一種星載電子設備嵌入式集成管理單元設計

劉朋 施思寒 謝斌 趙志明

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

傳統衛星研制模式中，星載電子設備大多基于獨立的功能元器件設計，不同單機研制的設計理念和實現差異較大，模塊通用性差，系統集成時，容易出現電子系統間的兼容性問題，且問題相互疊加影響，難以定位，阻礙衛星實現快速集成和應用。電子設備內的應用軟件由不同研制單位針對具體衛星專門開發，通信協議軟件實現細節各不相同，功能軟件可移植性差，軟件開發過程滯后，不同衛星的電子設備軟件都需要重新評測，軟件研發周期延長。因此，軟硬件架構不統一，通用性差，難以滿足不同衛星的批量化實現快速接入和應用需求。

隨著集成電路技術的進步，電子產品小型化、微型化趨勢要求微電子技術的不斷微小型化，促進了系統級封裝(System in Package，SIP)技術的發展，SIP設計和生產過程中使用了先進的系統設計方法：分割(partitioning)與整合、覆晶、鍵合(wire bonding)、芯片多層堆疊、高密度粘接和最佳化的測試方法等技術。基于SIP技術的器件有利于減少星上電子元器件規模和體積，降低星載設備的功耗，同時促進星載電子系統設計標準化，加速星載管理設備的研制進度，保障星載管理硬件的研制質量。基于SIP技術，歐洲的微系統封裝32位計算模塊(MCMERC32)單元集成了中央處理器(CPU)、靜態數據存儲器(SRAM)、動態數據存儲器(DRAM)以及總線、實時時鐘(RTC)等資源，質量150 g，功耗12 W，抗輻照值為30 krad。NASA戈達德宇航中心為促進即插即用的發展，基于SIP技術研制了關鍵服務單元(Essential Servers Node,ESN)，通過ESN嵌入各分系統，將分系統標準化的接入衛星總線。ESN包含了微處理器、MIL-STD-1553B以及MIL-STD-1773接口、數據存儲器(SRAM)、16路模數轉換器(AD)采集電路等，ESN功耗設計小于1 W，尺寸為66.04 mm×66.04 mm×7.62 mm。

我國的快速響應、商業遙感等衛星對星上電子設備接入管理的靈活性，電子設備功能密度、可靠性以及成本等提出了新的要求，需要進一步研究電子系統的集成設計方法，開發星載通用電子設備接口與管理技術[1-2]。基于國內外衛星電子設備接口管理技術發展的現狀，本文研究并驗證一種星載電子設備嵌入式集成管理單元設計方法，將衛星電子設備的運算載體、通信載體、遙測信息采集載體、遙控執行載體、程序和狀態數據存儲載體集成到統一的嵌入式管理單元中，實現了衛星單機接口與管理硬件的統一。通過集成嵌入式實時操作系統、測、控、管等功能軟件中間件，構建和實現了調度管理和基礎應用軟件的統一。

1 嵌入式集成管理單元總體設計

如圖1所示，基于微系統封裝集成設計和軟件中間件進行快速復用的思想，結合對衛星下位機、部組件的通用性接口與管理需求，嵌入式集成管理單元采用分層式總體架構，軟件系統構建于硬件系統之上。在硬件模塊上構建底層驅動中間件，將軟件開發與硬件時序和寄存器細節剝離。基于驅動中間件，構建操作系統微內核，在內核層實現任務調度、任務通信、中斷管理、時間管理中間件。構建用戶層軟件中間件，實現遙測、遙控、熱控、軟件更新中間件。在中間件基礎上，構建遙測、遙控、電源管理等各類應用程序，進而實現最頂層的各類衛星工程化應用。

