基于三模冗余电子系统的研究
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皮卫星是指重IKg左右的卫星,它具有功能密度高、研制周期短且成本低、发射方式灵活、机动性与生存能力强、技术更新快等特点。通过星座或编队内部卫星间信息共享与协同工作,可以实现“虚拟卫星”,实现甚至超越大卫星的功能,以更低的成本完成教学、科研及应用等任务。皮卫星在军事及民用技术中均拥有巨大应用潜力。在军事领域,可利用皮卫星完成空间目标成像、电子侦察及干扰与目标栏截等;在民用领域,皮卫星可用于新技术在轨试验、应急救援、抢险救灾、通讯等应急场合⑴。
1.1皮卫星可靠性
单粒子效应对卫星星上电子设备的影响是皮卫星设计必须要面对和解决的另一个重要问题。星上电子设备随时面临宇宙射线破坏的威胁,有时单个高能粒子便可导致灾难性的后果。有证据表明:卫星或空问飞行器事故中有39%是由电子元器件故障造成的,而各种高能宇宙射线粒子对元器件的福射损伤是造成电子元器件故障的主要原因之一[2]。宇宙射线对电子元器件最常见的影响表现为单粒子翻转。据有关资料统计,在1971年至1986年间,国外发射的39颗同步卫星中,由各种原因造成的故障统计共1589次,其中与空间福射环境有关的故障有112 9次,占故障总数的71%,由单粒子效应造成的故障有621状,占空间福射环境有关故障的55%[9]。国内外在这方面都进行了大量的研究,其中最具代表性的是由英国萨瑞大学利用其设计、制造和运营的UoSat系列小卫星。英国萨瑞大学利用其设计、制造和运营的UoSat系列小卫星对单粒子翻转现象进行了研究,试验涉及的存储器包括NMOSDRAMs、CMOS SRAM等。实验结果表明:几乎所有存储器对南大西洋异常区射线中质子都非常敏感;单粒子翻转率随着存储容量增大而增大;所有CMOS SRAM器件上都发现了多位翻转,较低密度的CMOS SRAM发生多位翻转的几率相对较高密度的CMOS SRAM更高[3]。表1. 1和表1. 2分别给出了 UoSat-3卫星和lJoSat-5卫星存储器在轨单粒子翻转的情况。
国内利用“实践四号”和“实践五号”卫星对空间福射单粒子效应做了一些探索。“实践四号” [4]从2月8日入轨以后1个月内共检测到132次单粒子翻转,总翻转次数和时间的相对关系如图1.2所示。从图1.2的结果可以看出,单粒子翻转是一个持续频繁发生的事件,翻转次数足以对系统运行产生重大的影响。“实践五号” [5]的系列实验证明了工业级和商业级器件能在空间环境下可靠运行,但必须经过严格而有效的简选,其检测到SRAM和DRAM在空间环境下单粒子翻转发生的概率分别约为0. 5-4次/(Mb*天)和0. 2-1次/(Mb*天)。这证明了单粒子翻转的频繁性和普遍性,同时表明,经过严格的控制和相应的设计,工业级器件可以在航天上得到应用。
1.2综合电子系统可靠性
综合电子系统是以星务计算机为基础,融合星载其他计算机(如测控与姿轨控计算机等)功能,使用能力较强的商用处理器,通过数据总线连接并管控星载电系统,将传统意义上各分系统的任务集中处理,为卫星平台与有效载荷提供可靠的包括测控、数传、数管、姿轨控等在内的广义数据采集、处理与交换服务。采用综合电子系统技术进行皮卫星设计,可大幅度减少电子元器件种类与数量,从而在满足需求的同时,降低硬件复杂度,提高系统可靠性f6_7]。如1.1节所述,综合电子系统同样面临工作环境复杂和不可维护两个难题,可靠性无疑是综合电子系统设计最为关心的指标之一。皮卫星大量使用商用器件,经过辉选,目前商用器件完全可以满足皮卫星环境温度变化需求;但商用器件不具备抗福射能力,如何通过设计来降低单粒子效应的影响成为综合电子系统可靠性研究的重要方面。目前应对单粒子效应的设计措施主要有两种:第一,通过屏蔽减少单粒子效应发生的概率,但受体积、重量等制约,不能完全消除;第二,通过容错技术避免或降低单粒子效应对系统的影响。
2.1时钟同步三模冗余系统的设计要求及其实现
典型三模冗余系统的框架如图2.1所示,该系统由3个相同的处理器、冗余判定模块和故障恢复模块组成。3个相同处理器中运行相同的程序,冗余判定模块对3个处理器的输出进行判断,当其中1个处理器发生故障,产生错误的输出时,冗余判定模块可屏蔽该处理器输出,保证系统给出正确的输出,从而提高系统可靠性。当某个处理器持续出现故障时,可以通过故障恢复模块来对其进行修复,使系统恢复到三摸冗余状态。冗余判定模块要能对3个处理器的输出进行判定,首先要保证3个处理器运行同步,即在同一时刻3个处理器给出相同程序运行结果,否则冗余判定模块将给出错误判断。基于时钟同步的三模冗余系统3个处理器使用相同的时钟源,并且保持严格的同步运行,因此软件设计中无需作其他的考虑,从而降低软件的设计要求,增加软件的通用性。但时钟同步要求3个处理器使用相同的时钟源,电路保持硬件高度一致,并且在完成程序加载后3个处理器严格同步启动。这对硬件设计提出了较高的要求。本文在方案设计中,采用3个相同的处理器作为综合电子系统的运算单元,处理器电路设计完全一致,采用FPGA实现冗余判定模块,同一个晶振输出信号经FPG内锁相环处理后作为同源时钟提供给3个处理器使用;在PCB布板时,尽量保证3个处理器均匀分布在FPGA周围,从FPGA输出的3根时钟线走线形状一致。
3 综合电子系统调试........... 24
3.1 供电链路调试........... 24
3.2 关键器件调试........... 25
3.2.1 FPGA 调试........... 25
3.2.2 DSP 调试........... 26
3.3 虚拟DMA调试........... 27IV
3.4 综合电子系统调试 ...........28
3.4.1 温度传感器和RTC芯片调试........... 28
3.4.2 复位芯片调试 ...........28
3. 4. 3 EEPROM 和 NAND FLASH 调试........... 29
3.5 整星联合调试........... 29
3.6 小结 ...........33
4 三棋冗余系统时钟同步研究 ...........34
4.1 时钟同步试验设计 ...........34
4.2 时钟同步试验及结果........... 36
4.2.1 DSP程序片内运行时钟同步试验........... 36
4.2.2 DSP程序片外运行时钟同步试验........... 37
4.3 冗余判定模块的 实验验证........... 38 4.4 时钟不同步原因探究........... 39
4.5 小结...........41
结论
本文对基于时钟同步的三模冗余系统进行研究,主要取得以下成果:
1、根据三模冗余系统要求,结合皮卫星工程应用需求,完成了高可靠综合电子系统方案设计及硬件实现。经测试表明设计的综合电子系统满足皮卫星应用需求。
2、对三模冗余系统时钟同步问题进行了研究,结果表明DSP程序运行在片内时,3个DSP可以实现同步,DSP程序运行在片外时,3个DSP不能保证时钟同步;通过实验和分析发现DSP的CPU与EMFIB 口间通信有可能是DSP程序运行在片外时不同步的原因。
3、完成了虚拟DMA模块和冗余判定模块的设计,经实验验证满足需求。