CN117331777A - 一种可自主修复的星载dsp在轨维护方法 - Google Patents

一种可自主修复的星载dsp在轨维护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，采用在轨维护系统实现，用于对DSP芯片进行维护管理；所述在轨维护方法包含以下步骤：S1、在轨维护系统上电；S2、进行三模冗余比对纠错及CRC校验字校验，判断校验是否通过；S3、DSP芯片映射至目标片区地址并进行DSP程序数据加载；S4、判断DSP芯片的监控功能是否正常；S5、遥测下传校验未通过的DSP程序数据的片区地址，并执行卫星平台指令进行DSP程序数据修复。本发明架构简单，实现难度不高，能够在保持低成本的同时有效延长卫星等空间飞行器在轨寿命。

Description

一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法
技术领域
本发明涉及空间飞行器在轨维护领域，具体涉及一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法。
背景技术
解决空间辐照造成的异常翻转、程序跑飞，避免器件永久性损伤，有效提升空间环境产品可靠性是宇航领域传统难题，特别是对更易受损的DSP器件。与此同时，随着应用需求和技术能力的双重提升，针对空间飞行器成本高、周期长的研制特点，在轨产品可拓展和可修复的要求也日益提高，因此兼具高自主纠错修复和高灵活度应用拓展的软件功能对星载产品研制需求越发重要和迫切。
传统的在轨维护通常通过在轨编程或三模冗余的方式实现，但由于空间飞行器过境时间及传输方式的限制，导致在轨编程任务往往实施困难，三模冗余的纠错能力也较为有限，无法确保数据的正确性；另外，因空间环境应用的特殊性，对在轨维护系统的硬件器件选型也提出了很高要求。针对现有问题，本文提出一种简约可靠的硬件设计方案，结合软件功能设计实现具备自主应对单粒子翻转、存储区块损坏及软件程序错误等多种异常可修复能力的在轨维护方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，可以为DSP等嵌入式软件因空间环境造成的异常翻转、程序跑飞等问题提供有效的解决手段，同时对宇航领域星载DSP软件在轨期间任务需求变更以及软件设计隐患修正提供了一种高效的设计思路。
为实现上述目的，本发明提供一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，采用在轨维护系统实现，用于对DSP芯片进行维护管理；该在轨维护系统包含：与DSP芯片连接的SRAM型FPGA芯片，以及与该SRAM型FPGA芯片连接的MRAM芯片，所述在轨维护方法包含以下步骤：
S1、在轨维护系统上电；
S2、SRAM型FPGA芯片从MRAM芯片中选择目标片区地址的DSP程序数据进行三模冗余比对纠错及CRC校验字校验，判断校验是否通过；是，转S3；否，转S5；
S3、DSP芯片映射至目标片区地址并进行DSP程序数据加载；
S4、判断DSP芯片的监控功能是否正常；是，继续正常运行；否，转S2重新校验；
S5、SRAM型FPGA芯片遥测下传校验未通过的DSP程序数据的片区地址，并执行卫星平台指令进行DSP程序数据修复。
进一步的，所述在轨维护系统还包含：与SRAM型FPGA芯片连接的刷新芯片，以及与刷新芯片连接的PROM芯片。
进一步的，所述S1中，在轨维护系统上电后，刷新芯片从PROM芯片中读取FPGA程序数据并加载至SRAM型FPGA芯片，并在在轨维护系统正常运行后对FPGA程序进行定时刷新。
进一步的，所述MRAM芯片包含至少三个片区，每个片区存储一组完整的DSP程序；每组完整的DSP程序包含多组DSP程序数据和多个添加在每组DSP程序数据后的CRC校验字。
进一步的，所述S2中，具体包含以下步骤：
S21、FPGA程序逐字节读取MRAM芯片中不同片区的目标地址内存储的三组目标DSP程序数据；
S22、FPGA程序将读取出的三组目标DSP程序数据逐字节的进行三模冗余比对纠错；
当三组目标DSP程序数据均相同时，通过三模冗余比对纠错，继续S23；
当两组目标DSP程序数据相同时，认为其为正确数据，不同的目标DSP程序数据为错误数据，将正确数据回写至错误数据在MRAM芯片中的存储地址，并通过三模冗余比对纠错，继续S23；
当三组目标DSP程序数据均不相同时，未通过三模冗余比对纠错，继续S5；
S23、FPGA程序对三个片区中任一片区的目标DSP程序数据的CRC校验字进行CRC校验；通过则继续S3，未通过则继续S5。
