一種高可靠性星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及高可靠性星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界上各個(gè)國(guó)家都紛紛開(kāi)始了對(duì)空間的探索，搶奪空間資 源，從上世紀(jì)末開(kāi)始，我國(guó)在空間技術(shù)和航天領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多偉大的成就，我國(guó)的航天 事業(yè)已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展的快車(chē)道。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，空間任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越多樣化， 對(duì)航天器的"大腦" 一一星載計(jì)算機(jī)提出了更高的要求。
[0003] 航天器處在空間環(huán)境中時(shí)，會(huì)受到來(lái)自空間的各種輻射的影響，主要表現(xiàn)為總劑 量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)?？倓┝啃?yīng)由長(zhǎng)時(shí)間的輻射積累所以引起的，減小總劑量效應(yīng)的方 法一般是采用防輻射保護(hù)罩或者減少芯片工作的時(shí)間；單粒子效應(yīng)中最常見(jiàn)的是單粒子反 轉(zhuǎn)，其會(huì)造成存儲(chǔ)型邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，是航天器最主要的故障原因?？臻g輻射已經(jīng)對(duì)航天器造 成了很大的威脅，在1971年至1986年發(fā)射的同步衛(wèi)星發(fā)生的故障中，71%由空間輻射造成， 我國(guó)的"風(fēng)云一號(hào)"氣象衛(wèi)星也是因?yàn)榭臻g輻射導(dǎo)致姿態(tài)失控，衛(wèi)星失效。由此可見(jiàn)，增強(qiáng)星 載計(jì)算機(jī)的可靠性具有重要意義與工程實(shí)際性。
[0004]在國(guó)內(nèi)，星載計(jì)算機(jī)普遍采用雙模冗余結(jié)構(gòu)，例如"東方紅三號(hào)"、"創(chuàng)新一號(hào)"和 "神州五號(hào)"等等。該結(jié)構(gòu)雖然能夠在一定程度上提高星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性，但是，只要 存在一個(gè)處理器故障，其可靠性將會(huì)降低。目前所研究的星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要針對(duì)處理器 進(jìn)行加固，而外設(shè)一般采用單一設(shè)備的方式，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一旦外設(shè)出現(xiàn)故障，則將導(dǎo)致 故障外設(shè)所需完成的功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
[0005] 目前為了提高星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性，普遍采用抗輻能力強(qiáng)、可靠性高的處理 器，一方面我國(guó)無(wú)法生產(chǎn)抗輻能力強(qiáng)、可靠性高且性能優(yōu)良的宇航級(jí)處理器，而從國(guó)外也很 難獲得，另一方面這樣的處理器的價(jià)格昂貴，會(huì)大大增加星載計(jì)算機(jī)的成本。因此目前我國(guó) 大多使用較為成熟，性能較差的處理器，大大降低了星載計(jì)算機(jī)的處理能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有航天器會(huì)受到來(lái)自空間各種輻射的影響；星載計(jì)算 機(jī)普遍采用雙模冗余結(jié)構(gòu)，只要存在一個(gè)處理器故障，其可靠性將會(huì)降低，一旦外設(shè)出現(xiàn)故 障，則將導(dǎo)致故障外設(shè)所需完成的功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，處理能力低的問(wèn)題，而提出了一種高可靠 性星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法。
[0007] 上述的發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 步驟一、對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，判斷其工作狀態(tài)，如果工作狀態(tài)正常，則星載計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行，根據(jù)星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的需求，外部設(shè)備采集衛(wèi)星的狀態(tài)信息，進(jìn)行步 驟二;如果工作狀態(tài)不正常，則進(jìn)行步驟五；
[0009] 步驟二、FPGA將步驟一中采集的衛(wèi)星的狀態(tài)信息進(jìn)行漢明碼編碼后的數(shù)據(jù)分別發(fā) 送給三個(gè)DSP進(jìn)行計(jì)算處理，得到處理后的衛(wèi)星的狀態(tài)信息，三個(gè)DSP收到的數(shù)據(jù)相同，三個(gè) DSP分別為DSP_A、DSP_B、DSP_C;DSP為數(shù)字信號(hào)處理器;DSP_A、DSP_B、DSP_C分別為數(shù)字信 號(hào)處理器A、數(shù)字信號(hào)處理器B、數(shù)字信號(hào)處理器C;
[0010] FPGA為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，F(xiàn)PGA包括，利用定時(shí)器模塊控制FPGA_ A和隔固定的時(shí)間進(jìn)行切換工作，固定的時(shí)間為人為設(shè)定；
[0011] 步驟三、03?_4、03?_8、03?_(：將處理后的衛(wèi)星的狀態(tài)信息進(jìn)行漢明碼編碼后發(fā)送 給FPGA，F(xiàn)PGA得到DSP_A、DSP_B、DSP_C發(fā)送來(lái)的編碼后的衛(wèi)星狀態(tài)信息的處理結(jié)果；
[0012] 步驟四、FPGA首先把DSP_A、DSP_B、DSP_C發(fā)送來(lái)的編碼后的衛(wèi)星狀態(tài)信息的處理 結(jié)果進(jìn)行解碼校驗(yàn)，然后進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷〇5?_六、05?_8、05?_(：是否受空間輻射 的影響而運(yùn)行出錯(cuò)，如果DSP_A、DSP_B、DSP_C中有一個(gè)或多個(gè)出錯(cuò)，則進(jìn)行步驟六；如果 DSP_A、DSP_B、DSP_C不出錯(cuò)，則03?_六、03?_8、03?_(：不受單粒子翻轉(zhuǎn)的影響，星載計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)正常運(yùn)行;其中，所述多個(gè)為2個(gè)或3個(gè)；
