張妍 張亞波 李萌 孫靖

摘? 要：為了提高我國(guó)航天控制系統(tǒng)的自主可控能力，本文提出了基于SoC技術(shù)的航天控制系統(tǒng)發(fā)展策略，詳細(xì)介紹了SoC技術(shù)的基本概念、主要特性，以及對(duì)實(shí)現(xiàn)自主可控的航天控制系統(tǒng)的重要性，并提出SoC設(shè)計(jì)的整體流程及其質(zhì)量管理管理方案。本文從航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與及系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證兩個(gè)方面闡述了對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的驗(yàn)證方式，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

關(guān)鍵詞：SoC技術(shù)? 控制系統(tǒng)? 自主可控? 系統(tǒng)驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：V44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0004-03

Research on Strategy of Improving Autonomous Controllability of Aerospace Control System Based on SoC Technology

ZHANG Yan? ZHANG Yabo? LI Meng? SUN Jing

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076? China）

Abstract： In order to improve the autonomous and controllability of China's aerospace control system， this paper puts forward the development strategy of aerospace control system based on SoC technology. The basic concept and main characteristics of SoC technology and its importance to the realization of autonomous and controllable aerospace control system are introduced in detail. The overall process of SoC design and its quality management scheme are put forward. FINALLY， the verification method of the designed system is described from two aspects： SoC software and hardware function division and system level verification of aerospace control system， so as to ensure the stability and reliability of the system.

Key Words： SoC technology; Control system; Autonomous and controllable; System verification

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，航天技術(shù)充分結(jié)合并利用各個(gè)學(xué)科、門(mén)類(lèi)的發(fā)展，在相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)上都有了突破性的進(jìn)展。衛(wèi)星從最初的科學(xué)探究試驗(yàn)逐步走向了面向應(yīng)用的發(fā)展策略。目前，航天器已廣泛涵蓋了多種深空探測(cè)器、空間站及各種應(yīng)用衛(wèi)星等[1]。自Wiener創(chuàng)立的經(jīng)典控制理論以來(lái)，隨著工業(yè)及人們生活需求的不斷提升，控制理論正在朝著系統(tǒng)化、集成化、智能化的方向發(fā)展[2]。特別是在航天應(yīng)用領(lǐng)域，因我國(guó)國(guó)防安全的特殊要求，其控制系統(tǒng)智能化成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家國(guó)防能力的重要指標(biāo)。航天控制系統(tǒng)的可靠性與相關(guān)技術(shù)的自主可控能力已經(jīng)受到了各個(gè)國(guó)家相關(guān)科研人員的高度重視。

此外，雖然近年來(lái)我國(guó)的航天技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，但是由于我國(guó)對(duì)航天控制系統(tǒng)的研究起步較晚，目前依然存在控制系統(tǒng)儀器多、集成度低、可靠性差、部分高精尖技術(shù)依賴(lài)進(jìn)口、不可控等問(wèn)題。因此如何實(shí)現(xiàn)完全自主的設(shè)計(jì)并滿(mǎn)足符合我國(guó)航天設(shè)備型號(hào)需求的、適用于嵌入實(shí)時(shí)控制的產(chǎn)品是當(dāng)前面臨的最為迫切的問(wèn)題。在上述需求背景下，片上系統(tǒng)（SoC，System On a Chip）作為現(xiàn)代電子技術(shù)系統(tǒng)化、智能化發(fā)展的重要研究方向，將其與知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)相結(jié)合，為我國(guó)完成自主可控、靈活可靠的航天控制系統(tǒng)提供新的機(jī)遇。

1? SoC及其重要性分析

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，并結(jié)合微組裝、EDA等相關(guān)技術(shù)，可以將原傳統(tǒng)機(jī)箱搭建的電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨燃傻陌浻布δ艿碾娮有酒?，該芯片即為SoC。結(jié)合SoC技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，可以將所需的航天控制系統(tǒng)集成在一個(gè)或多個(gè)電路芯片上，以包含所需的飛控軟件、各類(lèi)電路的功能，該芯片即被稱(chēng)為片上控制系統(tǒng)。根據(jù)片上控制系統(tǒng)規(guī)模的大小，可以將其粗略的分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是將飛行控制軟件與功耗較低的電路集成在一定數(shù)量的SoC中，從而實(shí)現(xiàn)部分功能的集成，該類(lèi)方式被稱(chēng)為狹義的片上控制系統(tǒng);另一類(lèi)則是將控制系統(tǒng)的各部分模塊全部利用微硅的方式來(lái)集成，因此被稱(chēng)為完全片上控制系統(tǒng)[3]。