进一步的，所述的S3中，当S2校验通过时，将DSP芯片发送的DSP程序数据的读地址与MRAM芯片的片选信号映射至目标片区地址，然后对DSP芯片执行复位操作，使目标DSP程序自动完成加载。
进一步的，所述S4中，DSP芯片的DSP程序正常运行后，向SRAM型FPGA芯片周期性发送脉冲信号，当在限定时间内未收到脉冲信号时，SRAM型FPGA芯片判定DSP程序处于异常状态，再次执行S2～S3操作，完成DSP程序的再次加载。
进一步的，所述S5中，当S2校验未通过时，具体包含以下步骤：
S6、FPGA程序执行区块修复指令；
S7、FPGA程序执行程序版本切换指令，切换至MRAM芯片的其他目标片区地址，并返回执行S2操作，重新完成DSP程序的加载；
S8、FPGA程序执行全局在轨编程指令。
进一步的，所述S6中，当FPGA程序收到区块修复指令时，由地面将错误数据所在数据帧进行单独上注并标识出帧序号信息，由SRAM型FPGA芯片计算出写入的起始地址开始执行校验与写入操作，从而通过部分上注的形式进行快速可靠的MRAM芯片的区块修复。
进一步的，所述S8中，具体包含以下步骤：
S81、接收在轨编程数据并校验；
S82、向地面返回校验后的bitmap表，并判断bitmap表是否通过；是，转S83；否，转S84；
S83、bitmap表通过；
S84、bitmap表未全部通过。
进一步的，所述的S81中，bitmap表校验准则为：根据数据帧结构，在数据通过帧头判断后，对标识符至程序文件内容进行校验和累加；计算出的校验和与接收到的校验和进行比对、本地计数的帧序号与接收到的帧序号进行比对，均通过后将bitmap表对应bit置1，否则置0。
进一步的，所述S83中，当bitmap表通过时，FPGA程序等待在轨编程确认指令，当收到在轨编程确认指令后，向MRAM芯片的三个片区的目标地址段写入本次在轨编程数据，完成本次在轨编程操作，返回成功遥测；
进一步的，所述S84中，当bitmap表未全部通过时，FPGA程序等待重新上注出错的帧，再次执行S81，对重新上注的帧进行接收校验直至数据完全正确，进而执行S82～S83完成在轨编程操作。
综上所述，本发明所提供的可自主修复的星载DSP在轨维护方法，采用在轨维护系统实现，架构简单，实现难度不高，能够在保持低成本的同时有效延长卫星等空间飞行器在轨寿命；同时可以为DSP等嵌入式软件因空间环境造成的异常翻转、程序跑飞等问题提供有效的解决手段。
附图说明
图1为本发明一种可自主修复的星载DSP在轨维护系统的整体结构示意图；
图2为本发明一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法的MRAM存储结构图；
图3为本发明一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法的在轨编程数据帧结构；
图4为本发明一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法的bitmap表结构；
图5为本发明一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法的流程图；
图6为本发明一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法的在轨编程流程图。
具体实施方式
以下结合附图1至附图6，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种可自主修复的星载DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)在轨维护系统，用于实现对DSP芯片5的DSP程序的维护管理。该在轨维护系统包含：单片SRAM(Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器)型FPGA(FieldProgrammable GateArray，现场可编程门阵列)芯片1，与所述DSP芯片5相连；单片刷新芯片2，与所述SRAM型FPGA芯片1相连，负责实现FPGA程序的定时刷新；单片PROM(ProgrammableRed-Only Memory，可编程只读存储器)芯片3，与所述刷新芯片2相连，负责实现FPGA程序的加载；单片MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁阻式随机存取存储)芯片4，与所述SRAM型FPGA芯片1相连，负责实现DSP程序的数据存储。
其中，所述SRAM型FPGA芯片1是整个在轨维护系统的核心处理器件。
