基于AT697F的某星載有效載荷監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計　

作者 / 張宏財 宣浩 肖文光 中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所 孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室(安徽 合肥 230088 )

　　張宏財(1977-)，男，碩士，研究方向：綜合電子技術(shù)方面的設(shè)計與開發(fā)。

摘要：設(shè)計了基于AT697F的某衛(wèi)星有效載荷的監(jiān)控系統(tǒng)，詳述了基于AT697F的最小系統(tǒng)設(shè)計及各接口設(shè)計方案，并討論關(guān)鍵元器件的選型及使用注意事項。該設(shè)計實現(xiàn)的有效載荷的監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、功耗低。

0 前言

　　目前，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，社會的發(fā)展和國防建設(shè)對衛(wèi)星的依賴性越來越重。衛(wèi)星系統(tǒng)也越來越廣泛的應(yīng)用于國防安全、衛(wèi)星通信、空間探測、GPRS導(dǎo)航等領(lǐng)域。衛(wèi)星的需求量也越來越多，衛(wèi)星的整體性能要求也越來越高，同時整個衛(wèi)星平臺及各個有效載荷對星載監(jiān)控系統(tǒng)的責(zé)任也越來越重。再加上衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間經(jīng)歷的空間輻射環(huán)境對星載監(jiān)控控制系統(tǒng)元器件的性能都有不同程度的損傷，嚴(yán)重時會引起衛(wèi)星在軌工作異常或故障。同時受整個衛(wèi)星重量、體積的影響，這就要求整個系統(tǒng)設(shè)備具有體積小、功耗低、重量輕等特點。由于惡劣的空間環(huán)境，星載任務(wù)管理控制系統(tǒng)對星載設(shè)備的元器件和材料要求非常高，因此，星載監(jiān)控系統(tǒng)的元器件和材料的可選擇性有限。

　　本論文從實際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，以某型號衛(wèi)星的有效載荷監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)需求作為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計。鑒于衛(wèi)星系統(tǒng)的特點以及運(yùn)行環(huán)境的苛刻條件，需要設(shè)計一種可靠性高、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的載荷監(jiān)控系統(tǒng)。

1 任務(wù)要求

　　有效載荷監(jiān)控系統(tǒng)主要的功能實現(xiàn)上行指令、數(shù)據(jù)的接收、譯碼和集中處理，具備執(zhí)行直接、間接、程控指令的功能，實現(xiàn)遙測、數(shù)傳數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理及按照國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)協(xié)議打包下傳。按各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求，提供和維護(hù)總線通訊;具體的功能要求主要包括：

　　1)實現(xiàn)衛(wèi)星平臺的1553B通訊，接收衛(wèi)星平臺的控制參數(shù)等命令及傳送工作狀態(tài)參數(shù)與衛(wèi)星平臺;

　　2)實現(xiàn)和衛(wèi)星載荷控制器的RS422通訊，接收衛(wèi)星平臺的秒脈沖對時信號，并傳送科學(xué)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星平臺;

　　3)實現(xiàn)對有效載荷二次電源、前段接收等設(shè)備的遙控;

　　4)接收有效載荷各部分的遙測信號，并按指定格式傳送至衛(wèi)星平臺。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　由于本監(jiān)控系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)解析、參數(shù)計算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，本監(jiān)控系統(tǒng)電路系統(tǒng)框圖如圖1所示，由MCU控制器、FPGA、SRAM存儲器、FLASH存儲器、1553B接口控制器、與非門復(fù)位及相應(yīng)的驅(qū)動電路等組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

3.1 MCU選擇及最小系統(tǒng)設(shè)計

　　MCU是整個有效載荷監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其性能影響到整個系統(tǒng)的處理能力和可以實現(xiàn)的功能。由于本系統(tǒng)應(yīng)用在空間環(huán)境中，要求具有高可靠性、抗輻照性能。本系統(tǒng)采用ATMEL公司的宇航級芯片AT697F作為系統(tǒng)的主處理器，AT697F是一款32位的微控制器，具有豐富的外設(shè)接口，具有支持FLASH、SRAM、SDRAM和I/O映射空間訪問的存儲器控制器，具有兩個32位的定時器，一個看門狗，三個串行通信接口，以及8個外部可編程輸入端口的中斷控制器，16個通用I/O接口，符合 PCI2.3規(guī)范的33 MHz PCI接口，最高工作頻率為100 MHz。只要加上存儲器和與應(yīng)用相關(guān)的外圍電路(電源和時鐘源)，就可以構(gòu)成完整的單板計算機(jī)系統(tǒng)。本監(jiān)控系統(tǒng)基于AT697F的最小系統(tǒng)包括AT697F單元、上電復(fù)位及看門狗復(fù)位電路單元、存儲器單元及調(diào)試電路單元。