對(duì)于航天控制系統(tǒng)，利用SoC技術(shù)可以從特定的應(yīng)用出發(fā)，并將其嵌入到相應(yīng)的電控系統(tǒng)中，從而達(dá)到高度集成、可靠，且功耗低的目的[4]。具體來(lái)說(shuō)，SoC的主要特點(diǎn)可以總結(jié)為如下幾個(gè)方面。

（1）SoC涉及領(lǐng)域較廣、涵蓋技術(shù)眾多。例如，在航天控制系統(tǒng)的Soc與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成技術(shù)及諸多跨學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)具有較為密切的關(guān)系。

（2）由于高度的集成使得SoC的功能密度大、成本低。

（3）在航天控制系統(tǒng)中，SoC在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)與相應(yīng)的航天型號(hào)及應(yīng)用進(jìn)行緊密結(jié)合，確保其在有效的面積上，能夠高效、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及功能的集成。

（4）當(dāng)SoC設(shè)計(jì)完成之后，便很難進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。也就算說(shuō)其功能無(wú)法在后期進(jìn)行進(jìn)一步的修改與完善。因此在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)當(dāng)具備一套較為完善的SoC開(kāi)發(fā)工具、環(huán)境及驗(yàn)證手段，從而保證其產(chǎn)品的質(zhì)量。

由于SoC技術(shù)對(duì)于航天控制系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品能夠在性能、功耗等方面做出巨大的提升，因此近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注，為了提高我國(guó)航天控制系統(tǒng)的自主可控能力，對(duì)其進(jìn)行研究具有極其重要的意義與價(jià)值。

2? SoC設(shè)計(jì)流程及其質(zhì)量管理

2.1 SoC設(shè)計(jì)流程

關(guān)于航天系統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)，首先需要了解其詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程。圖1為SoC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的具體流程，即主要包括4個(gè)步驟。

2.1.1 系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

結(jié)合航天設(shè)備的具體型號(hào)及相關(guān)的應(yīng)用需求，完成所需的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并構(gòu)建相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中的軟件及硬件的特性，明確航天控制系統(tǒng)具體的功能，并通過(guò)任務(wù)書(shū)的形式，給出較為具體的用于分析其系統(tǒng)性能的詳細(xì)指標(biāo)[5]。

2.1.2 方案論證和設(shè)計(jì)

結(jié)合步驟（1）給出的任務(wù)書(shū)，確定相關(guān)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)，并完成SoC芯片的總體方案設(shè)計(jì)。通過(guò)分析和驗(yàn)證明確芯片的功能規(guī)格、靜電防護(hù)、核心處理器的選用、不同子模塊的IP核，及國(guó)產(chǎn)化需求等。

2.1.3 芯片ASIC設(shè)計(jì)

根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，完成SoC源代碼編寫(xiě)、仿真測(cè)試、布局布線等相關(guān)設(shè)計(jì)與測(cè)試，并對(duì)芯片進(jìn)行封裝與生產(chǎn)。

2.1.4 測(cè)試與應(yīng)用

對(duì)所設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的芯片進(jìn)行完善的測(cè)試，主要包括功能的完整性與可靠性測(cè)試、詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)驗(yàn)證、系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)品鑒定與應(yīng)用[6]。

2.2 SoC研制質(zhì)量管理

SoC的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)航天設(shè)備穩(wěn)定性及可靠性，任何的故障都可能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)SoC研制過(guò)程中每一步的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制與管理具有非常重要的意義。應(yīng)結(jié)合圖1所示的研制流程圖及具體的航天設(shè)備需求，制定詳細(xì)的質(zhì)量管理及評(píng)分手冊(cè)，只有在當(dāng)前設(shè)計(jì)步驟滿(mǎn)足規(guī)定得評(píng)分要求時(shí)，才能進(jìn)入下一階段，并在合理的研制節(jié)點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)需求，組織相關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行復(fù)查與驗(yàn)收工作，從而有效地減少個(gè)別人為因素導(dǎo)致的評(píng)審不規(guī)范問(wèn)題。

SoC源代碼主要是通過(guò)VHDL或Verilog HDL語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)的，其在很大程度上直接決定了航天控制系統(tǒng)的功能的實(shí)現(xiàn)及性能的優(yōu)劣。對(duì)于諸如針對(duì)衛(wèi)星、彈載等航天設(shè)備開(kāi)發(fā)的源代碼主要采用A級(jí)軟件管理，而如果是對(duì)地匝測(cè)試設(shè)備等應(yīng)用所開(kāi)發(fā)的SOC代碼，則通過(guò)B級(jí)軟件管理。

