星務中心計算機是微小衛(wèi)星電子系統(tǒng)的核心部件之一，本文介紹的星務中心計算機是由雙TSC695F處理器加外圍功能模塊實現(xiàn)的，它的主要作用是診斷整星狀態(tài)、安排整星任務的運行和調(diào)度，使衛(wèi)星能正常的運行。另外，為了減少地面干預次數(shù)和增強衛(wèi)星在軌生存能力，要求衛(wèi)星具有高度的自主性，這也依賴于星務中心計算機的調(diào)度能力。因此，要求星務中心計算機功能強、能應付各種惡劣環(huán)境、并具有很強的自適應性，即能在線檢測現(xiàn)場并自主實施決策處理。宇航計算機芯片是微小衛(wèi)星整星電子系統(tǒng)一體化設計的一個重要的組成部分，由于一旦進入太空，空間計算機系統(tǒng)就具有不可修復性，這就要求系統(tǒng)有很強的容錯能力，即使在故障條件下，還能正常工作。

系統(tǒng)總體方案

星務中心計算機采用模塊級冗余技術來增強系統(tǒng)的可靠性，內(nèi)部主要的電路模塊均采取雙冗余設計，如CPU模塊（雙TSC695F）、CAN總線模塊、USB總線模塊、遙測輸出通道模塊、遙控輸入通道模塊等。當前正在運行的電路模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)通過容錯電路自動切換或由地面控制切換到另一個備份的電路模塊，繼續(xù)當前電路模塊的工作，而發(fā)生故障的電路模塊則由地面根據(jù)其遙測狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷其故障并采取相應的措施。CPU模塊可采用雙TSC695F抗輻照CPU，其工作頻率最高可達50MHz，是一款比較適合航天領域應用的CPU，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

從圖1可以看出，A機和B機有各自的最小系統(tǒng)電路，即有獨立的SRAM和Flash等，不會互相影響。同時，A機和B機共享外圍IO設備，這是通過PLD1和PLD2來實現(xiàn)的。在PLD1和PLD2中，主要實現(xiàn)各功能IO外設總線的切換，因為所有IO外設的數(shù)據(jù)、地址以及控制總線都是由FPGA實現(xiàn)。這樣，通過PLD1或PLD2，就可以把總線1和總線2上的IO外設掛在A機上運行或是掛在B機上運行了，從而實現(xiàn)功能部件的容錯。而系統(tǒng)級的容錯主要是靠系統(tǒng)仲裁模塊來控制的，在這里的系統(tǒng)仲裁模塊是采用高可靠性的宇航級PLD來實現(xiàn)的，該PLD要實現(xiàn)的功能相對簡單，邏輯清楚，主要接收雙機的看門狗信號和心跳信號，同時輸出雙機系統(tǒng)復位以及關雙機電源信號的功能，從而實現(xiàn)雙機系統(tǒng)自主容錯功能。

本設計采用了由歐洲宇航局設計、法國TEMIC公司生產(chǎn)的專門應用于宇航工業(yè)的32位RISC抗輻照處理器芯片TSC695F。其特點包括：速度更高、功耗低于1.5W；抗輻照能力強；內(nèi)置一個片上調(diào)試器(OCD)，用于在軟件開發(fā)和校驗期間的非侵入程序執(zhí)行控制；內(nèi)部集成了內(nèi)部/外部總線奇偶校驗和外部總線EDAC糾錯檢錯以支持容錯功能。

圖2 CAN總線接口電路圖

TSC695F的標準版本能夠提供高達20MIPS的速度，具有抗單粒子干擾能力和超過300krad的總輻照劑量耐受力，能夠滿足我國衛(wèi)星應用需求。

硬件接口設計

TSC695F是整個星務中心計算機控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)所有的電路，以下分別介紹各功能電路模塊的設計。

1 存儲器接口

為了滿足系統(tǒng)復雜的運算和數(shù)據(jù)存儲要求，提供了兩片512K×16位的SRAM，總計2MB，為運行RTEMS實時操作系統(tǒng)提供了豐富的存儲資源。另外采用4MB Flash作為程序存儲區(qū)。以上所有的存儲器電路均帶有EDAC功能，通過TSC695F自身的EDAC功能，對存儲區(qū)的數(shù)據(jù)進行實時的數(shù)據(jù)錯誤檢測和糾錯。

2 CAN總線接口

CAN總線接口電路主要由CAN總線控制器、收發(fā)器和高速隔離光耦組成，CAN總線控制器采用的是SJA1000，是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN總線的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾（RFI），實現(xiàn)熱防護等，訪問CAN總線是通過TSC695F的I/O空間實現(xiàn)，地址邏輯譯碼由FPGA實現(xiàn)。CAN總線接口電路如圖2所示。

3 USB總線接口

USB總線控制器采用ISP1160，該芯片支持USB 2.0協(xié)議，支持全速和低速兩種速度模式，提供兩個USB主下行端口，支持控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸四種傳輸模式，速度最高可達12Mb/s，訪問USB總線的地址空間是通過訪問TSC695F的IO空間實現(xiàn)的，地址的邏輯譯碼由FPGA實現(xiàn)。USB總線接口電路原理圖如圖3所示。