3.1.1 MCU系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)設(shè)計

　　由于AT697F內(nèi)部沒有存儲空間，設(shè)計時需要外擴(kuò)存儲器來實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲。設(shè)計中存儲器模塊共包含3種類型：2 MB的程序存儲器FLASH、2 MB數(shù)據(jù)存儲器SRAM和用于EDAC校驗的512 KB的SRAM。FLASH用來存放系統(tǒng)應(yīng)用程序，在航天器材目錄中，選用型號為ACT-F512K32N-060P3Q的FLASH存儲器，數(shù)據(jù)線寬為32 bit，容量為2 MB，滿足監(jiān)控系統(tǒng)的程序存儲容量要求;SRAM主要用來暫存數(shù)據(jù)變量，作為在線仿真調(diào)試的系統(tǒng)運(yùn)行空間，在航天器材目錄中，選用ATMEL公司型號為AT68166H的SRAM存儲器，其數(shù)據(jù)線寬為32 bit，容量為2 MB，其抗總劑量能力優(yōu)于100 Krad(Si)，抗單粒子閂鎖(SEL)優(yōu)于80 MeV/cm2/mg;EDAC存儲器為防止數(shù)據(jù)SRAM在空間中發(fā)生單粒翻轉(zhuǎn)，進(jìn)行檢二糾一校驗，AT697F已經(jīng)將EDAC算法集成在芯片中，在功能配置時，使能SRAM EDAC即可，選用ATMEL公司(現(xiàn)被Microchip公司收購)型號為AT60142FT的SRAM存儲器，其數(shù)據(jù)線寬為8 bit，容量為512 KB，其抗總劑量能力優(yōu)于100Krad(Si)，抗單粒子閂鎖(SEL)優(yōu)于70 MeV/cm2/mg。各存儲器通過地址數(shù)據(jù)總線掛載在AT697F相應(yīng)的地址空間，F(xiàn)LASH地址空間為：0x00000000~0x0FFFFFFF，SRAM地址空間為：0x40000000~0x401FFFFF，通過AT697F片選信號控制。連接圖如圖2所示。

3.1.2 MCU系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計

　　MCU系統(tǒng)復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保證，它的作用通過在單片機(jī)復(fù)位引腳上產(chǎn)生一定時間的復(fù)位脈寬信號，強(qiáng)制單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位，使單片機(jī)程序重新從FLASH中的0000H位置開始取指執(zhí)行。

　　MCU系統(tǒng)電路中，系統(tǒng)復(fù)位主要在兩種情況下發(fā)生：一是在系統(tǒng)加電時，此時，系統(tǒng)需要足夠時間的復(fù)位脈寬信號，使單片機(jī)能夠從FLASH中的第一條指令開始正常執(zhí)行;二是在系統(tǒng)發(fā)生異常的情況下，造成這種情況，可能是因為外太空復(fù)雜的環(huán)境因素，導(dǎo)致單片機(jī)內(nèi)程序計數(shù)器(PC)或其它寄存器的數(shù)據(jù)異常，致使系統(tǒng)無法繼續(xù)正常運(yùn)行。

　　針對上述兩種情況，MCU電路中設(shè)計了由上電復(fù)位電路與看門狗電路共同組成的系統(tǒng)復(fù)位電路。具體電路圖如圖3所示。

　　如圖3所示，上電復(fù)位電路采用電阻與電容構(gòu)成的RC電路，利用系統(tǒng)上電過程中對電容的充電，產(chǎn)生復(fù)位電壓信號，上電復(fù)位延遲時間由電阻阻值與電容容值決定。傳輸與控制模塊上電由10 kΩ電阻與15 μF電容組成，延時RC=75 ms。

　　根據(jù)國軍標(biāo)299C，鉭電容的短路失效模式占76%，開路失效模式占13%，參數(shù)漂移占11%。如果鉭電容為短路失效模式時，采用串接兩個電容的措施，僅使復(fù)位延時時間加長，對性能無影響。如果鉭電容為短路失效模式時，MCU不能上電復(fù)位，可通過看門狗電路進(jìn)行復(fù)位。如果鉭電容為參數(shù)漂移失效模式時，上電復(fù)位的時間有所變化，對MCU的正常工作不產(chǎn)生影響。

