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(1.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 10076； 2.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854)

0 引言

隨著航天工業(yè)及武器系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)小型化、集成化、模塊化航天飛行器綜合控制設(shè)備的需求越來(lái)越緊迫。

目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)飛行器綜合航電應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，設(shè)備的一體化融合設(shè)計(jì)不僅可以大幅減少?gòu)椛显O(shè)備軟硬件規(guī)模，提升系統(tǒng)的可靠性、維修性，還可以從本質(zhì)上提升型號(hào)以及設(shè)備的系列化、模塊化、通用化水平[1-3]。

文獻(xiàn)[4]提出的綜合控制計(jì)算機(jī)將傳統(tǒng)的多模塊分艙段計(jì)算機(jī)進(jìn)行集成綜合，并配以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提升了設(shè)備性能和一體化程度，但缺乏通用總線的應(yīng)用，不利于后續(xù)系列化、通用化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別提出基于VPX總線的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用和綜合測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用。但由于文獻(xiàn)中的VPX總線標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)較大，無(wú)法適應(yīng)航天飛行器對(duì)小體積的要求。

因此，本文即按照新一代系統(tǒng)級(jí)總線標(biāo)準(zhǔn)VITA74總線(即VNX總線)，設(shè)計(jì)了一套模塊化集成化高性能的航天飛行器綜合控制系統(tǒng)，能夠很好的適應(yīng)目前小型化航天飛行器的需求。采用VNX標(biāo)準(zhǔn)能很好地滿足高速數(shù)字信號(hào)傳輸和大功率配電的技術(shù)需求， 而且還可以滿足航天器對(duì)沖擊、振動(dòng)、電磁輻射及干擾等的可靠性要求。在功能劃分上，將原來(lái)的獨(dú)立單機(jī)產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)為各個(gè)滿足VNX標(biāo)準(zhǔn)的子卡模塊。通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)使其具有易拆解，易維護(hù)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。各個(gè)板卡之間的信號(hào)連接通過(guò)背板實(shí)現(xiàn)，對(duì)外接口由側(cè)I/O板實(shí)現(xiàn)，側(cè)I/O板上直接焊接具有高可靠性性能的航插接插件。

1 VNX總線概述

VNX總線標(biāo)準(zhǔn)定義了機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)小型模塊化系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)解決了在各種應(yīng)用場(chǎng)景下使用小型模塊化系統(tǒng)的需求。

該標(biāo)準(zhǔn)能夠促進(jìn)設(shè)計(jì)單位實(shí)現(xiàn)不同功能模塊，包括子模塊、底板、外殼和完整的系統(tǒng)解決方案。該標(biāo)準(zhǔn)能夠保證各個(gè)單位設(shè)計(jì)的組件具有一定的移植性，并可以在子模塊的具體實(shí)現(xiàn)上保證一定的靈活性。

VNX的標(biāo)準(zhǔn)在制定的過(guò)程中，參照了很多VPX的成功經(jīng)驗(yàn)[7]。該標(biāo)準(zhǔn)制定了許多約定，并將信號(hào)定義分配到各個(gè)子模塊中。該標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)模塊的信號(hào)連接通過(guò)一種新型高速低成本連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)，支持以太網(wǎng)和PCI Express總線。為了使系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，該標(biāo)準(zhǔn)中指定了一個(gè)CPU根節(jié)點(diǎn)，也可以設(shè)置多個(gè)CPU節(jié)點(diǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種結(jié)構(gòu)的子卡類型，分別為19 mm和12.5 mm標(biāo)準(zhǔn)，并且規(guī)定了連接器的位置、裝配孔的位置和組件的外形。對(duì)于19 mm的模塊，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)板疊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一種功能更豐富的模塊板卡。用戶可以根據(jù)自己的需求定義背板和側(cè)I/O板。

VNX總線的目的是提供巨大的重量和電能節(jié)省，而其成本僅為更大的遺留3U和6U系統(tǒng)的一小部分，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了類似的性能。VNX總線提供了在模塊級(jí)(電氣、機(jī)械和熱)定義和固定的所有接口，使熱和機(jī)械接口簡(jiǎn)單而統(tǒng)一?；谠摌?biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以廣泛的應(yīng)用于航天、無(wú)人飛行器、機(jī)器人、可穿戴系統(tǒng)和能源探索。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)航天飛行器綜合控制系統(tǒng)高可靠性、高集成度、模塊化的需求特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用國(guó)際最先進(jìn)的軍用VNX總線標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心架構(gòu)。該系統(tǒng)內(nèi)部集成4個(gè)核心組件，采用無(wú)風(fēng)扇導(dǎo)冷設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，同時(shí)保證了散熱效果。4個(gè)核心組件分別為飛控組件，接口組件，配電組件以及供電組件，與外界設(shè)備的連接通過(guò)測(cè)I/O組件的板載航插實(shí)現(xiàn)。各個(gè)組件間的信號(hào)互聯(lián)通過(guò)背板實(shí)現(xiàn)，該背板可實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)及單端信號(hào)的互聯(lián)，并且具有良好的電磁兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)1Gbit/s以上速率的信號(hào)傳輸。具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