其中，所述刷新芯片2的控制线、时钟线、数据线分别与所述PROM芯片3上的对应端口相连；当FPGA程序加载时，刷新芯片2通过控制线与时钟线向PROM芯片3提供读使能信号及时钟信号并从数据线中读出FPGA程序的程序数据。进一步的，所述刷新芯片2的加载配置信号线与所述SRAM型FPGA芯片1相连，负责在完成上电后对该在轨维护系统进行加载以及运行过程中的定时刷新，削减单粒子累积效应。
其中，所述PROM芯片3具备良好的抗单粒子特性，用于存储FPGA程序的程序数据；进一步的，所述PROM芯片3具有良好的抗辐照特性，在电路设计时选用PROM芯片3作为FPGA程序的存储芯片，可以确保整个在轨维护系统的可靠性。
其中，所述DSP芯片5是本发明中在轨维护系统的被维护器件，通过EMIF接口(External Memory Interface，外部存储器接口)及GPIO(General-Purpose Input/Output，通用输入/输出)引脚与所述SRAM型FPGA芯片1相连；EMIF接口用于实现上电后程序加载，GPIO引脚用于实现芯片监控功能。
其中，所述MRAM芯片4负责DSP程序的数据存储，其数据线、地址线、片选信号及读写信号线均与所述SRAM型FPGA芯片1相连；所述MRAM芯片4是掉电非易失磁电阻器件，其读写速度快、可按片区及地址读写，对单粒子不敏感所以具备极高的系统效率及可靠性。
进一步的，所述MRAM芯片4利用电子自旋的磁性结构存储信息，拥有非易失能力以及高速读取写入能力。如图2所示，所述MRAM芯片4内部的四个存储片区具备独立的控制信号、共用的地址线及数据线，因此根据各个片区可以单独使能的特性，将MRAM存储芯片分别定义为CE0、CE1、CE2、CE3四个存储区域，每个存储区域容量为2M×8bit、总容量8M×8bit。在本发明中，将其中CE3作为备用区域，而将CE0、CE1、CE2作为程序三模存储片区，CE0作为DSP程序的主份片区，CE1和CE2作为备份片区，每个片区中存储一组完整的DSP程序。另外因本发明中的在轨维护系统除三模冗余校验之外还加入了校验字比对这一可靠性加固设计，所以在DSP程序数据后额外添加4字节的CRC校验字，DSP芯片bootloader(引导装载)识别的数据长度不做修改，因此不会影响DSP软件加载。以CE0存储区域为例，每个CE0存储区域包含：N组DSP程序数据和N个添加在每组DSP程序数据后的4Byte用于CRC校验的校验字。
进一步的，本发明所设计的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其在轨编程操作支持分包续传及部分上注，因此需要在在轨编程数据包中明确当前帧序号，具体数据帧结构如图3所示，包含依次相连的帧头、标识符、帧序号、帧长度、有效数据长度、软件文件内容和标识符-软件文件内容加和。其中，所述帧头和所述标识符为识别帧数据的关键字节；所述帧序号用于计算当前帧中的有效数据在MRAM芯片4中的起始地址；所述帧长度表示从帧头到累加和的总长度；所述有效字节数据长度表征本帧中有效数据的长度；所述软件文件内容即本帧内的有效数据，为DSP程序数据内容；所述标识符-软件文件内容累加和为标识符至软件文件内容的累加和。需要说明的是，图3中仅为必要信息。
进一步的，本发明所设计的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其在轨编程操作支持分包续传及部分上注，因此需要通过bitmap表的形式向地面遥测下传每帧的校验信息。其中，校验准则定义为：每帧的校验和及帧序号比对通过置1、否则置0，再将校验结果更新至bitmap表中，每帧代表表中1bit，由高位向低位更新。具体的bitmap表结构如图4所示，图中第一行表示bitmap返回帧的第一个字节，即前8帧的校验结果，依次从Bit7校验至Bit0，校验每一帧全部数据，待校验完成后逐字节向地面遥测下传。
进一步的，所述一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法的运行维护流程图如图5所示，该流程的实施步骤包含：
S1、在轨维护系统上电。
在轨维护系统上电后，由所述刷新芯片2从PROM芯片3中读取FPGA程序数据并加载至SRAM型FPGA芯片1，并在在轨维护系统正常运行后对FPGA程序进行定时刷新。
S2、SRAM型FPGA芯片从MRAM芯片中选择目标片区地址的DSP程序数据进行三模冗余比对纠错及CRC校验字校验，判断校验是否通过；是，转S3；否，转S5。具体实施步骤包括：
S21、逐字节读取MRAM芯片4中不同片区的目标地址内存储的目标DSP程序数据，本实施例中，分别读取A_1、A_2、A_3组的DSP程序数据，将读取出的三组字节数据分别记为data_tmr1、data_tmr2、data_tmr3；
