姜笛+張科

摘要： OBC板是開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)性小衛(wèi)星“立方星”的核心組件，其設(shè)計(jì)優(yōu)劣對(duì)于立方星性能具有較大影響，一般的計(jì)算機(jī)應(yīng)用于星載系統(tǒng)無法滿足立方星運(yùn)行時(shí)重量輕，成本低的要求。為解決這一問題，提出了基于MSP430單片機(jī)的立方星OBC板設(shè)計(jì)方案。方案選取了單片機(jī)進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)，具有高度集成化一體化，重量輕，成本低及效率高的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 立方星； OBC板； MP430單片機(jī)； 低功耗

中圖分類號(hào)： TN710?34； V19文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）08?0058?03

Design of cubesat OBC based on MSP430 microprocessor

JIANG Di， ZHANG Ke

（School of Astronautics， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： OBC is the key device of cubesat， which is a kind of small experimental satellite adapted to the scientific experiments in space. Its design has a great influence on cubesats functions. However， the ordinary computers applying to on?board systems can not satisfy the requirements of light weight and low cost. In order to solve the problem， a design scheme for cubesat OBC based on MSP430 microprocessor is presented. The microprocessor was chosen in the scheme to conduct the embedded design. The design has the advantages such as great integration， light weight， low cost and high efficiency.

Key words： cubesat； OBC； MP430 microcomputer； low?power consumption

立方星cubesat是一種采用專用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制作的微小衛(wèi)星，這種衛(wèi)星質(zhì)量小，體積小，并能夠搭載一定的空間實(shí)驗(yàn)載荷，且價(jià)格低廉，因此它對(duì)研究機(jī)構(gòu)開展相關(guān)空間探索、空間實(shí)驗(yàn)等方面的研究具有重要的意義。立方星可提供正常衛(wèi)星所有的功能，包括姿態(tài)確定與控制、上行和下行通信、電力子系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)管理、天線系統(tǒng)、負(fù)載等功能。立方星由電源模塊、OBC板、姿態(tài)控制系統(tǒng)、通信板等極大模塊組成，其中，OBC板作為立方星的重要組件，具備了為立方星工作系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理功能、溫度測(cè)定、系統(tǒng)電力供給、時(shí)鐘及任務(wù)管理、同步串行通信等功能，立方星OBC板的設(shè)計(jì)對(duì)立方星整體的性能、運(yùn)算及存儲(chǔ)能力具有重要的影響。本文在研究MSP430單片機(jī)的基礎(chǔ)上提出了立方形OBC板的設(shè)計(jì)方案。

1OBC板處理器概述

挪威的Ncube?2立方星如圖1所示。

圖1 挪威的Ncube?2立方星

1.1MSP430單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

OBC板采用MCU（Micro Control Unit） 作為處理器，在選型方面，本設(shè)計(jì)方案選擇了MSP430 F149單片機(jī)。作為一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor），MSP430單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、計(jì)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、具備任意嵌套的各種中斷源等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.2MSP430F149單片機(jī)

MSP430F149單片機(jī)的僅需3.3 V的工作電壓 ，在等待方式下其工作電流可達(dá)1.3 μA，而其在RAM保持關(guān)閉工作方式下工作電流僅為0.15 μA。同時(shí)， 在MSP430F149中內(nèi)置有12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC12） ，因此為用戶省去了使用專門的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計(jì)電路板帶來的麻煩。而MSP430F149的存儲(chǔ)器包括多達(dá)60 KB FLASH ROM和2 KB RAM，其存儲(chǔ)空間完全可以滿足程序及數(shù)據(jù)的需要。

因此，采用MSP430F149作為OBC板的處理器，可簡化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)制作的時(shí)間，同時(shí)又能提高系統(tǒng)性能。圖2是立方星OBC板整體設(shè)計(jì)圖。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1PWM波輸出

單片機(jī)上的定時(shí)器A的輸出單元提供了包括PWM輸出在內(nèi)的8種可供選擇的輸出模式，如圖2所示，可將I/O口P1.2作為 PWM輸出端口，連接磁力矩控制器[1]，立方星磁力矩器的基本結(jié)構(gòu)是在柱狀軟磁合金上繞制一定數(shù)量的漆包線，通過控制繞線的電流控制其磁矩的大小，通過程序可任意調(diào)節(jié)MSP430單片機(jī)輸出的PWM波的占空比，根據(jù)占空比的不同可以控制磁力矩器繞線的電流[2]，從而能控制其磁力矩的大小，通過磁力矩的改變足以完成對(duì)立方星的姿態(tài)控制。

2.2溫度傳感器功能模塊

MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部集成了溫度傳感器，使用該傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，簡潔方便。溫度傳感器功能模塊如圖3所示，該模塊可有效實(shí)現(xiàn)芯片溫度檢測(cè)及告警功能，其工作原理是使用ADC12模塊的模擬輸入通道作為溫度傳感器的輸出[3]，從而實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。如圖3所示，當(dāng)OBC板溫度超過警戒溫度時(shí)，紅燈亮。

2.3模擬輸入，采集太陽敏感器的輸入

處理器的內(nèi)部設(shè)備中配備有12位A/D轉(zhuǎn)換器，將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模式設(shè)置為序列通道多次轉(zhuǎn)換模式[4]，就可以使用A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)6路模擬輸入處理。ADC12具有8個(gè)外部模擬信號(hào)通道，與P6端口引腳復(fù)用，足以實(shí)現(xiàn)采集太陽敏感器輸入功能。MSP430F149單片機(jī)的ADC12模塊中不僅自帶有參考電壓發(fā)生器，而且還可以選擇其他參考信號(hào)作為參考電壓，在VREF+，VREF-和AVSS之間加上電容，就可以將參考電壓接入。本設(shè)計(jì)方案中電容取10[μF]和100[nF]并聯(lián)，如圖3所示。6路模擬輸入接口電路如圖4所示。

2.4SPI接口以及調(diào)試接口

MSP430F149本身具有硬件支持的SPI接口，該接口支持主機(jī)或從機(jī)[5]兩種模式，在控制寄存器中將MM置位為1，就選定了主機(jī)模式，將MM置位為0，則選定了從機(jī)模式。圖5所示為SPI工作在主機(jī)模式時(shí)與另一個(gè)SPI從機(jī)設(shè)備的連接。

圖3 溫度傳感器功能模塊

立方星OBC板的調(diào)試接口采用JTAG協(xié)議。JTAG的基本原理是在器件內(nèi)部定義一個(gè)測(cè)試訪問接口，通過專用的JTAG測(cè)試工具連接到接口以進(jìn)行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的測(cè)試[6]。與先對(duì)芯片進(jìn)行預(yù)編程，再裝到板上的傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程相比，JTAG的在線編程方式有所突破，更加方便高效，將單片機(jī)固定到電路板上，再用JTAG編程，可以大大加快工程進(jìn)度[7]。

圖4 模擬接口電路

圖5 OBC板的SPI接口

MSP430F149單片機(jī)的硬件系統(tǒng)調(diào)試需要通過仿真器進(jìn)行，仿真器與調(diào)試計(jì)算機(jī)之間用并口線纜或者USB線纜進(jìn)行連接，仿真器和單片機(jī)硬件之間通過JTAG連接線進(jìn)行連接[6]。如圖6所示。

圖6 MSP430單片機(jī)仿真器連接

JTAG連接口是一個(gè)14針的連接器，MSP430F149與JTAG接口電路如圖7所示。

2.5存儲(chǔ)空間

MSP430F149單片機(jī)的存儲(chǔ)空間為64 KB，包括容量達(dá)到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以滿足數(shù)據(jù)和指令的存儲(chǔ)。