航天飛行器綜合控制系統(tǒng)對(duì)外接口主要包括6路對(duì)外隔離的RS422總線接口[8]，2路1553B總線接口[9]，4路隔離I/O輸入接口，16路對(duì)外隔離I/O輸出接口，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能以及多路供配電輸出功能。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)集成了高性能的多核異構(gòu)SiP芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)高速實(shí)時(shí)運(yùn)算。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 飛控組件設(shè)計(jì)

飛控組件主要用于實(shí)現(xiàn)核心算法和時(shí)序控制。在飛控組件板卡設(shè)計(jì)上，采用了19 mm厚板卡結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)部采用兩塊印制板堆疊的方式最大化利用了板卡內(nèi)的空間。在核心芯片選擇上，為了滿足系統(tǒng)對(duì)小型化，高性能等方面的要求，選擇了一款高性能SiP芯片，該芯片為基于雙C6713內(nèi)核SoC的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、高集成度SiP產(chǎn)品，內(nèi)部集成2片高性能SoC芯片、大容量SDRAM、大容量 FLASH、國(guó)產(chǎn)化FPGA等。該模塊可應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)武器控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、控制與信息處理一體化系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、接口豐富等特點(diǎn)。在進(jìn)行資源配置過(guò)程中，根據(jù)不同性能特點(diǎn)進(jìn)行資源劃分。其中，雙C6713內(nèi)核SoC主要完成組合導(dǎo)航算法、飛控算法、時(shí)序邏輯的實(shí)現(xiàn)。為了提高對(duì)外接口的實(shí)時(shí)性要求，利用SiP芯片中國(guó)產(chǎn)化FPGA的并行性特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)外接口功能。

圖3是粒徑分別為 150、200、300 μm三種微膠囊不同摻量的自修復(fù)試樣在最大抗壓強(qiáng)度的60%預(yù)壓損傷后，在室溫下養(yǎng)護(hù) 7 d的強(qiáng)度修復(fù)率。由圖3可以看出，相似試件的強(qiáng)度隨微膠囊摻量的增加而降低，但強(qiáng)度修復(fù)率提高。當(dāng)微膠囊摻量為0～0.8%時(shí)，強(qiáng)度修復(fù)率隨微膠囊摻量的增加近似于線性增加；當(dāng)微膠囊摻量為 0.8%時(shí)，強(qiáng)度修復(fù)率達(dá)到峰值，修復(fù)后的強(qiáng)度最接近原始強(qiáng)度；當(dāng)微膠囊摻量大于 0.8%時(shí)，強(qiáng)度修復(fù)率開(kāi)始下降，由此推斷繼續(xù)增大微膠囊的用量，強(qiáng)度修復(fù)率會(huì)繼續(xù)降低。

在電路設(shè)計(jì)上，采用兩塊印制板通過(guò)子板母板的方式實(shí)現(xiàn)了高度集成化的設(shè)計(jì)。在子板上除了SiP芯片外還有保證其正常工作所必須的復(fù)位電路、JTAG電路、時(shí)鐘晶振電路和低壓供電電路。選用LTM4644作為低壓供電電路的核心芯片，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)4路電壓輸出，每路輸出電壓可調(diào)，輸出電流4A，并且可通過(guò)使能端控制保證上電順序，分別為SiP芯片提供3.3 V、1.5 V和1.2 V電壓。

子板和母板通過(guò)高度集成化的表貼型接插件實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)。在母板上，設(shè)計(jì)了飛控組件對(duì)外連接的接口，主要包括4路隔離光耦輸入接口以及16路對(duì)外隔離的I/O輸出接口。在光耦電路設(shè)計(jì)上，通過(guò)外部接口電阻匹配，保證了輸入信號(hào)具有14 V的抗干擾能力，同時(shí)，具有防反設(shè)計(jì)。在對(duì)外輸出I/O電路上，通過(guò)磁耦芯片的應(yīng)用，將所有的輸出信號(hào)進(jìn)行了隔離并將3.3 V電平轉(zhuǎn)換為了5 V電平，隔離后通過(guò)達(dá)林頓管ULN2803實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的功率放大。