4 RS422總線接口

RS422總線接口電路由串口和RS422電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，串口的功能由FPGA實現(xiàn)，帶16B FIFO，波特率有115 200/38 400/9600多種選擇；RS422總線電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX488MJA，為了提高抗干擾能力，采用了隔離電源，電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊B0509LS-1W實現(xiàn)，雖然增加了節(jié)點的復雜程序，但是卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。RS422總線接口電路原理如圖4所示。

圖3 USB總線接口電路圖

容錯電路設計

系統(tǒng)容錯設計是整個系統(tǒng)設計的關鍵，容錯電路要求簡潔、可靠，容錯措施包括以下幾部分。

1 EDAC容錯

利用TSC695F自身的EDAC功能，可以實現(xiàn)內(nèi)存或總線的EDAC，從而達到對內(nèi)存和總線的一位或兩位錯誤的糾正和檢測。

2 看門狗檢測

系統(tǒng)仲裁檢測電路中對由雙TSC695F組成的主/備用機設置了“看門狗”監(jiān)視器，系統(tǒng)正常工作時，會周期性地進行“喂狗”動作，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，“喂狗”動作停止，產(chǎn)生系統(tǒng)復位，如果系統(tǒng)連續(xù)四次復位均不正常，則系統(tǒng)仲裁檢測電路會進行系統(tǒng)切換操作，切斷故障機電源，打開備用機電源。同時，運行故障檢測定位程序，找出故障原因。

3 心跳信號檢測

當主機在正常的運行過程當中，會周期性地通過GPIO口發(fā)出一系列的方波信號告知系統(tǒng)仲裁模塊當前工作正常，當系統(tǒng)故障時，心跳信號消失，由仲裁模塊進行復位操作，當5次復位均無效后，進行電源的切換，從而實現(xiàn)容錯的目的。

4 雙系統(tǒng)自主容錯

本系統(tǒng)可以分為冷備用動態(tài)雙模冗余模式和熱備用動態(tài)雙模冗余模式。

在冷備用動態(tài)雙模冗余模式下，工作狀態(tài)如下所述：系統(tǒng)默認A機為主機，B機為備份機，同時關閉B機電源，由兩個開關信號GPIO2和GPIO3來控制PLD1和PLD2，PLD1和PLD2的功能主要是實現(xiàn)A/B機總線的開關切換，即選擇A機的IO功能總線還是選擇B機的IO功能總線，同一時刻只有一路總線有效，默認情況下PLD1工作，PLD2處于熱備份狀態(tài)。當PLD1控制下的IO功能模塊出現(xiàn)故障時，產(chǎn)生出錯中斷，切斷PLD1的開關，同時通知CPU切換到PLD2控制下的總線工作，如果PLD2控制下的IO模塊也出現(xiàn)了故障，那么這時由FPGA1產(chǎn)生一個信號通知系統(tǒng)仲裁模塊關閉A機的電源，打開B機的電源，從而實現(xiàn)雙系統(tǒng)間的容錯切換。
在熱備用動態(tài)雙模冗余模式下，工作狀態(tài)如下所述：系統(tǒng)上電后，A機和B機都上電，A機為主模塊，B機為從模塊，A機B機同步工作，但B機不作系統(tǒng)輸出，這樣，當進行數(shù)據(jù)通信時，A機和B機可以對接收的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)比對。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不同，則先由A機進行通道切換，再進行數(shù)據(jù)的通信，再進行數(shù)據(jù)比對。如果發(fā)現(xiàn)A機出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)進行重構(gòu)：先切除原主模塊，再將原備用模塊切換為主模塊，同時通過讀取雙口RAM的數(shù)據(jù)作為最后一次傳輸?shù)慕Y(jié)果，保證數(shù)據(jù)不丟失。

圖4 RS422總線接口電路圖

圖5 容錯流程圖

容錯流程如圖5如示。

軟件開發(fā)平臺

隨著衛(wèi)星技術的不斷發(fā)展，以及實際應用需求的不斷提高，星務計算機所要處理的任務越來越復雜，其運算量也隨之變得越來越大，以往對底層硬件依賴程度較高的“控制流+中斷”的程序結(jié)構(gòu)已不能適應星務計算機的發(fā)展。為了解決這個問題，我們引入了嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)（EOS）——RTEMS，利用珠海歐比特控制工程股份有限公司開發(fā)的基于此操作系統(tǒng)的Orbita EOS嵌入式操作系統(tǒng)及其Orbita EOS 開發(fā)工具，可大大提高軟件編程效率和可靠性，具體可參考Orion4.0用戶手冊。

結(jié)束語

在采用雙TSC695F作為容錯星務計算機的研發(fā)過程中，筆者深深感覺到容錯功能的重要性，容錯功能的優(yōu)良與否直接影響到星務計算機在軌的生存能力，除了硬件上的容錯外，軟件方面的容錯也不容忽視。