2.6I/O接口

MSP430F149單片機(jī)具有豐富的端口資源，I/O口有6組P1~P6，每組有8個(gè)引腳PX.0~PX.7。

圖7 MSP430單片機(jī)與JTAG接口電路

2.7時(shí)鐘和任務(wù)管理

MSP430F149單片機(jī)有3個(gè)時(shí)鐘源輸入端， ACLK輔助時(shí)鐘、MCLK系統(tǒng)主時(shí)鐘、SMCLK子系統(tǒng)時(shí)鐘等3種時(shí)鐘信號(hào)可由基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊提供，而基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊可以通過對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器的設(shè)置來進(jìn)行配置。本設(shè)計(jì)方案的為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理，使用了單片機(jī)的定時(shí)器資源[8]。定時(shí)器在多任務(wù)系統(tǒng)中發(fā)揮著實(shí)現(xiàn)程序切換的中斷信號(hào)作用。本設(shè)計(jì)方案選用的MSP430 F149單片機(jī)的定時(shí)器資源非常豐富，包括看門狗定時(shí)器（WDT）、基本定時(shí)器（Basic Timer1）、定時(shí)器A（Timer_A）和定時(shí)器B（Timer_B）。定時(shí)器模塊功能如下：

（1） 看門狗定時(shí)器除具有基本定時(shí)功能外，還具有當(dāng)程序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受控重啟動(dòng)的功能。

（2） 基本定時(shí)器提供基本定時(shí)功能，并且軟件和各種外圍模塊在低頻率、低功耗的條件下工作時(shí)，基本定時(shí)器是一項(xiàng)必備的支持設(shè)備。

（3） 定時(shí)器A除實(shí)現(xiàn)基本定時(shí)外，還在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多種時(shí)序控制[9]、多個(gè)捕獲/比較功能和多種輸出波形（PWM）的過程中進(jìn)行輔助，同時(shí)，以硬件方式開展串行通信也需要該定時(shí)器。

（4） 定時(shí)器B具有比定時(shí)器A更靈活的特點(diǎn)，與后者相比前者可實(shí)現(xiàn)更豐富、更強(qiáng)大的功能。

此外，任務(wù)管理功能需要中斷系統(tǒng)的支持，MSP43F149單片機(jī)具有多個(gè)可任意嵌套的中斷源，因而具有較強(qiáng)的任務(wù)管理功能。

2.8復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路在系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，而在系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位電路。為了防止電源開關(guān)分合過程中引起的抖動(dòng)影響復(fù)位，在電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)[10]。在本設(shè)計(jì)方案中，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，采用了專門的復(fù)位芯片SP708S。復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

3結(jié)語

本方案采用超低功耗單片機(jī)作為處理器，具有質(zhì)量輕，體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：OBC板的設(shè)計(jì)方案使得立方星結(jié)構(gòu)輕薄，滿足立方星進(jìn)行空間實(shí)驗(yàn)需要盡量減輕載重的要求，為立方星攜帶的科學(xué)單元提供了充足的空間；OBC板的微處理器功耗低、存儲(chǔ)能力強(qiáng)，運(yùn)算速率快，具有良好的實(shí)時(shí)性；OBC板的系統(tǒng)采用中斷處理進(jìn)行任務(wù)管理，占用內(nèi)存較小，節(jié)省了資源；本設(shè)計(jì)方案高度集成化一體化，符合現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

圖8 復(fù)位電路

參考文獻(xiàn)

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[10] 黃俊，余水寶，黃相平.基于FPGA 的高精度數(shù)字移相信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012（18）：79?81.

