劉 蕾，常 亮，李華旺

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所 上海 200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 200120）

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和芯片集成化技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星平臺(tái)電子設(shè)備呈現(xiàn)小型化、集約化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。SoC（System On a Chip）作為一種新的系統(tǒng)集成技術(shù)，可以將一個(gè)單板系統(tǒng)甚至整個(gè)控制系統(tǒng)的功能集成在一塊芯片中實(shí)現(xiàn)，不僅可以提高星載電子設(shè)備集成度，減小體積重量，提高功能密度，而且可以提高性能和系統(tǒng)的總體可靠[1-2]。

本文采用基于Flash為基礎(chǔ)的SmartFusion2系列FPGA芯片作為星載計(jì)算機(jī)平臺(tái)，該芯片將可配置模擬部件、大容量Flash內(nèi)存構(gòu)件、全面的時(shí)鐘生成和管理電路，以及基于Flash的高性能可編程邏輯模塊集成在單片器件中。與此同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部集成了高效的ARM內(nèi)核——Cortex-M3，可以直接替換傳統(tǒng)的MCU+FPGA組合。

1 系統(tǒng)綜述

星載計(jì)算機(jī)作為衛(wèi)星平臺(tái)的核心部件，采用總線網(wǎng)絡(luò)與星載其他電子設(shè)備進(jìn)行互連通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的多模塊控制、星上資源的優(yōu)化與重組、整星綜合信息處理等工作。本系統(tǒng)采用CAN總線將各個(gè)單機(jī)模塊連接在一起，構(gòu)建一個(gè)可以有效的支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

綜合電子艙內(nèi)部集成了多個(gè)模塊，以Cortex-m3微控制器作為主控制單元，各單機(jī)模塊傳送的數(shù)據(jù)通過特定的通信接口將控制信號(hào)送給星載計(jì)算機(jī)微控制器模塊，并進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理與任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)平臺(tái)包含大容量存儲(chǔ)管理單元模塊，大容量存儲(chǔ)管理單元由獨(dú)立的處理器接受載荷的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到4G bits的flash，根據(jù)中央處理單元的要求對(duì)大容量存儲(chǔ)單元進(jìn)行操作，為存儲(chǔ)載荷的有效數(shù)據(jù)提供了保障。

衛(wèi)星系統(tǒng)功能與信息流如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器模塊設(shè)計(jì)

微控制器模塊是綜合電子艙的核心模塊，主要負(fù)責(zé)集中完成星上的數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星飛行控制任務(wù)和姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)處理等?；谏逃闷骷martFusion2為平臺(tái)的星載計(jì)算機(jī)，集成FPGA、ARM?CortexTM-M3處理器硬核，以及可編程模擬資源于一體的器件，能夠?qū)崿F(xiàn)完全可定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和IP保護(hù)能力，而且便于實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)[3]。

圖1 衛(wèi)星信息流框圖Fig.1 Information flow diagram of the satellite

FPGA模塊提供的資源如圖2所示，主要包括：500000邏輯門單元，大于1 Mbit的RAM模塊，可用I/O引腳數(shù)大于300個(gè)。FPGA內(nèi)嵌的處理器內(nèi)核是CortexTM-M3，主頻為166 MHZ，支持的外設(shè)有10/100/Mbps的網(wǎng)絡(luò)，USB2.0接口、CAN2.0控制器接口、UART串行調(diào)試接口等。存儲(chǔ)單元主要存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼及記錄數(shù)據(jù)，由NOR FLASH存儲(chǔ)器和DDR SDRAM組成。主內(nèi)存是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)代碼執(zhí)行的區(qū)域，也是應(yīng)用程序臨時(shí)變量和中間數(shù)據(jù)的存放空間，它的讀寫速度直接影響到了系統(tǒng)的計(jì)算效率，因此需要盡量提高主內(nèi)存的訪問速度和空間大小。本系統(tǒng)中使用DDR SDRAM作為系統(tǒng)的主內(nèi)存，保證內(nèi)存訪問時(shí)間和內(nèi)存容量不會(huì)成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸[4-5]。

2.2 CAN模塊設(shè)計(jì)

由于星載計(jì)算機(jī)本身處在惡劣的工作環(huán)境，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)必須首要考慮其本身的可靠性及容錯(cuò)能力，所以為保證通信接口的可靠性，本系統(tǒng)采用冗余備份模式設(shè)計(jì)CAN接口模塊。硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示，CAN總線冗余設(shè)計(jì)采用控制器冗余模式，由兩個(gè)CAN收發(fā)器、兩個(gè)CAN控制器和單CPU組成。兩條數(shù)據(jù)通道完全獨(dú)立、互不影響。與此同時(shí)，雙CAN模塊采用熱備份工作模式，主用設(shè)備和備用設(shè)備同時(shí)處于上電運(yùn)行狀態(tài)，且同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。但是備份設(shè)備的數(shù)據(jù)處理不起作用，僅當(dāng)主用設(shè)備失效時(shí)，CPU才會(huì)選擇快速響應(yīng)備用設(shè)備的中斷，并接收備用設(shè)備的數(shù)據(jù)。

圖2 微控制器模塊架構(gòu)圖Fig.2 Microcontroller module of the satellite

圖3 雙冗余CAN總線模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Redundant technology for the CAN bus

