【摘要】： 空間環(huán)境中存在著大量的帶電粒子,星載計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的電子器件會受到電磁場的輻射和重粒子的沖擊,從而導(dǎo)致SEU(Single-Event Upsets,單粒子翻轉(zhuǎn))效應(yīng)。SEU使得星載計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)小概率錯誤,這種錯誤若不及時進(jìn)行糾正將會影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的正確性。一個自然的解決辦法是進(jìn)行屏蔽和加固,但是,屏蔽材料的厚度受到衛(wèi)星體積和重量的制約,屏蔽的作用有限,且輻射加固的器件價格昂貴,難以供貨,性能不高。而COTS(Commercial-Off-The-Shelf,商用現(xiàn)貨)器件具有成本低、性能高的優(yōu)勢,且不受國外進(jìn)口的限制。引入COTS技術(shù)是星載計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢。 本文根據(jù)國外研制星載計(jì)算機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù),結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)出一種基于COTS的高性能、高可靠性、低成本的具有抗SEU功能的星載計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的硬件部分以ARM9處理器為核心,具備多種接口,軟件部分以裁減后的linux操作系統(tǒng)為平臺。本文從器件選型開始,完成了星載COTS計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),原型系統(tǒng)的測試驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn),并實(shí)現(xiàn)了裁減后linux操作系統(tǒng)的移植。在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)做了初步探討,為以后應(yīng)用于航天工程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 但是,COTS器件本身并不具備抗SEU能力,如何提高COTS系統(tǒng)的可靠性,以適應(yīng)惡劣的空間輻射環(huán)境,是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。 針對星載計(jì)算機(jī)的空間SEU效應(yīng),本文實(shí)現(xiàn)了星載COTS計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的抗SEU容錯設(shè)計(jì),研究了基于COTS器件(如SRAM型FPGA)的具有多級容錯機(jī)制的抗SEU加固技術(shù),增強(qiáng)了星載COTS計(jì)算機(jī)的可靠性。系統(tǒng)級采用了基于FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)的雙機(jī)容錯系統(tǒng)技術(shù),提高了星載計(jì)算機(jī)宏觀上的可靠性;模塊級針對存儲器器件的TMR(Triple Module Redundancy,三模冗余)容錯技術(shù),也提高了SRAM和FLASH的抗SEU能力;芯片級采用了片內(nèi)FPGA抗SEU容錯設(shè)計(jì),片外通過實(shí)現(xiàn)FPGA自加載電路的重配置功能,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗SEU能力。本文的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等研究工作都是建立在星載計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之上的。 本課題的研究成果若進(jìn)一步完善,可直接應(yīng)用于星載計(jì)算機(jī)和空間機(jī)動信息平臺中,在降低研制成本、提高在軌數(shù)據(jù)處理能力方面,對推動中國空間科學(xué)技術(shù)和國防事業(yè)的發(fā)展有重大的意義。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：V446;TP302
【圖文】：

圖 1.1 SoC-OBC 小衛(wèi)星星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成示意圖單片系統(tǒng)中，SoC-OBC的微處理器采用基于SPARC V8架構(gòu)的32biLEON2，引導(dǎo)程序和 EDAC 通過系統(tǒng)總線和 LEON 相連，其他的外過AMBA 210片上總線和 LEON相連。外圍接口模塊有CAN總線，以太網(wǎng) MAC 接口，IDE 接口和 CORDIC 數(shù)字協(xié)處理器。EU 設(shè)計(jì)方面，在該星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)存的內(nèi)容由檢錯糾錯單元 以糾正由 SEU 導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤。設(shè)計(jì)中，采用自行開發(fā)的具有 2bDAC 軟核，比傳統(tǒng)的 1bit 漢明碼糾檢錯能力更強(qiáng)。Virtex 系列 FP分重配置功能允許系統(tǒng)檢測和修復(fù)發(fā)生在片上配置內(nèi)存中的 SEU。是基于幀結(jié)構(gòu)的配置，數(shù)據(jù)流文件的寫入和讀出也是以幀為單位的研究表明，糾正發(fā)生在某一幀上的單個位（bit）的 SEU，只需要ION-F C&DH 子系統(tǒng) FPGA 在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的同時，芯片自身可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)越圖 1.2 所示，美國的 ION-F 衛(wèi)星中的 C&DH 子系統(tǒng)[8]，采用具有抗

圖 1.2 ION-F 衛(wèi)星 C&DH 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖抗 SEU 設(shè)計(jì)方面，為了監(jiān)控軟件的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有冗余的看門狗計(jì)路。在 C&DH 子系統(tǒng)中設(shè)置了兩個看門狗。由 RTOS 實(shí)時操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)周發(fā)送清零脈沖給看門狗計(jì)時器。如果這些看門狗沒有在指定的周期內(nèi)接收信號，那么它們將發(fā)送一個處理器重啟信號。但是，由于兩板間的總線競成軟件指令的延遲。考慮到這一點(diǎn)，在電源板上設(shè)置了專門的重啟響應(yīng)機(jī)制收到重啟信號，那么電源子系統(tǒng)將會重啟整個衛(wèi)星系統(tǒng)的電源。如果 CPU 的單板抗 SEU 加固技術(shù)失效，那么電源子系統(tǒng)就將通過看門狗的制重啟 CPU 使其恢復(fù)故障。這個重啟電路同樣也可以由遙測子系統(tǒng)控制。證可靠性，采用 Actel 的反熔絲型 FPGA 作為系統(tǒng)的一個輻射加固的 PROM存儲系統(tǒng)固件。這樣，可以保護(hù)操作系統(tