隨著航天技術(shù)的進步，空間科學實驗的需求日益增多,。我國已經(jīng)發(fā)射了實踐系列科學試驗衛(wèi)星[1],，在神舟飛船上也進行了大量的空間科學實驗。為了保證實驗的成功,，航天科技人員采用了多種可靠性技術(shù)以提高航天計算機系統(tǒng)的可靠性,，如冷熱備份技術(shù)、多數(shù)選舉技術(shù)等,。在我國的螢火一號探測器設(shè)計上,，載荷配電器采用了熱備份方式[2]，而美國的SERVIS-2衛(wèi)星也使用了類似多數(shù)選舉系統(tǒng)的容錯技術(shù)實現(xiàn)高可靠的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[3],。
    然而,采用此類熱備份技術(shù)保障系統(tǒng)可靠性的同時也帶來了功耗過大等問題,；而冷備份在切換后主系統(tǒng)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和狀態(tài)將會丟失,無法完成控制進程的繼承。溫備份技術(shù)可以使個別公用部件處于加電工作狀態(tài),，定期地保存主系統(tǒng)運行中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和狀態(tài),，當主系統(tǒng)發(fā)生故障并切換至備份系統(tǒng)后，備份系統(tǒng)即可迅速自主地完成恢復運行,，是對熱備份和冷備份冗余的改進[4],，系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵在于采用高可靠存儲器來保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本文提出的新型溫備份方案不但減少了高可靠存儲器的使用,，而且與標準溫備份系統(tǒng)相比具有更高的可靠性,。
1 系統(tǒng)功能和性能
    空間科學實驗控制器可提供以下4種功能[5-6]:
    (1)對實驗設(shè)備的控制功能?？蓪﹄姍C,、繼電器等進行控制，包括8路數(shù)字開關(guān)量輸出,、4路PWM輸出,。
    (2)遙測功能，可對電壓,、電流,、溫度,、壓力、開關(guān)狀態(tài),、數(shù)字量等提供實時遙測服務(wù),，包括8路12位采樣率為200 KS/s的模擬采樣、8路數(shù)字開關(guān)量的輸入,。
    (3)數(shù)傳和復接能力,。能夠為需要下傳的大量數(shù)據(jù)(如視頻圖像等)提供數(shù)傳和復接服務(wù),包括2路LVDS信號的復接、2路UART和2路SPI接口,。
    (4)控制科學實驗進程的程序上載功能,。空間科學實驗控制器的程序可以在軌期間通過串行接口進行更新,。
    在保證控制器以上4種功能的基礎(chǔ)上,，本控制器還具有以下特性：(1)高可靠性。選用EP等級器件以減小器件故障率,采用新型溫備份技術(shù)提高系統(tǒng)可靠性,。(2)低功耗,。選用低功耗器件并采用低功耗技術(shù)降低系統(tǒng)功耗,，系統(tǒng)運行時最大功耗為0.4 W,。(3)小體積。(4)可擴展性,。FPGA內(nèi)部使用ARM Coretex-M1處理器IP核可以使協(xié)處理器提升整個控制器的性能,使用以太網(wǎng)IP核擴展以太網(wǎng)接口等,。
2 硬件設(shè)計
2.1 基于MCU與FPGA的控制器核心
    控制器的核心采用了基于MCU與FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示,。MCU負責實驗進程的控制和數(shù)據(jù)的采集,，包括串行通信、模擬信號(溫度,、壓力等)的采集,、數(shù)字開關(guān)信號的輸入輸出、PWM輸出(用于溫度控制或電機驅(qū)動等實驗執(zhí)行設(shè)備),；FPGA負責高速數(shù)字信號的復接與傳輸,，其中使用了低壓差分信號傳輸技術(shù)來傳輸信號。