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圖4 模擬接口電路

圖5 OBC板的SPI接口

MSP430F149單片機(jī)的硬件系統(tǒng)調(diào)試需要通過仿真器進(jìn)行，仿真器與調(diào)試計(jì)算機(jī)之間用并口線纜或者USB線纜進(jìn)行連接，仿真器和單片機(jī)硬件之間通過JTAG連接線進(jìn)行連接[6]。如圖6所示。

圖6 MSP430單片機(jī)仿真器連接

JTAG連接口是一個(gè)14針的連接器，MSP430F149與JTAG接口電路如圖7所示。

2.5存儲(chǔ)空間

MSP430F149單片機(jī)的存儲(chǔ)空間為64 KB，包括容量達(dá)到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以滿足數(shù)據(jù)和指令的存儲(chǔ)。

2.6I/O接口

MSP430F149單片機(jī)具有豐富的端口資源，I/O口有6組P1~P6，每組有8個(gè)引腳PX.0~PX.7。

圖7 MSP430單片機(jī)與JTAG接口電路

2.7時(shí)鐘和任務(wù)管理

MSP430F149單片機(jī)有3個(gè)時(shí)鐘源輸入端， ACLK輔助時(shí)鐘、MCLK系統(tǒng)主時(shí)鐘、SMCLK子系統(tǒng)時(shí)鐘等3種時(shí)鐘信號(hào)可由基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊提供，而基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊可以通過對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器的設(shè)置來進(jìn)行配置。本設(shè)計(jì)方案的為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理，使用了單片機(jī)的定時(shí)器資源[8]。定時(shí)器在多任務(wù)系統(tǒng)中發(fā)揮著實(shí)現(xiàn)程序切換的中斷信號(hào)作用。本設(shè)計(jì)方案選用的MSP430 F149單片機(jī)的定時(shí)器資源非常豐富，包括看門狗定時(shí)器（WDT）、基本定時(shí)器（Basic Timer1）、定時(shí)器A（Timer_A）和定時(shí)器B（Timer_B）。定時(shí)器模塊功能如下：

（1） 看門狗定時(shí)器除具有基本定時(shí)功能外，還具有當(dāng)程序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受控重啟動(dòng)的功能。

（2） 基本定時(shí)器提供基本定時(shí)功能，并且軟件和各種外圍模塊在低頻率、低功耗的條件下工作時(shí)，基本定時(shí)器是一項(xiàng)必備的支持設(shè)備。

（3） 定時(shí)器A除實(shí)現(xiàn)基本定時(shí)外，還在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多種時(shí)序控制[9]、多個(gè)捕獲/比較功能和多種輸出波形（PWM）的過程中進(jìn)行輔助，同時(shí)，以硬件方式開展串行通信也需要該定時(shí)器。

（4） 定時(shí)器B具有比定時(shí)器A更靈活的特點(diǎn)，與后者相比前者可實(shí)現(xiàn)更豐富、更強(qiáng)大的功能。

此外，任務(wù)管理功能需要中斷系統(tǒng)的支持，MSP43F149單片機(jī)具有多個(gè)可任意嵌套的中斷源，因而具有較強(qiáng)的任務(wù)管理功能。

2.8復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路在系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，而在系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位電路。為了防止電源開關(guān)分合過程中引起的抖動(dòng)影響復(fù)位，在電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)[10]。在本設(shè)計(jì)方案中，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，采用了專門的復(fù)位芯片SP708S。復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

3結(jié)語

本方案采用超低功耗單片機(jī)作為處理器，具有質(zhì)量輕，體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：OBC板的設(shè)計(jì)方案使得立方星結(jié)構(gòu)輕薄，滿足立方星進(jìn)行空間實(shí)驗(yàn)需要盡量減輕載重的要求，為立方星攜帶的科學(xué)單元提供了充足的空間；OBC板的微處理器功耗低、存儲(chǔ)能力強(qiáng)，運(yùn)算速率快，具有良好的實(shí)時(shí)性；OBC板的系統(tǒng)采用中斷處理進(jìn)行任務(wù)管理，占用內(nèi)存較小，節(jié)省了資源；本設(shè)計(jì)方案高度集成化一體化，符合現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

圖8 復(fù)位電路

參考文獻(xiàn)

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圖4 模擬接口電路

圖5 OBC板的SPI接口

MSP430F149單片機(jī)的硬件系統(tǒng)調(diào)試需要通過仿真器進(jìn)行，仿真器與調(diào)試計(jì)算機(jī)之間用并口線纜或者USB線纜進(jìn)行連接，仿真器和單片機(jī)硬件之間通過JTAG連接線進(jìn)行連接[6]。如圖6所示。