[0013] 步驟五、外部設(shè)備出錯(cuò)后，F(xiàn)PGA啟動(dòng)備份的外部設(shè)備接替出錯(cuò)外部設(shè)備的工作，保 證星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行；
[0014] 步驟六、FPGA啟動(dòng)備份的DSP_D接管出錯(cuò)的DSP的工作，并控制出錯(cuò)的DSP重新上電 啟動(dòng)，出錯(cuò)的 DSP 為步驟四 DSP_A、DSP_B、DSP_(^-fS#f。
[0015] 發(fā)明效果
[0016] 星載計(jì)算機(jī)在空間環(huán)境中易受空間輻射的影響，主要表現(xiàn)為總劑量效應(yīng)和單粒子 效應(yīng)的影響?？倓┝啃?yīng)和單粒子效應(yīng)會(huì)影響星載計(jì)算機(jī)的正常工作，針對(duì)該問(wèn)題，本專(zhuān)利 采用兩個(gè)FPGA和4個(gè)DSP設(shè)計(jì)了一套高可靠性星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。FPGA作為系統(tǒng)的控制單元， 通過(guò)兩個(gè)FPGA定時(shí)切換交替工作消除總劑量效應(yīng)的影響，并通過(guò)軟件冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的 可靠性。DSP作為系統(tǒng)的處理單元，主FPGA對(duì)四個(gè)DSP的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行仲裁，并對(duì)出錯(cuò)的DSP 進(jìn)行處理，DSP同樣采用軟件冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程容易出錯(cuò)的問(wèn) 題，把FPGA和DSP需要交互的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過(guò)檢錯(cuò)糾錯(cuò)機(jī)制提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?性。
[0017] 在硬件上，本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用三模冗余加一備份機(jī)的結(jié)構(gòu)，并采用仲裁機(jī)制，可有 效通過(guò)硬件冗余提高星載計(jì)算機(jī)自主計(jì)算空間操作指令的正確性，提升在軌應(yīng)用的可靠 性，其中仲裁及故障檢測(cè)控制器采用兩片F(xiàn)PGA切換工作，有利于減小航天器所受空間輻射 總劑量效應(yīng)對(duì)星載計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯的影響。同時(shí)通過(guò)采用"工作機(jī)+備份機(jī)"的結(jié)構(gòu)模式提 高外設(shè)的可靠性。
[0018] 在軟件上，本系統(tǒng)對(duì)容易受到輻射影響的DSP采用多種軟件加固方式，包括DSP信 息加固、DSP監(jiān)測(cè)加固、DSP冗余加固、存儲(chǔ)器與寄存器刷新和設(shè)置中斷"陷阱"，提升單片DSP 數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。為了防止數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)或傳遞的過(guò)程中，受到空間輻射的影響產(chǎn)生錯(cuò)誤， 本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了檢錯(cuò)糾錯(cuò)機(jī)制，提高數(shù)據(jù)的可靠性，由于其能糾錯(cuò)，這也提高了星載計(jì)算機(jī) 的效率。
[0019] 本系統(tǒng)采用了硬件冗余和軟件加固的方式等多種途徑增強(qiáng)星載計(jì)算機(jī)的可靠性， 因此對(duì)單片芯片的性能可適當(dāng)降低，使得使用貨架級(jí)別的DSP和FPGA成為可能。
[0020] 與雙模冗余結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用3模冗余和一個(gè)備份機(jī) 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用仲裁機(jī)制提高系統(tǒng)的可靠性。
[0021] 目前所研究的星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要針對(duì)處理器進(jìn)行加固，而外設(shè)一般采用單一 設(shè)備的方式，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一旦外設(shè)出現(xiàn)故障，則將導(dǎo)致故障外設(shè)所需完成的功能無(wú)法實(shí) 現(xiàn)，與之相比，本發(fā)明的外設(shè)采用"工作機(jī)+備份機(jī)"模式。
[0022] 目前我國(guó)大多使用較為成熟，性能較差的處理器，大大降低了星載計(jì)算機(jī)的處理 能力。為此，本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以采用貨架級(jí)別的處理器，這些商用器件性能強(qiáng)，成本低， 功耗低且容易獲得，這將大大提高星載計(jì)算機(jī)的處理能力，節(jié)約成本。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為高可靠性星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖2為DSP結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖3為正常工作結(jié)構(gòu)圖；
[0026] 圖4為DSP出錯(cuò)結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖5為FPGA出錯(cuò)結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖6為外設(shè)故障結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖7為信息加固程序流程；
[0030] 圖8為程序指針地址監(jiān)測(cè)流程，PC為程序計(jì)數(shù)器的值，GDI為存儲(chǔ)當(dāng)前程序塊號(hào)的 全局變量，GD2為存儲(chǔ)上一個(gè)程序塊號(hào)的全局變量；
[0031] 圖9為關(guān)鍵數(shù)據(jù)三模冗余；
[0032]圖10為系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖11為星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行流程圖；
[0034]圖12為DSP軟件執(zhí)行流程；
[0035]圖13為比較點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種高可靠性星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法，具 體是按照以下步驟制備的：
[0037]步驟一、對(duì)外部設(shè)備