微小衛星星務分系統的硬件設計與實現

張景楠 ， 李華旺 ， 朱 野

（1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050；2.上海微小衛星工程中心，上海 200120）

星務分系統是小衛星信息系統核心，負責衛星的任務調度和綜合信息處理工作[1]。早期的通信衛星僅僅起到無線電通信的中繼作用[2]，對衛星采集到的數據不做任何處理就進行下發，衛星所能完成的工作有限，處理數據需要地面站的配合。因此有必要設計與實現衛星星務分系統，以提高衛星的自主性和智能化。衛星星務分系統是整星的管理和控制核心，負責完成各種飛行管理工作，星上時間管理并完成整星校時、自主運行模式控制和管理、衛星姿態控制算法實現、遙測數據組幀存儲、遙控指令解析執行等。

本文充分分析衛星其他各個分系統對星務分系統的需求，并結合星務分系統的任務要求，綜合考慮各個硬件協同的工作[3]，以達到滿足總體對星務分系統的各項功能與性能指標的要求。

1 星務分系統的功能需求

衛星是由完成規定任務所必需的專用系統和通用系統組成[4]。根據星務分系統的任務要求，硬件為軟件的執行提供數據處理的運算和存儲支持，為星上設備的通信接口和數據傳輸提供通路。對星務分系統的功能分析可以從硬件需求的各個方面進行分析和功能的初步劃分。

微小衛星星務分系統的任務對硬件的需求主要包括：數據存儲和運算能力的需求以及系統硬件接口的需求。

1.1 存儲和運算能力的需求

微小衛星星務分系統需要完成衛星遙控指令的執行，遙測數據的采集，姿控算法的實現，整星飛行模式的控制，系統級的可靠性管理與異常情況下的系統恢復能力設計，因此需要星上具有一定的處理能力來完成所有功能所需的運算。為完成數據的處理、算法的執行，星上遙控指令和遙測數據的緩存，星上工作模式程控數據表的存儲，注入程序的運行，星務分系統需要提供足夠的存儲能力用于完成分系統的任務。

1.2 系統硬件接口的需求

為實現星上設備的控制和管理，星務分系統需要根據各個設備的接口特性設置與之相匹配的接口用于完成星上設備數據的接收和發送，控制指令的發送和遙測數據的采集。根據星上設備的接口形式，星務分系統需要提供數字量輸入輸出接口、模擬量輸入接口（包含熱敏電阻通道）、模擬量輸出接口、RS422接口、1553B接口、同步串口等各種類型的硬件接口。

2 星務分系統實現

2.1 星務分系統的架構

星務分系統主要由處理器模塊、模擬量模塊、星內通信模塊、數字量模塊、總線模塊、電源模塊、遙控模塊等組成，為衛星星務管理提供可靠的運行平臺。星務分系統組成框圖如圖1所示。

2.2 處理器模塊設計

處理器模塊 （CPU）是計算機的數據處理核心，主要由TSC695F及其必要的外圍電路、程序存儲器與數據存儲器、看門狗電路以及其他外部接口電路組成。CPU模塊的功能框圖如圖2所示。

圖1 星務分系統組成框圖Fig.1 House keeping system block diagram

圖2 處理器模塊原理框圖Fig.2 Schematic diagram of processor module

TSC695F的外部輸入時鐘設計為48 MHz，工作時鐘為24 MHz。

存儲器容量的設計指標為：程序存儲區128 kB、數據存儲器4 MB（帶EDAC）。數據存儲器用SRAM，具有EDAC功能，如果空間環境下數據出現一位錯，系統可以檢測并糾正，不影響系統的正常運行。

看門狗使用外部電路生成，是雙機之間發生切換的主要判據，即當看門狗電路沒有被及時清除，就會發生一次看門狗狗咬事件[5]。

復位電路選用專用的具有上電復位和指令復位功能的器件實現整個計算機系統的復位功能，可以接收系統的直接遙控指令復位，在上電復位和指令復位時，電路輸出200 ms低電平復位脈沖對處理器系統復位，處理器在該復位信號的作用下輸出計算機系統復位指令，完成對整個計算機系統的復位。星地調試串口利用了處理器自身集成的兩路異步串口之一，用于檢測星上運行狀態，以標準RS422方式提供系統使用。

2.3 模擬量模塊設計

模擬量模塊實現模擬量采集任務，系統需求的模擬量采集數量為較多，在系統設計時，單機共設置了兩個標準模塊實現模擬量采集和電壓量輸出的任務。每個模擬量模塊的模擬量采集包括電壓量和溫度量采集，均通過模擬開關以差分方式輸入給A/D轉換器進行轉換。模擬開關器件輸入信號過壓能力可達到±35 V，并且具有優異的抗閂鎖功能。A/D轉換器具有采樣保持功能。模擬量模塊的原理框圖如圖3所示。

