王文川，趙笙罡，崔 陽，周文妹，梁 廣

(中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201210)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的推動，遙感微納衛(wèi)星以質(zhì)量輕、體積小、開發(fā)周期短、功能密度高等優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測、地理測繪、海洋監(jiān)視等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[1-2]。目前，遙感衛(wèi)星研制向更高使用效能方向轉(zhuǎn)型。衛(wèi)星性能提升以及增大載荷規(guī)模的需求越來越迫切。

傳統(tǒng)研制模式中，平臺與載荷多采用分布式設(shè)計，在軌微振動以及在軌光、機、熱等專業(yè)仿真分析方面耦合程度不高。由于衛(wèi)星姿態(tài)測量數(shù)據(jù)和成像載荷實際姿態(tài)運動存在的誤差，對載荷成像質(zhì)量等有一定的影響。針對以上問題，近年來國內(nèi)外各類遙感衛(wèi)星的研制中，不同程度地采用了一體化設(shè)計的方法，將平臺與載荷需要在總體、機械、電子、熱學(xué)等方面統(tǒng)籌設(shè)計[3]。本文在一體化數(shù)據(jù)處理流程研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合項目研究的需求，設(shè)計了一種高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的接收、處理等，可用于載荷平臺一體化研究。

1 總體設(shè)計

衛(wèi)星載荷平臺一體化數(shù)據(jù)處理平臺由振動測量模塊、衛(wèi)星綜合電子模塊、衛(wèi)星光學(xué)載荷和高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。各模塊之間通過CAN、RS-422等接口進行數(shù)據(jù)交互。其中:光學(xué)載荷模塊向數(shù)據(jù)處理模塊提供載荷圖像數(shù)據(jù)；綜合電子單元向數(shù)據(jù)處理模塊提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)數(shù)據(jù)和姿態(tài)控制數(shù)據(jù)；振動測量單元向所述數(shù)據(jù)處理模塊提供微振動測量數(shù)據(jù)；高速數(shù)據(jù)處理平臺用于完成載荷圖像、姿控、振動測量等數(shù)據(jù)的接收，并將上述數(shù)據(jù)融合處理復(fù)接后,通過以太網(wǎng)口送至上位機[4]。

高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具體功能需求如下：具備CameraLink圖像數(shù)據(jù)接收和處理功能；具備全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、姿控等數(shù)據(jù)異步RS-422數(shù)據(jù)接收能力；具備以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能；具備與其他設(shè)備CAN數(shù)據(jù)通信功能等。一體化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1中,綜合電子單元將接收到的秒脈沖(pulse per second,PPS)信號同時送至光學(xué)載荷、數(shù)據(jù)處理平臺等，保證與其他設(shè)備的時間同步性。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過CAN接口與綜合電子進行數(shù)據(jù)交互，接收綜合電子的控制指令，同時發(fā)送自身工作狀態(tài)遙測信息。

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 高速信號處理器

高速信號處理器作為數(shù)據(jù)處理單元的核心，考慮接口的豐富性和高速數(shù)據(jù)并行處理需求，選用XILINX公司Zynq-7000 All Programmable SoC系列XC7Z100-2FFG900I。該SoC除豐富的邏輯資源和高速串行資源外，內(nèi)部集成Dual-core ARM Cortex-A9 MPCore，主頻可以達到800 MHz處理器[5]，同時具備豐富的外設(shè)接口資源，可以滿足項目的需求。

XC7Z100的可編程邏輯(programmable logic,PL)部分完成與振動測量單元(同步串行接口)、姿控數(shù)據(jù)(異步串行接口RS-422)、圖像數(shù)據(jù)(Cameralink base模式)、PPS等數(shù)據(jù)或信號的接收，并對上述數(shù)據(jù)進行處理后按照特定幀格式送至處理器系統(tǒng)(pressing system,PS)部分，由ARM完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，或通過以太網(wǎng)接口傳輸至上位機進行處理。ARM通過CAN接口與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互。

振動測量、姿控數(shù)據(jù)、地面反演和圖像數(shù)據(jù)這四種數(shù)據(jù)類型中，圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)率較高。因此，設(shè)計中PS和PL均外接1 GB DDR3用于緩存數(shù)據(jù)。

XC7Z100的設(shè)計包括供電、時鐘、配置加載、存儲、外圍接口等。其中，ARM時鐘輸入范圍為30～60 MHz。平臺選用SiT8208系列50 MHz時鐘，輸出電平為低壓晶體管-晶體管邏輯(lovo voltage trandsistor-transistor logic,LVTTL)，頻率穩(wěn)定度20×10-6，具備超低的相位抖動(最大1 ps)。

