CPU连接，工作于PCI桥片模式。

本发明的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统还具有在轨软件可重构设计，一般卫星软件在卫星发射时已经固化，在轨不再更新升级。长寿命业务星需要根据任务变化或者故障处理进行软件更新和系统升级。传统的航天器软件使用PROM芯片进行软件存储。PROM是反熔丝芯片，软件一旦固化不能再进行更改；并且PROM芯片严重依赖进口，已经受到国外出口管制，供货困难并且价格昂贵，严重影响工程进度和成本。基于自主化、系统可升级和提高可靠性需求，本发明提出一种基于双NorFlash的软件存储和在轨可重构方案。

在本发明的一个实施例中，双NorFlash软件存储设计包括：数据处理系统在轨软件可重构设计使用两片互为备份的NorFlash存储系统软件，每份NorFlash存储一份软件，并且软件可以通过地面实现在轨重构。此方案使用国产复旦微电子的抗辐照NorFlash芯片，实现核心芯片的国产自主化；实现软件在轨可升级，提高系统的可靠性，降低成本；同时解决了NorFlash抗辐照问题。软件存储和运行设计示意图如图2所示。

数据处理系统采用双机冷备设计，主备份单机中分别设计两份代码存储器：主份NorFlash和备份NorFlash。系统启动时按照预设逻辑进行。

在两片NorFlash程序存储器中分别存储相同代码，软件运行在SDRAM中，定时对两份NorFlash中代码进行校验。两份NorFlash软件运行策略为：系统冷启动后运行主份NorFlash中软件；若软件看门狗狗咬复位，或者接收到软件复位指令后自动切换到备份运行；备份软件运行时，软件狗咬复位或者接收到复位软件后重新启动软件，但仍然运行备份NorFlash软件。系统软件运行时定时对两份NorFlash中代码进行校验，若校验值与软件在地面固化时的校验值不一致，可以利用当前运行软件由地面上注来重构该份NorFlash中软件。为防止两份NorFlash中的程序全部重构失败而无法正常启动，重构功能设计为：当主份NorFlash程序启动时，只能对备份NorFlash程序进行重构；当备份NorFlash程序启动时，只能对主份NorFlash程序进行重构。片选信号配合看门狗信号和上电信号实现对NorFlash的主备份选择。系统冷启动时，上电复位信号与NorFlash片选信号在电路切换模块进行逻辑运算后选择主份NorFlash；系统在看门狗复位时，看门狗复位信号和NorFlash片选信号在电路切换模块进行逻辑运算后选择备份NorFlash。程序存储器选择逻辑如图3所示。

在本发明的一个实施例中，系统软件重构设计包括：数据处理系统软件分为三部分：boot、操作系统和应用软件。主备份NorFlash中各存储一份代码，增加系统软件可靠性。同时，按照特定的数据格式，数据处理系统可以接收星载计算机的软件重构数据，对NorFlash中软件进行在轨重构。

在本发明的一个实施例中，代码启动设计包括：初始化相关寄存器，硬件自主诊断出可用程序存储单元，判断可用存储器是否是主份，是则计算主份代码校验值，否则计算备份代码校验值，判断(主备份)校验值是否正确，是则启动(主备份)存储器代码，否则返回至硬件自主诊断出可用程序存储单元步骤；然后修改启动标志启动程序，判断复位信号是否输入，是则返回至初始化相关寄存器步骤，否则结束。

系统冷启动或者看门狗复位后，系统根据硬件逻辑决定启动主份或者备份NorFlash中操作系统和应用程序。硬件复位完成后，处理器首先从NorFlash中读取代码，完成初始化后，计算代码校验和，并与预存校验和进行比较，若一致则搬移代码并执行，若校验和不一致则启动失败。系统启动后初始化相关寄存器，由硬件逻辑电路自主决定启动可用的程序存储器。Boot软件通过读取逻辑电路的GPIO信号识别启动的程序存储器。计算代码校验值，与预存校验值进行比较，若不一致则回到判断可用存储器单元；若一致则启动对应的存储器中代码，同时修改启动标志字，用于识别当前工作的存储器并进行遥测下发(0xAA表示主份程序存储器，0x55表示备份程序存储器)。程序运行中若接收到复位信号则重新启动系统。具体流程如图4所示。