3? 航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與驗(yàn)證

3.1 軟硬件功能調(diào)試及劃分

SoC的設(shè)計(jì)復(fù)雜度、集成度很高，主要包括系統(tǒng)分析、規(guī)范描述、系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證三大方面。利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行軟硬件劃分、確定模塊功能和體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)SoC的設(shè)計(jì)，必須按照設(shè)計(jì)重用和IP組裝的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，即可提高效率。劃分過(guò)程非常重要，該過(guò)程要對(duì)模塊劃分、模塊接口、處理性能等進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)降低功耗，保持信號(hào)完整，交流溝通順暢，設(shè)計(jì)收斂。需要注意的是，此劃分過(guò)程全部在EDA環(huán)境中進(jìn)行，首先進(jìn)行系統(tǒng)分析和系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，再經(jīng)過(guò)有限次迭代。為完成好這些步驟，前端和后端必須實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)，時(shí)域必須性能優(yōu)良，總線設(shè)計(jì)整體調(diào)試方便，設(shè)計(jì)使用恰當(dāng)，保證后期的迭代次數(shù)減少，以完成正確的系統(tǒng)規(guī)格（System specmcation）。

3.2 SoC系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證

系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證貫穿SoC設(shè)計(jì)整個(gè)流程，主要包括驗(yàn)證規(guī)劃、IP核驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證等部分。

首先，完整的驗(yàn)證規(guī)劃主要包括對(duì)模塊和頂層的測(cè)試策略;SoC設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的驗(yàn)證，嚴(yán)格要求設(shè)計(jì)需求和規(guī)范，把系統(tǒng)級(jí)的功能驗(yàn)證和時(shí)序驗(yàn)證作為最重要的部分。從第一步驗(yàn)證規(guī)劃開(kāi)始就進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證，方便與設(shè)計(jì)師進(jìn)行及時(shí)交互，作為驗(yàn)證過(guò)程的說(shuō)明書(shū)，保證整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程具有較強(qiáng)的可讀性及易用性。

其次，IP核驗(yàn)證作為整個(gè)系統(tǒng)驗(yàn)證的前提條件，其主要作用是用于驗(yàn)證IP功能及時(shí)序的正確性。為了避免由于當(dāng)前航天控制系統(tǒng)功能的不斷增加，導(dǎo)致時(shí)序驗(yàn)證的復(fù)雜度成指數(shù)性增長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)建立相應(yīng)的驗(yàn)證規(guī)范與計(jì)劃。

功能驗(yàn)證最初是用直接測(cè)試向量進(jìn)行的，但是這種方法存在很多的弊端，如耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、投入精力多、覆蓋率低、操作繁瑣。因此，只能滿(mǎn)足相對(duì)簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低的系統(tǒng)。隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的增大，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展了更為方便地約束隨機(jī)測(cè)試，此方法仍然包括語(yǔ)言、平臺(tái)和方法3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。作為驗(yàn)證中最復(fù)雜，工作量最大也最靈活的部分，該方法大大縮短了驗(yàn)證時(shí)間，而且覆蓋率高，以基于斷言的驗(yàn)證方法為例，其利用約束隨機(jī)測(cè)試向量可以對(duì)輸入的期望行為進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，從而利于描述設(shè)計(jì)中的一些復(fù)雜關(guān)系。

最后，對(duì)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)現(xiàn)基于SoC技術(shù)的自主可控航天控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在確保基于SoC的功能性完整之外，還需要對(duì)其在特定環(huán)境中的工作性能及穩(wěn)定性進(jìn)行分析與驗(yàn)證。例如，通過(guò)強(qiáng)電磁脈沖干擾等環(huán)境，對(duì)其工作性能進(jìn)行驗(yàn)證。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)如何提高我國(guó)航天控制系統(tǒng)自主可控能力的策略問(wèn)題，研究了基于SoC技術(shù)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證方式，闡述了SoC的基本概念及其對(duì)實(shí)現(xiàn)自主可控的航天控制系統(tǒng)的重要意義，并提出了SoC設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程，明確了其質(zhì)量管理的必要性。最后，為了保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，總結(jié)概括了航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與驗(yàn)證方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)自主可控的航天控制系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

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