圖3 模擬量模塊原理框圖Fig.3 Schematic diagram of analog module

2.4 星內通信模塊計劃

星內通信模塊其功能主要包括異步通信、同步通信、中斷管理、時間管理等，對外接口包括異步串行通訊、同步串行通訊、時鐘輸入接口。該模塊主要由FPGA、RS422接口芯片、電平轉換芯片、三線制輸入輸出接口等組成。模板的電路結構簡圖如圖4所示。

圖4 星內通信模塊原理框圖Fig.4 Schematic diagram of intra-satellite communication module

2.5 數字量模塊設計

該模塊包括了雙機所有數字量的輸出，驅動接口一部分輸出用于控制功率輸出電路，一部分輸出正脈沖控制信號，有1路用于對方機斷電，2路用于器件復位，還有一部分連接計算機對外接口，驅動其它設備的繼電器等控制對象。圖5所示為單機開關量輸出原理框圖。為了防止系統上電瞬間指令誤輸出，設計中指令輸出鎖存器受到指令輸出允許信號的控制，所以軟件在完成所有指令初態的設置和初始化工作后，方可發出指令輸出允許信號。

指令輸出可以設置為脈沖輸出或者電平輸出，脈沖寬度的時間參數根據接口數據單的約束進行設計。

圖5 數字量模塊原理框圖Fig.5 Schematic diagram of digital module

2.6 總線模塊設計

該模塊實現系統總線功能。系統總線功能由1553B總線[6-8]控制器和隔離變壓器等組成，使用器件為BU-61580和B-3226。1553B總線控制器采用DDC的61580作為協議控制器，主CPU以存儲器方式控制與訪問61580，為BC模式，信息格式、通信協議等滿足MIL-STD-1553B標準的規定。

2.7 電源模塊設計

電源模塊是將系統母線電源轉換成內部工作所必須的工作電源。模塊由繼電器、模塊電源等電路組成。直接指令和自主切換指令通過繼電器控制單機的加、斷電狀態。供電系統從母線入口到各單機系統，分成兩路相互獨立的通道，一個通道對應了計算機主機，另一個通道對應了計算機備機。

2.8 遙控模塊設計

遙控模塊完成遙控單元功能，獨立于計算機系統，是星務計算機的重要部件，其功能是：正確接收解調器輸入的遙控PCM編碼信息，完成遙控信號的幀提取，根據遙控信息幀中的方式字識別是直接指令還是注入數據（包括間接指令），對于直接指令則送直接指令譯碼、執行電路，對注入數據則對信息幀進行解幀、校驗、譯碼，對指令正確可靠執行，對注入數據則送目的單機或部件。遙控單元A、B機是熱備份的。

3 結束語

本文針對星務分系統的功能需求，采用模塊化的設計方針；詳細闡述了星務分系統各個硬件模塊的實現原理，給出了各個模塊的結構框圖，為星務分系統的設計提供了一種新的設計思路，對今后微小衛星星務分系統的硬件設計提供了建設性的意見，具有重要的參考意義。

[1]史簡，宋智，李國軍.“天繪一號”衛星星務分系統研究與實現[J].遙感學報，2012，74（4）：74-77.SHI Jian，SONG Zhi，LI Guo-jun.Implementation of mapping satellite-1’s house keeping system[J].Journal of Remote Sensing，2012，74（4）：74-77.

[2]程光明，廖明宏，吳翔虎，等.小衛星星載計算機及其外圍設備的管理[J].哈爾濱工業大學學報，2012，34（2）：201-203.CHENG Guang-ming，LIAO Ming-hong，WU Xiang-hu，et al.Management of onboard computer and its peripherals[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2012；34 （2）：201-203.

[3]李興華.嵌入式系統和小衛星星務管理系統[J].紅外月刊，2000（11)：7-15.LI Xing-hua.House keeping management system of micro satellite and embedded system[J].Infra-red Monthly，2000（11）：7-15.

[4]李孝同.小衛星星務管理技術[J].中國空間科學技術，2001（1）：29-36.LI Xiao-tong.Satellite keeping technology of small satellite[J].Chinese Space Science and Technology，2001 （1）:29-36.

[5]韋兆碧，馬志瀛，謝勝民，等.小衛星星務計算機可重構硬件平臺的研究[J].哈爾濱工業大學學報，2005，37（6）:858-860.WEI Zhao-bi，MA Zhi-ying，XIE Sheng-min，et al.Research on reconfigurable hardware platform of small satellite housekeeping computer[J].Journal of Harbin Institute of Technology；2005，37（6）：858-860.

[6]顧明劍，殷德奎.1553B總線控制方法研究[J].紅外月刊，2004（12）：21-27.GU Ming-jian，YIN De-kui.Research on bus control method on 1553B[J].Infra-red Monthly，2004（12）：21-27.