2.2 存儲設(shè)計

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的存儲器主要有配置存儲器和高速緩存。配置存儲器用于程序的加載。由于XC7Z100配置文件大于16 MB，其回線串行外設(shè)接口(quad serial peripheral interface,QSPI)控制器的地址位寬為24 bit，支持以地址和數(shù)據(jù)位寬擴展方式，實現(xiàn)存儲空間的擴展。該設(shè)計中，采用兩片QSPI FLASH S25FL128SAGMFI00，以地址擴展方式連接。另外，外擴SD存儲器用來存儲操作系統(tǒng)鏡像等。

高速緩存包括PL和PS部分ARM的外部存儲，均采用2片16位DDR3 MT41K256M16TW組成1 GB存儲空間。其中，PS部分DDR3主要用于運行操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和緩存高速數(shù)據(jù)，PL部分高速緩存用于載荷圖像數(shù)據(jù)存儲。MT41K256M16TW的最高工作頻率為1 866 Mbit/s，容量為512 MB，工作電壓為1.35 V。

2.3 接口設(shè)計

2.3.1 Cameralink接口

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過Cameralink完成對光學(xué)載荷圖像數(shù)據(jù)的接收。CameraLink采用低壓差分信號LVDS傳輸數(shù)據(jù)。其硬件結(jié)構(gòu)分為三類：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(Base)、中間結(jié)構(gòu)(Medium)和完全結(jié)構(gòu)(Full)。數(shù)據(jù)處理平臺采用其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[6]。根據(jù)Cameralink 的硬件結(jié)構(gòu)分析，在系統(tǒng)輸入端選用一個3 MB的MDR26連接器構(gòu)建Cameralink的Base結(jié)構(gòu)，即可接收相機輸出的串行數(shù)據(jù)信號。Cameralink圖像接口組成如圖2所示。

圖2 Cameralink圖像接口組成框圖

Cameralink信號分為圖像數(shù)據(jù)信號、相機控制信號、異步串行通信信號和電源信號。視頻信號部分是CameraLink的核心。圖2所示的數(shù)據(jù)處理平臺采用DS90CR288A，將4對差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單端LVTTL的28位數(shù)據(jù)，并送至ZYNQ的PL部分。28位數(shù)據(jù)信號包括4位視頻控制信號和24位圖像數(shù)據(jù)信號。載荷控制信號采用DS90LV047A，將LVTTL信號轉(zhuǎn)換為LVDS信號。串行通信信號通過DS90LV019進行電平轉(zhuǎn)換。

DS90CR288A工作時鐘在20～85 MHz之間，單片最高數(shù)據(jù)吞吐率為2.38 Gbit/s。光學(xué)載荷圖像最大分辨率為1 024×1 024，AD分辨率為8 bit，使用最高幀頻為25 fps。因此，最大圖像數(shù)據(jù)速率約為210 Mbit/s，CameraLink base模式可以滿足使用要求。

2.3.2 同步串行接口

對外同步串行工作時序圖如圖3所示。

圖3 同步串行工作時序圖

同步串口用于接收振動測量單元輸出的測量數(shù)據(jù)(2 Mbit/s)，由時鐘、門控和數(shù)據(jù)組成。其采用SN55LVDS32W將差分LVDS信號轉(zhuǎn)換為LVTTL信號后送至現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)引腳，完成同步串口的數(shù)據(jù)接收處理。

2.3.3 其他接口設(shè)計

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與外圍其他設(shè)備還有RS-422和CAN接口。其中：RS-422用于姿態(tài)控制數(shù)據(jù)接收；與其他設(shè)備的信息交互采用CAN通信協(xié)議。CAN總線具有雙冗余的總線接口。

由于XC7Z100的PS部分ARM處理器集成2路具有1 Mbit/s傳輸速率、支持CAN2.0A和CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)的CAN控制器，因此增加CAN接口芯片即可。CAN收發(fā)器選用Philips的TJA1040T。由于PS部分MIO bank501接口輸出電平設(shè)計為1.8 V，TJA1040T接口電平為5 V，在兩者之間增加電平轉(zhuǎn)換芯片TXS0102DCUT以保證電平的匹配[7]。

RS-422接口實現(xiàn)采用PS端ARM處理器集成的2路UART控制器和FPGA擴展兩種方式，通過外接電平轉(zhuǎn)換SN74LVC16T245及RS-422接口芯片AM26C31QD和AM26C32QD實現(xiàn)[8]。