在本发明的一个实施例中，软件重构数据格式包括：软件重构数据需按照特定格式打包成数据帧，数据处理系统软件按照通信协议识别星载计算机发送的重构数据。接收到重构数据后去掉帧头和帧尾，把有效数据进行拼包组成重构有效数据放在缓冲区。数据接收完毕后写入NorFlash。数据帧包括以下部分：

帧序号：每块数据内的帧序号从1开始，最大帧序号不超过65535；

上注帧数：表示每块数据内包含的数据帧的数量，故该块数据内每一帧数据的“上注帧数”的值是固定的；

起始地址：表示每块数据上注的起始地址，故该块数据内每一帧数据的“起始地址”是固定的；

长度：表示每一帧数据的长度；

校验和：指整个数据块的校验和。

系统收到该数据后，应立即取走数据，以免被下一次数据覆盖。采取措施，防止写入存储器时间过长，影响正常功能。

系统收到数据后返回“重构帧序号”，用于判断块内数据上注情况；

重构帧序号：表示连续数据帧的序号最大值。比如：上注一块数据时由于漏帧，上注成功的帧序号为①②③④⑤……⑦⑧…………；则此时返回的“重构帧序号”的值为5，表示前面连续的5帧数据已经完成上注；重新补注第6帧，则此时“重构帧序号”的值为8，表示前8帧连续数据已经完成上注；当重构帧序号等于最大帧数的时候表示上注完整。

软件上注需要对重构数据进行分块、组帧等操作，重构数据加工流程如图5所示。

在本发明的一个实施例中，软件重构流程包括：系统软件按照操作系统、boot和应用程序分块存储在NorFlash中不同地址空间，可以分块单独进行上注。因此可以减小修改量，提高软件重构安全性，节省重构时间。可以每个周期上注一部分软件，软件重构过程不影响系统在轨任务。设计的具体上注步骤如下：

一、确定上注数据的首地址和长度。

软件状态量：“上注首地址”、“上注长度”。用于确定软件上注的位置和长度，防止破坏正常的软件运行，避免影响系统正常任务。

二、地面确认无动作状态后从第一帧开始发送注数包，数据处理系统软件在接收到第一帧数据之后初始化接收缓冲区，设置“上注状态”为‘注数中’，开始新的拼包动作。

软件状态量：上注状态，分为3个状态。

1)‘无动作’：表示当前没有软件上注；

2)‘地面注数中’：表示软件上注至缓冲区动作完成前；

3)‘上注写入中’：表示当前正在进行软件重构帧写入NorFlash动作。

三、地面发送完数据包后，根据“重构帧序号”遥测量补发缺漏的数据包。数据处理系统软件在检查接收到所有的数据包之后，将“上注状态”变为‘写入中’，并开始向NorFlash分次写入，此时不允许再次注入数据。

软件状态量：重构帧序号；

四、写入完成后，将“上注状态”设置为‘无动作’。

注：在‘无动作’的情况下收到非第一帧重构数据会自动丢弃。“上注状态“在‘注数中’时，如果重新发送第一帧数据之后，数据处理终端软件清除上次注数，重新开始软件上注。

五、上注完成后系统选择启动应用程序。系统冷启动时从主份NorFlash中启动程序；接收软件复位指令之后运行备份NorFlash的应用程序。

其他软件状态量：“上注存储器标识”，确定当前上注的是哪一块NorFlash。软件重构流程图如图6所示。

本发明的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统还具有基于ASIC芯片串行总线交叉备份架构设计，航天综合电子系统单机基本采用双机冷备份设计，主备份单机在同一机壳内部，共用单机接口。当工作单机发生故障时切换至备份单机工作，提高可靠性。数据处理系统由11块单板组成，系统复杂度高，若采用传统冷备切机方案，每块单板出现故障后必须切换至备份，可靠性低，成本高。本发明设计一种双供电双冗余交叉备份方案，有效提高系统可靠性。数据处理系统硬件组成框图如图7所示。

母板与子板通过插卡形式固定联接，由母板走线实现板间通信。主控板由板间A、B单元形成同构冷备关系，其他单板由板内A、B单元形成同构冷备关系。主控板通过电源切换板对单板内各单元供电进行切换控制。主控板上两片龙芯1F作为1553B接口芯片，通过PCI接口与CPU连接，工作于PCI桥片模式。

主控板上实现外总线1553B的RT功能、内总线1553B协议的BC功能，采用RS485电平1553B协议的板间总线完成对单板间各单元的交叉访问以及电源切换板供电切换指令输出。其工作原理流程如图8所示。

