航天器时变计算机可重构技术研究

论文摘要

近年来,随着卫星规模逐渐向微小型化发展,卫星对星载计算机提出越来越多的要求:微型化、多功能、高性能、在轨硬件升级以及自我故障修复等。传统基于ASIC或通用处理器的设计很难同时满足以上诸多要求,可重构计算技术的航天应用为这一问题带来可行的解决方案。本文根据基于可重构计算技术的星载计算机——时变计算机的研究工作,针对时变计算机功能切换、在轨硬件升级、以及自我故障修复等要求,进行系统重构的理论分析与软硬件设计。根据时变计算机设计的技术指标与整体方案,对时变计算机核心器件——Stratix II FPGA（Field Programmable Gate Array）的重构进行了充分的论证与分析,确定了采用微控制器+大容量存储器的配置方案;通过FPGA各种配置方式的比较,选择快速被动并行（FPP）的重构方式,并进行配置单元硬件电路设计,为时变计算机原理样机研制生产提供相应设计支持。在时变计算机重构方案分析基础上,采用汇编语言设计重构控制软件,完成微控制器对FPGA功能切换控制、FPGA故障监测与修复、系统硬件升级包上传与系统硬件升级控制、软件自身的在轨升级等工作。为了验证重构控制硬件与软件设计,构建了基于时变计算机原理样机的闭合回路仿真平台,并在平台中进行了对日定向和对地定向两种模式的功能切换以及故障处理等工作,为了监测重构时间,在重构控制软件中嵌入测量模块。验证结果表明:时变计算机能够顺利完成不同工作模式之间的切换工作,当FPGA出现故障,微控制器能够及时判断并进行成功修复。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 CRCSS的FedSat卫星
• 1.2.2 NASA的SRC-6E可重构计算机
• 1.2.3 斯图加特大学的Flying Laptop卫星
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 可重构计算技术研究
• 2.1 可重构系统结构研究
• 2.2 可重构系统功能实现方式研究
• 2.3 可重构计算技术应用于航天的可行性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 时变计算机设计方案
• 3.1 时变计算机概念
• 3.2 时变计算机体系结构
• 3.2.1 处理器单元
• 3.2.2 配置单元
• 3.2.3 射频单元
• 3.3 时变计算机系统功能软硬件协同实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 重构方案设计
• 4.1 重构方案分析
• 4.1.1 FPGA重构方式分析
• 4.1.2 重构方式选择
• 4.1.3 重构文件选择
• 4.2 配置单元硬件设计
• 4.2.1 智能主机选择
• 4.2.2 文件存储器选择
• 4.2.3 电路设计
• 4.3 重构控制软件设计
• 4.3.1 重构控制主程序设计
• 4.3.2 其他相关软件设计
• 4.3.3 通信帧设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 时变计算机重构设计实验验证与结果分析
• 5.1 实验验证环境
• 5.2 实验验证方案
• 5.2.1 正常状态下的命令重构
• 5.2.2 故障状态下的重构
• 5.2.3 重构时间
• 5.2.4 其他控制验证
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