3.2 接口組件設(shè)計(jì)

在接口組件板上，設(shè)計(jì)了綜合電子系統(tǒng)對(duì)外通訊的主要接口，主要包括4路獨(dú)立磁隔離的RS422/485總線接口，1路磁隔離的CAN總線接口，以及2路1553B總線接口。

隔離RS422/485總線接口和CAN總線接口電路采用ADI公司的基于磁隔離技術(shù)的總線接口芯片設(shè)計(jì)。該系列芯片內(nèi)部集成了隔離電源，可以將邏輯端的電源轉(zhuǎn)換為總線端電壓，并且使邏輯端與總線端地環(huán)路隔離，提高了通信接口的電磁兼容性。除此以外，在總線接口上設(shè)計(jì)了上下拉電阻來(lái)保證總線始終工作在確定的狀態(tài)，并通過(guò)瞬態(tài)抑制二極管提高總線接口的抗靜電和浪涌能力。

由于飛控組件所選用的SiP芯片內(nèi)部集成了2個(gè)1553B總線IP核，因此在外部接口電路設(shè)計(jì)上只需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片及隔離變壓器將總線信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。

3.3 配電組件設(shè)計(jì)

配電組件主要功能是通過(guò)飛控組件的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的供配電控制以及對(duì)火工品電路的功率輸出。本組件中通過(guò)固態(tài)繼電器的串并聯(lián)搭建供配電電路，共可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4路設(shè)備的供配電控制。

3.4 供電組件設(shè)計(jì)

供電組件是航天綜合電子系統(tǒng)正常工作的能量源頭，如果供電組件電路設(shè)計(jì)存在隱患，則綜合電子系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定正常工作，因此供電組件電路設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)在以功耗和可靠性為出發(fā)點(diǎn)，為綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種隔離式的多電壓輸出的電源系統(tǒng)。

綜合電子系統(tǒng)的輸入電壓為28 V，經(jīng)過(guò)EMI濾波電路和多路隔離式DC/DC模塊輸出多路電壓，各路之間互相隔離，保證了CPU電路與外部各個(gè)接口電路的物理隔絕，提高產(chǎn)品固有可靠性。電源電路原理框圖如下圖2所示。電源組件輸出4路電壓，其中，+12 V電壓額定電流為2.5 A，+5 V電壓額定電流為10 A，+3.3 V電壓額定電流為3 A，-12 V電壓額定電流為1 A，所有的輸出電壓紋波均不超過(guò)50 mV。同時(shí)，電源組件內(nèi)部有監(jiān)控單元，實(shí)時(shí)對(duì)輸出電壓和工作溫度進(jìn)行檢測(cè)，并將信息通過(guò)I2C總線[10]傳遞給飛控組件。

圖2 供電組件框架設(shè)計(jì)

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品各個(gè)功能模塊集成化程度較高，因此各個(gè)模塊熱源集中，對(duì)散熱的要求較高；按照VITA74熱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)機(jī)殼導(dǎo)冷設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的散熱，使整機(jī)在不額外增加體積的情況下實(shí)現(xiàn)了散熱加固設(shè)計(jì)，滿足了小型化的要求。整體框架上提供5個(gè)槽位，采用高效導(dǎo)冷設(shè)計(jì)和全封閉EMC屏蔽設(shè)計(jì)，具有高可靠、高性能、輕小型特點(diǎn)。其外形圖如圖3所示。

圖3 VNX計(jì)算機(jī)外形示意

該產(chǎn)品由5槽導(dǎo)冷機(jī)箱、主控板模塊、背板模塊、配電板模塊、電源板模塊和IO板模塊組成，可擴(kuò)展其他功能板卡，其外形尺寸為117 mm×115.5 mm×154.5 mm。

其中5槽導(dǎo)冷機(jī)箱由主體框架和六個(gè)面板組成，均采用鋁合金材質(zhì)。主體框架為全樓空型，結(jié)構(gòu)輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，配有5個(gè)插槽，如圖4所示；前后面板用于安裝電連接器；各面板采用散熱片形式，兩側(cè)面板內(nèi)側(cè)有導(dǎo)熱橡膠，使得整機(jī)具有良好的散熱效果；此外各面板內(nèi)側(cè)邊緣均設(shè)有導(dǎo)電橡膠墊，為全封閉EMC屏蔽設(shè)計(jì)。