　MCU選用德州儀器公司的MSP430F249-EP,，它具有4種低功耗模式,，在最低功耗模式下只需0.1 μA的電流即可維持RAM中的內(nèi)容，從低功耗模式切換回工作模式不超過1 μs,。即便在工作模式下,，MCU消耗的電流也僅為250 μA/MIPS。另外,，該MCU具有存儲器和豐富的外設(shè),，通用輸入輸出引腳可以配置為UART,、I²C、SPI串行通信接口,，PWM輸出和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入;同時,，MCU可以通過JTAG和BSL兩種方式進行程序下載,其中BSL方式采用了UART串行接口，適合于MCU在軌期間的程序上載,。MCU選用了相對廉價的EP等級的器件,，EP器件已通過AQEC標準(ANSI/GEIA STD-0002-1),該標準保證了EP器件達到了在軍事、航空航天等嚴酷環(huán)境下的使用要求,。在實踐八號科學試驗衛(wèi)星的池沸騰實驗中,，MSP430F249-EP作為實驗控制器成功地完成了預期的實驗任務(wù)。
　FPGA選用Actel公司基于Flash技術(shù)的超低功耗IGLOO系列M1AGL600V2,?；贔lash技術(shù)的FPGA與基于SRAM技術(shù)的FPGA相比除了具有較高的可靠性(如具有較高的對抗單粒子效應(yīng)的特性)之外，在同等資源的情況下電池續(xù)航時間是基于SRAM技術(shù)的FPGA的8倍[7],。IGLOO系列FPGA獨特的超低功耗Flash*Freeze模式可以將器件功耗降至5 μW,。在該模式下，所有的時鐘和FPGA內(nèi)核的輸入處于關(guān)閉狀態(tài),，僅保持寄存器及SRAM中的內(nèi)容,所有的引腳均處于高阻態(tài),。從Flash*Freeze模式切換回工作模式只需1 μs。
　　MCU除通過1路SPI通道與FPGA進行通信之外,，還通過通用輸出引腳控制FPGA的超低功耗使能引腳使得FPGA進入或者退出超低功耗模式,，從而控制FPGA進入工作狀態(tài)或休眠狀態(tài)。另外,，兩個MCU之間的通信使用增強并行口EPP協(xié)議,，完成實驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)和進程信息的備份。該協(xié)議具有500 KB/s~2 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率和編程方便靈活等特點[8],可以滿足備份的速率要求,。
　由于主系統(tǒng)與備份系統(tǒng)的接口信號都連在一條總線上,，為了保證處于休眠和掉電狀態(tài)的備份系統(tǒng)的引腳信號不影響總線上的信號，要求主備份系統(tǒng)的FPGA與MCU連在總線上的引腳必須處于高阻態(tài),。IGLOO系列FPGA所有的引腳在休眠和掉電狀態(tài)下處于高阻態(tài),，而MSP430所有的引腳在休眠狀態(tài)下則保持不變，因而在MCU與總線的連接中間需插入隔離電路,，以保證備份系統(tǒng)的MCU不會影響總線信號,。
2.2 可靠性設(shè)計
　本文采用的新型溫備份技術(shù)與標準的溫備份技術(shù)不同，它沒有使用共享RAM來定時存儲實驗關(guān)鍵數(shù)據(jù),，而是采用加電的備份系統(tǒng)MCU來進行存儲,。標準溫備份系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。備份系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下處于休眠狀態(tài),，消耗極少的功耗,。

   新型溫備份系統(tǒng)比標準溫備份系統(tǒng)有更高的可靠性,。使用旁聯(lián)模型對兩者進行任務(wù)可靠性建模，模型如圖3,、圖4所示[9],。