圖1 嵌入式集成管理單元功能需求Fig.1 Embedded integrate management unit function requirement

嵌入式集成管理單元硬件總體功能構成如下：星載抗輻照中央處理器(CPU)、程序存儲器(FLASH)、數據存儲器(SRAM)、總線控制及驅動接口電路(CAN)、異步串行通信接口(Uart422)、同步串行通信接口(SPI)、指令控制及驅動接口電路(OC)、模數轉換控制及驅動接口電路(AD)、數模轉換控制及驅動接口電路(DA)、脈沖驅動接口(PWM)、、通用輸入輸出接口(GPIO)、定時器(Timer)、在線調試模塊等。嵌入式集成管理單元軟件總體功能構成如下：任務調度、任務通信、中斷管理、時間管理、遙測中間件、遙控中間件、熱控中間件、軟件在軌更新中間件、底層驅動中間件、嵌入式測試中間件[6]等。

1.1 嵌入式集成管理單元硬件功能總體設計

嵌入式集成管理單元在接口上集成衛星通信的CAN、422、SPI、PWM等各類總線接口資源，在功能上集成CPU、FLASH、SRAM、OC、AD、DA、Timer模塊，將星載衛星分系統和部組件的運算、通信、信息采集與處理、監控等管理功能集成到嵌入式集成管理單元中，將嵌入式集成管理單元打造為衛星通用的硬件接口與測量管理單元[3-4]。

1.2 嵌入式集成管理單元軟件功能總體設計

基于通用軟件開發框架實現軟件開發的平臺統一，實現應用與操作系統、應用與硬件設備、應用與通信協議的隔離。整星各部組件、單機與星務系統數據通信協議、任務調度、軟件升級與更新、異常處理與搶救、自主測試與管理通過通用軟件開發框架統一實現，進而實現星上電子設備研制只需要開發關鍵的頂層應用軟件即可，從而實現快速研發、快速集成、快速測試和快速發射應用[5]。

2 嵌入式集成管理單元設計實現

2.1 嵌入式集成管理單元的硬件設計

嵌入式集成管理單元的硬件設計如圖2所示。采用微系統集成技術，將中央處理器、FLASH存儲器、SRAM存儲器、信息處理相關的運算放大器、模擬開關、譯碼器、電平轉換電路、驅動電路封裝到同一混合電路標準件中。采用工藝、版圖、布局布線、電路、檢錯糾錯(EDAC)等多層次設計加固措施，提高管理接口單元的可靠性和對空間環境的適應性[6-7]。

圖2 嵌入式集成管理單元的硬件設計圖Fig.2 Embedded integrate management unit hardware design

2.2 嵌入式集成管理單元中央處理器設計

嵌入式集成管理單元內部集成的中央處理器采用0.18 μm抗輻照工藝。如圖3所示，在中央處理器內部集成高速8051內核CPU、數據存儲器、2個12位AD轉換控制器、4路11位DA轉換控制器、4路CAN總線控制器、4路Uart422控制器、5路定時器、3路SPI、32路GPIO(P0～P3)、特殊寄存器(SFR)總線。

基于精簡指令集，CPU機器周期由2個時鐘周期組成，從而可快速、無等待地訪問ROM或RAM。支持在線調試，支持程序的單步、連續、斷點執行，支持SFR及數據存儲器的讀寫，兼容通用的可視化Keil集成開發環境[8]。

圖3 中央處理器內部框圖Fig.3 Central processor blocked diagram

2.3 嵌入式集成管理單元嵌入式實時操作系統微內核設計

基于嵌入式實時搶占式內核，實現了對任務上下文的現場保存和恢復，在任務被剝奪控制權時保存任務執行狀態，在任務重新調度執行時，恢復任務執行狀態[9]。

基于快速查找表的任務調度算法，任務調度算法從當前可運行的任務中根據某個策略提取一個可運行的任務在處理器上運行。基于互斥信號量的任務同步機制，任務的通信通過系統在內核的全局變量實現，避免了通用操作系統在設計郵箱，隊列等對內核的負擔和開銷。實現了用戶級任務擴展機制，考慮到應用層用戶任務的多樣性，定義好的用戶任務擴展方式，可加速軟件開發進度，保障系統穩定性[10]。用戶任務擴展模式如圖4所示。