S22、将读取出的三组字节数据按字节进行比对，当三组字节数据均相同时则认为通过三模冗余校验，继续S23；当有两组字节数据相同时则认为相同的两组字节数据为正确数据，不同的字节数据为错误数据，将正确的字节数据回写至错误字节数据在MRAM芯片4中的存储地址，继续S23；当三组字节数据均不相同时，则未通过三模冗余比对纠错，继续S5；
S23、当目标DSP程序数据的三模冗余比对纠错完成后，每个片区存储的目标DSP程序数据内容均完全相同，因此选择其中任一片区的目标DSP程序数据对其CRC校验字进行CRC校验，实现程序数据的多重校验；通过则继续S3，未通过则继续S5。
S3、DSP芯片5映射至目标片区地址并进行DSP程序数据加载。
当S2中的目标DSP程序数据的三模冗余比对纠错完成且CRC校验字校验通过时，将所述DSP芯片5的EMIF接口发送的DSP程序数据的读地址与所述MRAM芯片4的片选信号映射至目标片区地址，然后对DSP芯片5执行复位操作，等待bootloader引导目标DSP程序自动完成加载。
S4、判断DSP芯片5的监控功能是否正常；是，继续正常运行；否，转S2重新校验。
DSP芯片5的DSP程序正常运行后，会通过GPIO引脚向SRAM型FPGA芯片1周期性发送脉冲信号，当在限定时间内未收到脉冲信号时，SRAM型FPGA芯片1判定DSP程序处于异常状态，再次执行S2～S3操作，完成DSP程序的再次加载。在DSP程序正常运行后，所述SRAM型FPGA芯片1于MRAM芯片4闲时对其内部片区存储的剩余DSP程序数据进行三模冗余比对纠错及CRC校验字校验，完成后遥测校验结果。
S5、SRAM型FPGA芯片1遥测下传校验未通过的DSP程序数据的片区地址，并执行卫星平台指令进行DSP程序数据修复。
当S2中SRAM型FPGA芯片1的FPGA程序数据发生单组错误时，根据三模冗余比对纠错的结果进行错误数据纠错回写，对DSP程序数据的存储区进行自修复，随后对三模冗余比对纠错后的DSP程序数据进行CRC校验字判别，未通过的程序数据不予采信。
当目标片区的三组DSP程序数据校验均无法通过时(例如三组字节数据均不相同)进行错误信息上报，将校验错误的DSP程序数据的地址进行遥测下传，由卫星平台选择进行错误区块上注修复、程序版本切换或全局在轨编程操作。
S6、执行区块修复指令。
当FPGA程序收到区块修复指令时，由地面将错误数据所在数据帧进行单独上注并标识出帧序号信息，由SRAM型FPGA芯片1计算出写入的起始地址开始执行校验与写入操作，从而通过部分上注的形式进行快速可靠的MRAM芯片4的区块修复。
S7、执行程序版本切换指令。
当FPGA程序收到程序版本切换指令时，切换至MRAM芯片4的其他目标片区地址，并返回执行S2操作，重新完成DSP软件的加载。
S8、执行全局在轨编程指令。
当FPGA程序收到全局在轨编程指令时，需要执行全局在轨编程操作，该操作流程图如图6所示，具体实施步骤包含：
S81、接收在轨编程数据并校验。
通过外部接口接收在轨编程数据并校验。根据数据帧结构，在数据通过帧头判断后，对标识符至程序文件内容进行校验和累加。计算出的校验和与接收到的校验和进行比对、本地计数的帧序号与接收到的帧序号进行比对，均通过后将bitmap表对应bit置1，否则置0；
S82、向地面返回校验后的bitmap表，并判断bitmap表是否通过；是，转S83；否，转S84。
S83、bitmap表通过。
当bitmap表通过时，FPGA程序等待在轨编程确认指令，当收到在轨编程确认指令后，向MRAM芯片4的CE0、CE1及CE2片区目标地址段写入本次在轨编程数据，完成本次在轨编程操作，返回成功遥测。
S84、bitmap表未全部通过。
当bitmap表未全部通过时，FPGA程序等待重新上注出错的第M帧、第N帧，再次执行S81，对重新上注的第M帧、第N帧进行接收校验直至数据完全正确，进而执行S82～S83完成在轨编程操作。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，采用在轨维护系统实现，用于对DSP芯片进行维护管理；该在轨维护系统包含：与DSP芯片连接的SRAM型FPGA芯片，以及与该SRAM型FPGA芯片连接的MRAM芯片，其特征在于，所述在轨维护方法包含以下步骤：
S1、在轨维护系统上电；
S2、SRAM型FPGA芯片从MRAM芯片中选择目标片区地址的DSP程序数据进行三模冗余比对纠错及CRC校验字校验，判断校验是否通过；是，转S3；否，转S5；
S3、DSP芯片映射至目标片区地址并进行DSP程序数据加载；
S4、判断DSP芯片的监控功能是否正常；是，继续正常运行；否，转S2重新校验；
S5、SRAM型FPGA芯片遥测下传校验未通过的DSP程序数据的片区地址，并执行卫星平台指令进行DSP程序数据修复。