　盡管旁聯(lián)模型可以大大提高系統(tǒng)的可靠度，但是增加了故障檢測與轉(zhuǎn)換裝置而加大了系統(tǒng)的復雜度,，而且要求故障檢測與轉(zhuǎn)換裝置的可靠度非常高,，否則冗余帶來的好處會被嚴重削弱。針對這一問題,，本設(shè)計的故障檢測采用的方法是檢測兩套系統(tǒng)的心跳信號及工作系統(tǒng)的下行數(shù)據(jù)的正確性,。備份系統(tǒng)心跳信號的硬件電路如圖5所示，BeatB信號是MCU的通用輸出引腳產(chǎn)生的心跳信號,，ISO_CTLB信號指示了MCU是處于備份狀態(tài)或工作狀態(tài),，根據(jù)三個電阻不同的電阻比值可以設(shè)定輸出心跳信號的高低電平值，其中兩個二極管的作用是保護內(nèi)部電路,。

   轉(zhuǎn)換裝置通過對失效系統(tǒng)的斷電來實現(xiàn)其功能,；備份系統(tǒng)對主系統(tǒng)的電源進行監(jiān)測。當備份系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主系統(tǒng)的供電電壓降至邏輯低電平時,，備份系統(tǒng)被激活進入工作狀態(tài),，從Flash中讀取實驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)和實驗進程相關(guān)信息并接替實驗控制任務(wù)。
2.3 供電系統(tǒng)設(shè)計
   供電系統(tǒng)采用雙通道的冗余設(shè)計,，支持7~40 V的寬范圍電壓輸入,，為控制器提供了3.3 V、2.5 V和1.5 V的供電電壓,系統(tǒng)框圖如圖6所示,。為了保證高效率和小體積的平衡，第一級采用DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)寬范圍電壓輸入并保證較高的效率,，第二級采用低壓差線性穩(wěn)壓器進一步降壓,。主備份系統(tǒng)的通斷電通過磁保持繼電器進行控制。

3 軟件設(shè)計
3.1 FPGA邏輯設(shè)計
　FPGA實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)復接功能,，完成兩路串行輸入數(shù)據(jù)的復接并通過串行接口輸出,。復接器在FPGA中實現(xiàn)分為3個模塊：串行輸入模塊、復接模塊和串行輸出模塊,，如圖7所示,。兩路LVDS數(shù)據(jù)通過串行輸入模塊存儲在相應(yīng)的FIFO中，復接模塊中的控制邏輯同步地取出1個或2個FIFO中的數(shù)據(jù)并通過復接單元復接后存入FIFO3,，串行輸出模塊將FIFO3中的數(shù)據(jù)取出并發(fā)送,。

3.2 MCU軟件
　主系統(tǒng)的MCU與備份系統(tǒng)的MCU的軟件功能有所不同：主MCU完成實驗的控制、數(shù)據(jù)的采集處理以及向備份MCU定時備份實驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)及實驗進程信息,；備份MCU除定時接收主MCU發(fā)送的備份數(shù)據(jù)外,，其余時間處于休眠狀態(tài),。主備份MCU采用統(tǒng)一的程序設(shè)計，程序流程圖如圖8所示,。主備份MCU按照特定輸入引腳的電平值確定本系統(tǒng)是主系統(tǒng)或備份系統(tǒng),，從而運行不同的程序。

　若主MCU出現(xiàn)暫時性故障,，則主MCU內(nèi)置的看門狗電路會重啟主MCU,，讀入故障前的最后一次備份信息，繼續(xù)實驗,。若主MCU出現(xiàn)永久性故障,，則主系統(tǒng)進入掉電狀態(tài)，而備份MCU讀取Flash中的備份信息并接替主系統(tǒng)進行實驗控制,。
    隨著空間技術(shù)的進步,，空間科學實驗的需求必然會提升到一個新的高度，同時對科學實驗設(shè)備的研發(fā)也提出了更高的要求,。作為實驗控制核心部件,，高可靠控制器的設(shè)計仍將是十分重要的課題。本文利用MSP430與IGLOO系列FPGA的低功耗特性完成的新型溫備份設(shè)計,，在提高可靠性的同時保證了系統(tǒng)的低功耗,，適用于未來空間科學實驗的高可靠控制。
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