2.3 CAN總線冗余模塊設(shè)計(jì)

基于SmartFusion2的SoC設(shè)計(jì)平臺(tái)僅在APB_1總線上掛載了單一CAN2.0控制接口，為實(shí)現(xiàn)硬件冗余設(shè)計(jì)，利用了SoC提供的FPGA可編程邏輯資源實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的SJA1000 CAN控制器。

如圖4所示，由VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)SJA1000 CAN IP軟核的設(shè)計(jì)并生成系統(tǒng)可配置的動(dòng)態(tài)模塊，主控單元Cortex-M3通過高級(jí)外設(shè)總線（APB3）總線接口將數(shù)據(jù)輸出，CAN總線控制器經(jīng)過一個(gè)SRAM（報(bào)文緩沖器）與從設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信并對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行預(yù)處理。

HDL程序在Libero IDE集成環(huán)境中完成，使用VHDL硬件描述語(yǔ)言編寫代碼，并編寫相關(guān)的測(cè)試代碼進(jìn)行功能驗(yàn)證。

3 軟件設(shè)計(jì)

CAN總線控制器的功能配置和行為由主控制器Cortex-M3設(shè)置的C程序完成，在SoftConsole集成開發(fā)環(huán)境中完成。

圖4 IP核實(shí)現(xiàn)CAN備用節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Redundant CAN node implemented by the IP core

根據(jù)SJA1000設(shè)計(jì)的CAN控制器和微控制器自帶的CAN控制器構(gòu)成了CAN總線上的雙冗余備份模式。兩者在內(nèi)存中的映射起始地址分別為：0x40015000u和0x70000000u。由于兩種CAN控制器的IP核不同，需要根據(jù)每個(gè)控制器采用的協(xié)議設(shè)計(jì)CAN設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

1）單節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

Cortex-M3內(nèi)部集成的CAN控制器對(duì)如圖5所示，控制器從CAN總線上接收和發(fā)送串行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給報(bào)文處理器。報(bào)文處理器基于當(dāng)前的過濾設(shè)置以及報(bào)文對(duì)象存儲(chǔ)器中的標(biāo)識(shí)符，將合適的報(bào)文內(nèi)容載入與之對(duì)應(yīng)的報(bào)文對(duì)象。報(bào)文處理器還負(fù)責(zé)根據(jù)CAN總線的事件產(chǎn)生中斷；報(bào)文對(duì)象存儲(chǔ)器是一組32個(gè)完全相同的存儲(chǔ)模塊，可為每個(gè)報(bào)文對(duì)象保存其當(dāng)前的配置、狀態(tài)以及實(shí)際數(shù)據(jù)。用戶可直接配置報(bào)文對(duì)象存儲(chǔ)器完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收配置。

CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。使用控制器之前，需設(shè)置CAN的工作時(shí)鐘（40 MHz）并配置用于傳輸CAN信息的GPIO管腳。

2）冗余程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用了兩條完全獨(dú)立的CAN總線數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的全面冗余。獨(dú)立的控制器能夠檢測(cè)到自己通道的故障，但CAN協(xié)議規(guī)范定義的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層并不完整，需要通過軟件冗余模塊來實(shí)現(xiàn)總線狀態(tài)的監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)故障的診斷和標(biāo)識(shí)處理。

圖5 CAN控制器主節(jié)點(diǎn)框圖Fig.5 Schema of the main CAN node

在熱冗余的情況下，本地節(jié)點(diǎn)主控制器同時(shí)打開兩個(gè)總線控制器的中斷。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀/請(qǐng)求幀時(shí)，如果一個(gè)CAN控制器到它相對(duì)應(yīng)的總線上的任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，則相應(yīng)的總線控制器不會(huì)產(chǎn)生中斷，控制器收到的數(shù)據(jù)則是另一個(gè)沒有產(chǎn)生故障的總線上的數(shù)據(jù)。如果本地兩個(gè)總線控制器同時(shí)接收到同一個(gè)報(bào)文，并分別向主控制器Cortex-M3申請(qǐng)中斷。當(dāng)有一個(gè)總線控制器申請(qǐng)成功時(shí)，則在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果接收到的報(bào)文有效，主控制器則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完畢后，加入低延時(shí)、清除所有的中斷并在退出前打開所有的中斷。另一個(gè)CAN總線控制器的中斷，如果是同時(shí)到達(dá)的則被清除，如果是稍后到達(dá)的，則會(huì)因?yàn)橹袛嗵幚沓绦虻难訒r(shí)也同樣會(huì)被清除。如果接收到的報(bào)文無效，主控制器將清除本次控制器申請(qǐng)的中斷，退出中斷處理函數(shù)。此時(shí)，另一個(gè)CAN總線控制器的中斷會(huì)被響應(yīng)，主控制器會(huì)判斷接收到的報(bào)文是否有效，并采取相應(yīng)措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了基于SoC技術(shù)與IP核復(fù)用技術(shù)的星載計(jì)算機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)模塊冗余設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的星載計(jì)算機(jī)外擴(kuò)兩片CAN控制器的冗余設(shè)計(jì)方案相比，本設(shè)計(jì)充分利用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)置兩路CAN控制器，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、節(jié)省了星載計(jì)算機(jī)單板體積且采用公開開放免費(fèi)的軟IP以及自行開發(fā)的軟IP核達(dá)到降低成本的目的降低了成本。

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