　　異常情況下，單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位由看門狗電路實現(xiàn)，系統(tǒng)復(fù)位后，看門狗處于不使能狀態(tài)，通過設(shè)置控制寄存器中的 Watchdog使能位使能看門狗，在每次下溢時都能產(chǎn)生一個外部信號WDOG，這個信號可以用來產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。在計數(shù)器到0之前，如果看門狗計數(shù)器更新值被寫入到WDOG寄存器，則計數(shù)器重新置計數(shù)值。

3.2 1553B接口設(shè)計

　　為保證有效載荷和衛(wèi)星平臺間數(shù)據(jù)能夠正確無誤的傳輸，并且要有較高的穩(wěn)定性和可靠性。本有效載荷通過1553B總線與衛(wèi)星平臺系統(tǒng)通信，其通信原理如圖所示，接口電路采用航天九院772所的抗輻射1533B接口芯片B65170S6RH，其集成一個半雙工編碼/解碼器，完整的總線控制協(xié)議，存儲器管理電路和中斷邏輯電路，處理器接口邏輯，提供4 K×16的片內(nèi)靜態(tài)共享SRAM與處理器總線之間的緩沖接口，為微處理器和1553B總線之間提供了完整、靈活的接口電路。通過1553B總線有效載荷能夠接入星上系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)，作為星上總線中的雷達(dá)終端(RT)，通過1553B總線實現(xiàn)分布式實時通信。

　　本設(shè)計中，由于AT697F的較多的IO口被復(fù)用，數(shù)量受限，故1533B接口芯片B65170S6RH，通過FPGA掛載在AT697F的IO地址空間上，地址空間為：0x20000000~0x3FFFFFFF，F(xiàn)PGA根據(jù)AT697F的讀寫指令，完成AT697F與B65170S6RH之間的接口邏輯轉(zhuǎn)換，其原理如圖4所示。

　　由于FPGA芯片接口電平為2～3.75 V，設(shè)計中采用3.3 V;B65170S6RH接口電平為2～5 V，設(shè)計中采用5 V。FPGA發(fā)出的電平信號符合B65170S6RH的信號分辨范圍，能夠被B65170S6RH正確識別，反過來，B65170S6RH發(fā)出的電平信號卻不符合FPGA的信號分辨范圍，因此需通過B54ACS164245SRHF芯片對FPGA芯片和1553B協(xié)議芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。1553B接口電路原理圖如圖5所示。

3.3 RS422接口的設(shè)計

　　有效載荷與衛(wèi)星平臺通過LVDS實現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸。接口電路采用DS26LV31W-QML。為保證RS422的可靠發(fā)送傳輸，接口做成熱備份形式。具體設(shè)計原理如圖6所示。

　　有效載荷與衛(wèi)星平臺通信通過RS422實現(xiàn)秒脈沖對時的傳輸。接口電路采用DS26LV32W-QML。同樣為保證RS422的可靠接收傳輸，接口做成熱備份形式。具體設(shè)計原理如圖7所示。

4 軟件設(shè)計

　　有效載荷監(jiān)控軟件屬于嵌入式軟件，硬件和軟件的聯(lián)系非常緊密，研發(fā)的整個過程都需要軟硬件并行交互進(jìn)行。有效載荷監(jiān)控軟件運(yùn)行在有效載荷控制器AT697F上，軟件的實現(xiàn)與系統(tǒng)的處理器的硬件結(jié)構(gòu)、I/O接口、連接的外部設(shè)備等都有關(guān)系。有效載荷監(jiān)控軟件的功能主要有:系統(tǒng)上電自檢及初始化，1553B總線通訊及數(shù)據(jù)注入管理，解析并產(chǎn)生間接指令，采集遙測數(shù)據(jù)等。本設(shè)計根據(jù)有效載荷監(jiān)控分系統(tǒng)的功能要求，采用模塊化的思想實現(xiàn)了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，軟件的流程圖如圖8所示。

5 結(jié)論

　　以AT697F為核心的某星載有效載荷的監(jiān)控系統(tǒng)，通過對有效載荷電子設(shè)備硬件進(jìn)行集成，提高硬件復(fù)用程度，優(yōu)化電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理劃分軟硬件功能，降低重量、體積和功耗的同時也提高了系統(tǒng)的可靠性，有效解決了空間探測任務(wù)所面臨的困難。該技術(shù)提高有效載荷自身性能和可靠性的同時可顯著提高載荷平臺比，延長有效載荷的使用壽命。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第64頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。