圖4 用戶任務擴展模式Fig.4 User task extension mode

2.4 嵌入式集成管理單元功能軟件中間件設計

嵌入式集成管理單元通用軟件包含五類功能軟件中間件。遙控中間件面向底層實現對總線遙控數據接收、協議處理，解碼、分類和應答，嵌入式集成管理軟件接收遙控輸入，處理自身的虛擬指令，通知和分發分系統的間接指令，用戶行為的控制權掌握在管理軟件控制之下。面向應用層軟件自主實現地面上注遙控指令的信息交互和調度管理[11]。遙測中間件將CAN上信息流和控制流的接收和解碼抽象出來，剝離遙測數據的同步、編碼、組幀，將分系統遙測數據的回送過程封裝，面向應用層設計的只是遙測數組。抽象程序控制，用戶按需設計任務并按照系統的任務同步特性設置信號量，任務的調度執行由嵌入式集成管理軟件本身完成。抽象底層硬件設備，面向用戶的只是各硬件設備的接口函數。嵌入式集成管理軟件追求的一個目的就是盡量避免用戶直接操作硬件寄存器，減少系統的誤配置和誤操作同時加速底層程序開發。抽象嵌入式集成管理單元的自測試，實現了嵌入式集成管理單元自主測試任務，快速測試嵌入式集成管理單元的模塊健康狀態，給出封裝各模塊的健康狀態標識。

3 嵌入式集成管理單元設計驗證

3.1 設計結果

嵌入式集成管理單元目前已經在我國首個0.5米級商業遙感衛星星座(高景一號)、珠江一號視頻星座等十余顆小衛星上使用，在軌使用數量已超過70片。嵌入式管理單元模塊封裝照片如圖5所示，外形尺寸為45 mm×45 mm×13 mm。

圖5 嵌入式集成管理單元實物照片Fig.5 Embedded integrate management unit photo

如表1所示，以CAST2000小衛星平臺星載測控應答機為例(傳統設計)，將傳統設計方法與本文嵌入集成管理單元的應答機比較。

表1 嵌入集成管理單元的單機與傳統單機比較

如表2所示，傳統基于VxWorks系統和本文軟件設計的性能比較，本文任務調度內核較VxWorks更為精簡。通過對高景一號星座星地測控應答機和能源管理單元下位機的軟件統計，軟件中間件可以節省傳統下位機80%以上的軟件研制工程量。

表2 與VxWorks操作系統的軟件性能比較

3.2 設計特點

(1)采用微系統封裝技術，有效減少設備體積和質量：通過SIP技術將構成系統的各功能裸片和調理電路在基板上封裝、鍵和。將傳統單機多個板卡實現的功能通過標準的嵌入式集成管理芯片中實現，有效降低設備體積，縮短研制過程中的硬件電路的調試周期。

(2)集成通用的操作系統微內核和功能軟件中間件，提高軟件復用率，減少軟件開發的工程量：提供統一的多任務實時開發環境，實現通用的任務擴展與調度保障衛星各分系統測控管理的統一性和可靠性。通過統計，通用的軟件可以節省傳統下位機(應答機下位機、配電下位機等)80%以上的軟件研制工程量，加速整星研制和測試進度。

(3)優化衛星電子系統研制模式，縮短研制流程：傳統衛星研制模式中，需要安排3～5天數管計算機與接入星上網的各下位機桌面聯試的流程，以驗證星上總線各節點的通信協議和時序正確。嵌入集成管理單元的單機因為封裝了統一的軟件協議和硬件接口，可以節省實驗室接口測試的流程，避免整星集成過程中的可能引入的問題，提高研制效率。

4 結束語

本文設計的嵌入式集成管理單元通過將14類硬件功能集成，形成了統一的硬件開發模塊；通過將9類功能軟件集成，形成了統一的軟件開發框架。通過高景一號等星座的研制表明，嵌入式集成管理單元的應用可以減少單機質量58%，減少單機體積52%。基于本文的集成軟件框架可以減少傳統下位機軟件開發80%的工程量，加快衛星研制的進度。此嵌入式集成管理單元在硬件上集成通用的電路模塊，在軟件上復用中間件的設計理念，以及在工程上成功推廣應用的情況可以為后續分布式衛星電子系統的研制提供參考。