圖6 MSP430單片機(jī)仿真器連接

JTAG連接口是一個(gè)14針的連接器，MSP430F149與JTAG接口電路如圖7所示。

2.5存儲(chǔ)空間

MSP430F149單片機(jī)的存儲(chǔ)空間為64 KB，包括容量達(dá)到60 KB 的FLASH ROM和2 KB 的RAM，足以滿足數(shù)據(jù)和指令的存儲(chǔ)。

2.6I/O接口

MSP430F149單片機(jī)具有豐富的端口資源，I/O口有6組P1~P6，每組有8個(gè)引腳PX.0~PX.7。

圖7 MSP430單片機(jī)與JTAG接口電路

2.7時(shí)鐘和任務(wù)管理

MSP430F149單片機(jī)有3個(gè)時(shí)鐘源輸入端， ACLK輔助時(shí)鐘、MCLK系統(tǒng)主時(shí)鐘、SMCLK子系統(tǒng)時(shí)鐘等3種時(shí)鐘信號(hào)可由基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊提供，而基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊可以通過對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器的設(shè)置來進(jìn)行配置。本設(shè)計(jì)方案的為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理，使用了單片機(jī)的定時(shí)器資源[8]。定時(shí)器在多任務(wù)系統(tǒng)中發(fā)揮著實(shí)現(xiàn)程序切換的中斷信號(hào)作用。本設(shè)計(jì)方案選用的MSP430 F149單片機(jī)的定時(shí)器資源非常豐富，包括看門狗定時(shí)器（WDT）、基本定時(shí)器（Basic Timer1）、定時(shí)器A（Timer_A）和定時(shí)器B（Timer_B）。定時(shí)器模塊功能如下：

（1） 看門狗定時(shí)器除具有基本定時(shí)功能外，還具有當(dāng)程序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受控重啟動(dòng)的功能。

（2） 基本定時(shí)器提供基本定時(shí)功能，并且軟件和各種外圍模塊在低頻率、低功耗的條件下工作時(shí)，基本定時(shí)器是一項(xiàng)必備的支持設(shè)備。

（3） 定時(shí)器A除實(shí)現(xiàn)基本定時(shí)外，還在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多種時(shí)序控制[9]、多個(gè)捕獲/比較功能和多種輸出波形（PWM）的過程中進(jìn)行輔助，同時(shí)，以硬件方式開展串行通信也需要該定時(shí)器。

（4） 定時(shí)器B具有比定時(shí)器A更靈活的特點(diǎn)，與后者相比前者可實(shí)現(xiàn)更豐富、更強(qiáng)大的功能。

此外，任務(wù)管理功能需要中斷系統(tǒng)的支持，MSP43F149單片機(jī)具有多個(gè)可任意嵌套的中斷源，因而具有較強(qiáng)的任務(wù)管理功能。

2.8復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路在系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，而在系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位電路。為了防止電源開關(guān)分合過程中引起的抖動(dòng)影響復(fù)位，在電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)[10]。在本設(shè)計(jì)方案中，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，采用了專門的復(fù)位芯片SP708S。復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

3結(jié)語

本方案采用超低功耗單片機(jī)作為處理器，具有質(zhì)量輕，體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：OBC板的設(shè)計(jì)方案使得立方星結(jié)構(gòu)輕薄，滿足立方星進(jìn)行空間實(shí)驗(yàn)需要盡量減輕載重的要求，為立方星攜帶的科學(xué)單元提供了充足的空間；OBC板的微處理器功耗低、存儲(chǔ)能力強(qiáng)，運(yùn)算速率快，具有良好的實(shí)時(shí)性；OBC板的系統(tǒng)采用中斷處理進(jìn)行任務(wù)管理，占用內(nèi)存較小，節(jié)省了資源；本設(shè)計(jì)方案高度集成化一體化，符合現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

圖8 復(fù)位電路

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