2.4 電源電路設(shè)計

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用12 V供電。主要器件電壓、電流需求如表1所示。

表1 主要器件電壓、電流需求表

從表1可以看出，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用的電壓種類較多。開關(guān)電源具有較高的轉(zhuǎn)換效率，LDO具有較高的噪聲抑制比。設(shè)計中，根據(jù)不同的功率需求，采用開關(guān)電源和低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator,LDO)相結(jié)合的方式完成平臺的供電。通過對工作電壓、輸出電壓、功率、效率等性能參數(shù)的對比，項目中采用單片四通道直流-直流轉(zhuǎn)換器(direct curient to direct current converter,DC/DC)穩(wěn)壓器LTM 4644實現(xiàn)。該芯片主要性能參數(shù)如下：每路輸出可提供4 A電流的四通道輸出降壓型μModule穩(wěn)壓器，4～14 V輸入電壓，0.6～5.5 V輸出電壓；每通道可提供4 A DC、5 A峰值輸出電流，可通過并聯(lián)提供更高的輸出電流；具有過壓、過流和過熱保護等功能，可以滿足多種工作電壓的需求。同時，外用MAX17510 LDO可實現(xiàn)對DDR3的供電。電源分配網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 電源分配網(wǎng)絡(luò)

圖4中，12 V電源輸入后，通過抗浪涌電路，并送入LTM4644，由LTM4644將12 V轉(zhuǎn)換為平臺需要1.0 V、1.5 V、1.8 V、3.3 V、5.0 V等。考慮到核電壓1.0 V工作電流較大，將LTM4644兩通道并聯(lián)以提供最大8 A的電流輸出能力，同時使用LTM4644的PGOOD和RUN引腳控制電壓的加電順序。

電源完整性對硬件性能有重要的影響，涉及電路系統(tǒng)中的電源和地之間的噪聲，包括供電電源軌道塌陷、地彈及電源噪聲引起的電磁干擾(electomagnetic interference,EMI)問題等[9]。因此，本設(shè)計在對各模塊供電電流作充分估計的基礎(chǔ)上，采取合理的印刷電路板(printed circuit board,PCB)疊層設(shè)計、電源層分割、多級電容并聯(lián)濾波等措施，保證電源完整性。

3 軟件設(shè)計

ZYNQ SOC軟件開發(fā)包括兩部分。

PL部分邏輯開發(fā)和PS部分程序開發(fā)。采用Xilinx提供的集成開發(fā)環(huán)境Xilinx Design Tools進行ZYNQ SOC開發(fā)，邏輯系統(tǒng)開發(fā)采用Vivado，軟件程序開發(fā)采用SDK工具[10]。

PL部分邏輯用于完成載荷圖像數(shù)據(jù)、三線制同步串口振動測量數(shù)據(jù)、RS-422接口姿控數(shù)據(jù)、PPS等數(shù)據(jù)或信號接收處理，并將上述數(shù)據(jù)融合處理后通過一定的數(shù)據(jù)幀格式統(tǒng)一處理后通過虛擬直接存儲器訪問(virtual direct memory access,VDMA)緩存到PS端DDR或通過先進可擴展接口(advanced extensible interface,AXI)總線送入PS部分。

ARM軟件程序包括硬件初始化程序、驅(qū)動程序及應(yīng)用程序。硬件初始化程序主要涵蓋ZYNQ啟動過程中處理器時鐘的配置、啟動外設(shè)的選擇、外部存儲器DDR3控制器的配置、數(shù)據(jù)Cache和指令Cache的開啟等。驅(qū)動程序中，PS部分外設(shè)采用SDK套件依據(jù)硬件系統(tǒng)生成的板級支持包，自定義外設(shè)的驅(qū)動參考板級支持包的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。應(yīng)用程序包括外部接口(包括UART、CAN、以太網(wǎng)等)初始化過程，通過不同方式完成圖像、振動、姿態(tài)控制等數(shù)據(jù)的接收、處理等，可采用ARM處理器實時處理或通過以太網(wǎng)接口發(fā)送至其他處理單元，完成載荷圖像的反演修正。

4 結(jié)論

本文結(jié)合衛(wèi)星平臺和載荷一體化技術(shù)研究需求，進行了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計，完成了高速信號處理器的選型、存儲、接口和電源分配網(wǎng)絡(luò)等設(shè)計。對平臺軟件進行了概要設(shè)計。該平臺具有豐富的對外接口，便于功能的擴展。目前，該設(shè)計已應(yīng)用于載荷平臺一體化項目研究和技術(shù)驗證中，處理器性能及數(shù)據(jù)接口等各項指標(biāo)滿足實際使用要求。遙感衛(wèi)星平臺載荷一體化設(shè)計技術(shù)是遙感衛(wèi)星總體設(shè)計的頂層系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為平臺載荷一體化的深入研究提供了重要的基礎(chǔ)平臺。