数据处理系统内部板间通信采用基于RS485电平的MIL-STD-1553B总线协议，通信方式为命令/响应型，时分复用多路信号。按照总线协议，主控板作为总线控制器(BC)，其他单板作为远置终端(RT)。1553B总线传输速率为1Mbps，采用双余度冗余总线，具有错误检测、通讯消息自动重试、局部总线故障隔离等多种容错功能。

与数据处理系统主控单元交互的系统内部外围包括：2块模拟板、4块指令板、1块温度板、两块高性能处理板。主控板与各单板之间通过1553B内总线通信，数据处理终端各单板之间采用交叉备份，即主控板A和主控板B可以交叉控制指令板、温度板、模拟板的子板A和子板B。当某一份单板出现故障时，可以单独把该份单板切换至备份，提高系统可靠性。

本发明设计的基于龙芯的中高轨高可靠卫星数据处理系统已应用于某工程型号10颗MEO卫星，用于整星遥测采集、数据处理、关键数据备份、整星热控和能源控制。在轨已累计稳定运行超17万小时，完成10余星/次在轨软件升级重构；单粒子防护有效，满足复杂电磁环境下可靠性要求。各项性能指标满足整星需求，系统运行正常。

本发明针对中高轨长寿命卫星对数据处理系统高可靠性、自主国产化等需求，提出了一种基于国产龙芯芯片的高可靠性数据处理系统架构。系统采用全新的“龙芯+双NorFlash”架构，完全替代进口方案；系统软件采用在轨可重构设计，可以根据任务需求变化或者故障处理需要实时在线更新系统软件，并且不影响在轨任务；提出基于双冗余总线的子板交叉冷备份设计方案，替代传统单机双机整机冷备份设计，大大提高系统可靠性。数据处理系统经在轨验证，系统运行稳定可靠，可完全满足中高轨卫星在复杂电磁环境下对数据处理系统的可靠性要求。采用国产核心芯片的数据处理系统设计合理可靠，为后续卫星数据处理系统提供经验。

综上，上述实施例对基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，其特征在于，包括CPU单元、两个NorFlash及SDRAM内存组成主控单元，其中：

两个所述NorFlash存储系统启动、引导和初始化程序代码，以及存放vx Works操作系统及应用程序；

所述数据处理系统的CPU单元启动后，某一所述NorFlash中的vx Works操作系统及应用程序转移至SDRAM内存中运行；

其中所述主控单元还包括第一总线接口、第二总线接口、看门狗电路及OC控制器，其中：

所述第一总线接口作为MIL-STD-1553B上总线RT接口，负责与星载计算机通信，接收星载计算机的遥控指令，反馈工程遥测数据和整星关键数据进行备份和恢复；

所述第二总线接口作为MIL-STD-1553B内总线BC接口，负责主控单元和内部单板之间相关状态数据的采集和各内部单板数据的通信；

所述看门狗电路用于提供看门狗信号以使数据处理系统复位；

所述OC控制器用于控制OC驱动芯片以提供脉冲开关指令；

其中：

所述内部单板用于采集星上各个任务单机、部件单元的工程遥测数据，并将工程遥测数据发送至所述主控单元；

所述主控单元用于接收星载计算机的遥控指令的译码、分发和执行；所述星载计算机为进行整星数据和指令的集中管理；

所述主控单元还用于对整星能源系统和热控系统进行数据采集和管理，以及对整星关键数据进行备份和恢复；

所述数据处理系统的数量为2个，互为双机冷备，两个主控单元分别位于两个单板上，两个数据处理系统其余各单板上分别有两份相同的功能单元形成单板同构冷备。

2.如权利要求1所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，其特征在于，两套所述内部单板共包括两个模拟采集板、4个指令板、1个温度板，其中：

所述模拟采集板采集星上各个任务单机、部件单元的工程遥测数据；

所述温度板采集星上各个任务单机、部件单元的温度数据；

所述指令板用于控制加热器开关和载荷单机开关指令。

3.如权利要求2所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，其特征在于，每个所述主控单元中，作为主程序存储器的第一NorFlash及作为备程序存储器的第二NorFlash分别存放相同的代码，所述数据处理系统启动时，SDRAM内存将第一NorFlash或第二NorFlash中的代码取出运行；