圖4 主體框架

VNX各主要模塊外殼均采用鋁合金材質(zhì)，外形尺寸成系列化。為保證安裝的精確性、方便性，各模塊均設(shè)計(jì)有定位銷以及定位孔，如圖5所示，并配備鋼質(zhì)可折疊拉手。

圖5 定位銷和定位孔圖示

最終產(chǎn)品實(shí)物效果如圖6所示。

圖6 航天綜合電子系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該綜合電子系統(tǒng)的核心組件為飛控組件，而軟件作為飛控組件的靈魂模塊，是綜合電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵。該軟件由于SiP芯片內(nèi)部構(gòu)成的異構(gòu)多核處理器而需要采用全新的模塊化設(shè)計(jì)思想來(lái)開(kāi)展設(shè)計(jì)。為了減少算法對(duì)硬件資源的消耗，需要將飛控軟件與導(dǎo)航軟件分別配置在兩個(gè)不同的C6713內(nèi)核中，兩個(gè)DSP內(nèi)核通過(guò)FPGA配置的雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞。同時(shí)，對(duì)于接口功能的邏輯，如RS422/485總線通訊，I/O輸出控制，I/O輸入識(shí)別等功能，全部由性能靈活的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。

DSP芯片的軟件包括底層驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層，底層驅(qū)動(dòng)層軟件包括系統(tǒng)初始化，雙核交互機(jī)制，定時(shí)器配置，中斷模塊配置等，應(yīng)用層軟件包括對(duì)外部設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)流的控制、自檢、裝訂、制導(dǎo)姿控算法解算，控制信號(hào)輸出，遙測(cè)信號(hào)輸出等功能。軟件系統(tǒng)框圖如7所示。

圖7 軟件系統(tǒng)框圖

6 性能驗(yàn)證與分析

對(duì)飛行器綜合控制系統(tǒng)的功能性能評(píng)估主要從兩方面展開(kāi)，一方面是其電路各個(gè)功能接口的正確協(xié)調(diào)性，一方面是主控CPU的運(yùn)算處理能力。本文利用接口豐富的工業(yè)測(cè)試儀對(duì)系統(tǒng)的硬件接口進(jìn)行了功能驗(yàn)證，驗(yàn)證的接口主要包括輸入I/O接口、輸出I/O接口、RS422/485總線接口、CAN總線接口、1553B總線接口。通過(guò)驗(yàn)證測(cè)試，各個(gè)接口功能正常，能夠?qū)崿F(xiàn)I/O的輸入輸出和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

本文選取了2款成熟產(chǎn)品的主控CPU(CPU型號(hào)分別為TMS320F2812和TMS320C6713B)進(jìn)行了運(yùn)算性能的對(duì)比，運(yùn)行軟件采用相同的飛行控制算法和卡爾曼濾波組合導(dǎo)航算法[11]。通過(guò)三款CPU完成一次運(yùn)算的時(shí)間作為性能比較基準(zhǔn)，由表1可以看出，本文所設(shè)計(jì)的SiP芯片具有更加優(yōu)秀的運(yùn)算性能。

表1 CPU性能對(duì)比

7 結(jié)論

本文提出了一種利用VNX總線架構(gòu)(即VITA-74總線)實(shí)現(xiàn)的航天飛行器綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使其滿足了未來(lái)航天工業(yè)及小型化航天飛行器對(duì)電子設(shè)備小型化、集成化、模塊化的需求。本文介紹了VNX總線標(biāo)準(zhǔn)及該方案的總體設(shè)計(jì)思路，并針對(duì)綜合控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述。硬件上，采用功能豐富、性能強(qiáng)大、功耗低的SiP芯片實(shí)現(xiàn)了核心組件的設(shè)計(jì)，同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)豐富高可靠的通訊接口、通用I/O輸入輸出接口、配電接口實(shí)現(xiàn)航天綜合電子系統(tǒng)的各項(xiàng)功能指標(biāo)；軟件設(shè)計(jì)上，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，將底層硬件開(kāi)發(fā)結(jié)合上層應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，通過(guò)可編程邏輯模塊的設(shè)計(jì)，減輕了CPU的資源負(fù)擔(dān)，可以保證CPU更高效可靠地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法。VNX總線的模塊化設(shè)計(jì)思想極大的降低了未來(lái)新產(chǎn)品的研發(fā)成本和研發(fā)周期。目前，該航天飛行器綜合控制系統(tǒng)已經(jīng)完成了樣機(jī)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相應(yīng)的性能測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)工作正常，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足任務(wù)需求，可用于未來(lái)航天飛行器的使用。