2.如权利要求1所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述在轨维护系统还包含：与SRAM型FPGA芯片连接的刷新芯片，以及与刷新芯片连接的PROM芯片；
所述的S1中，在轨维护系统上电后，刷新芯片从PROM芯片中读取FPGA程序数据并加载至SRAM型FPGA芯片，并在在轨维护系统正常运行后对FPGA程序进行定时刷新。
3.如权利要求1所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述MRAM芯片包含至少三个片区，每个片区存储一组完整的DSP程序；每组完整的DSP程序包含多组DSP程序数据和多个添加在每组DSP程序数据后的CRC校验字；
所述的S2中，具体包含以下步骤：
S21、FPGA程序逐字节读取MRAM芯片中不同片区的目标地址内存储的三组目标DSP程序数据；
S22、FPGA程序将读取出的三组目标DSP程序数据逐字节的进行三模冗余比对纠错；
当三组目标DSP程序数据均相同时，通过三模冗余比对纠错，继续S23；
当两组目标DSP程序数据相同时，认为其为正确数据，不同的目标DSP程序数据为错误数据，将正确数据回写至错误数据在MRAM芯片中的存储地址，并通过三模冗余比对纠错，继续S23；
当三组目标DSP程序数据均不相同时，未通过三模冗余比对纠错，继续S5；
S23、FPGA程序对三个片区中任一片区的目标DSP程序数据的CRC校验字进行CRC校验；通过则继续S3，未通过则继续S5。
4.如权利要求3所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述的S3中，当S2校验通过时，将DSP芯片发送的DSP程序数据的读地址与MRAM芯片的片选信号映射至目标片区地址，然后对DSP芯片执行复位操作，使目标DSP程序自动完成加载。
5.如权利要求1所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述的S4中，DSP芯片的DSP程序正常运行后，向SRAM型FPGA芯片周期性发送脉冲信号，当在限定时间内未收到脉冲信号时，SRAM型FPGA芯片判定DSP程序处于异常状态，再次执行S2～S3操作，完成DSP程序的再次加载。
6.如权利要求3所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述的S5中，当S2校验未通过时，具体包含以下步骤：
S6、FPGA程序执行区块修复指令；
S7、FPGA程序执行程序版本切换指令，切换至MRAM芯片的其他目标片区地址，并返回执行S2操作，重新完成DSP程序的加载；
S8、FPGA程序执行全局在轨编程指令。
7.如权利要求6所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述的S6中，当FPGA程序收到区块修复指令时，由地面将错误数据所在数据帧进行单独上注并标识出帧序号信息，由SRAM型FPGA芯片计算出写入的起始地址开始执行校验与写入操作，从而通过部分上注的形式进行快速可靠的MRAM芯片的区块修复。
8.如权利要求6所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述的S8中，具体包含以下步骤：
S81、接收在轨编程数据并校验；
S82、向地面返回校验后的bitmap表，并判断bitmap表是否通过；是，转S83；否，转S84；
S83、bitmap表通过；
S84、bitmap表未全部通过。
9.如权利要求8所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述的S81中，bitmap表校验准则为：根据数据帧结构，在数据通过帧头判断后，对标识符至程序文件内容进行校验和累加；计算出的校验和与接收到的校验和进行比对、本地计数的帧序号与接收到的帧序号进行比对，均通过后将bitmap表对应bit置1，否则置0。
10.如权利要求8所述的一种可自主修复的星载DSP在轨维护方法，其特征在于，所述的S83中，当bitmap表通过时，FPGA程序等待在轨编程确认指令，当收到在轨编程确认指令后，向MRAM芯片的三个片区的目标地址段写入本次在轨编程数据，完成本次在轨编程操作，返回成功遥测；所述的S84中，当bitmap表未全部通过时，FPGA程序等待重新上注出错的帧，再次执行S81，对重新上注的帧进行接收校验直至数据完全正确，进而执行S82～S83完成在轨编程操作。
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