所述数据处理系统冷启动后，运行第一NorFlash中的代码；

若所述看门狗电路复位或接收到软件复位指令后，自动切换至运行第二NorFlash中的代码；

运行第二NorFlash中的代码时，所述看门狗电路复位或接收到软件复位指令后，数据处理系统重新启动，继续运行第二NorFlash的代码；

运行时定时对两个NorFlash中代码依次进行校验，若某份代码的校验值与地面固化校验值一致则能够执行该份代码，若某份NorFlash中代码的校验值与地面固化校验值不一致，能够由地面上注重构与当前运行的NorFlash相异的NorFlash中的代码；

两个NorFlash的代码采用互斥方式进行重构；

通过NorFlash片选信号、看门狗复位信号和上电复位信号对两个NorFlash进行选择。

4.如权利要求3所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，其特征在于，由地面上注重构NorFlash中的代码包括：

星载计算机将软件重构数据按照特定格式打包数据帧，数据处理系统按照通信协议识别星载计算机发送的软件重构数据；

接收到软件重构数据后去掉帧头和帧尾，把有效数据进行拼包组成重构有效数据放在缓冲区；

重构有效数据接收完毕后写入NorFlash；

数据帧包括帧序号、上注帧数、起始地址、长度及校验和；

数据处理系统收到软件重构数据后返回重构帧序号，用于判断块内数据上注情况；

重构帧序号表示连续数据帧的序号最大值。

5.如权利要求4所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，其特征在于，由地面上注重构NorFlash中的代码还包括：

上注状态包括表示当前没有软件上注的无动作、表示软件上注至缓冲区动作完成前的地面注数中、以及表示当前正在进行软件重构帧写入NorFlash动作的上注写入中；

确定上注数据的上注首地址和上注长度；

地面确认无动作状态后从第一帧开始发送注数包，数据处理系统软件在接收到第一帧数据之后初始化接收缓冲区，设置上注状态为地面注数中，开始新的拼包动作；

地面发送完数据包后，根据重构帧序号遥测量补发缺漏的数据包；

数据处理系统软件在检查接收到所有的数据包之后，将上注状态变为上注写入中，并开始向NorFlash分次写入，此时不允许再次注入数据。

6.如权利要求5所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，其特征在于，由地面上注重构NorFlash中的代码还包括：

写入完成后，将上注状态设置为无动作；在无动作的情况下收到非第一帧重构数据会自动丢弃；上注状态为地面注数中时，若重新发送第一帧数据之后，数据处理终端软件清除上次注数，重新开始软件上注；

上注完成后数据处理系统选择启动应用程序；

数据处理系统冷启动时从第一NorFlash中启动程序；

接收软件复位指令之后运行第二NorFlash的应用程序。

7.如权利要求2所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，其特征在于，两个所述数据处理系统共包括电源供电板、电源切换板、互为备份的第一主控板和第二主控板、第一指令板、第二指令板、第三指令板、第四指令板、第一模拟采集板、第二模拟采集板、温度板、第一高性能板和第二高性能板，其中：

所述电源供电板为电源切换板、第一主控板、第二主控板、第一高性能板和第二高性能板供电；

所述电源切换板为第一指令板、第二指令板、第三指令板、第四指令板、第一模拟采集板、第二模拟采集板和温度板供电；内部总线包含第一内部串行总线和第二内部串行总线形成冗余备份，均能够与第一主控板或第二主控板通信；

所述第一主控板上的主控单元通过母板上的第一或第二内部串行总线与第一指令板、第二指令板、第三指令板、第四指令板、第一模拟采集板、第二模拟采集板和温度板通信；

所述第二主控板上的主控单元通过母板上的第二或第一内部串行总线与第一指令板、第二指令板、第三指令板、第四指令板、第一模拟采集板、第二模拟采集板和温度板通信。

8.如权利要求7所述的基于龙芯的中高轨卫星数据处理系统，其特征在于，第一主控板和第二主控板分别具有两片1553B接口芯片，分别通过PCI接口与CPU单元连接，工作于PCI桥片模式；

第一主控板和第二主控板具有外总线1553B的RT功能、内总线1553B协议的BC功能，采用RS485电平1553B协议的单板间总线完成对单板间交叉访问以及电源切换板供电切换指令输出；

两套内部单板与主控板之间通信采用基于RS485电平的MIL-STD-1553B总线协议，通信方式为命令响应型，时分复用多路信号；

第一主控板和第二主控板作为总线控制器，内部单板作为远置终端；

第一主控板和第二主控板与其他单板之间通过1553B内总线通信，各单板之间采用交叉备份，当某一单板出现故障时，能够单独把该单板切换至备份单板。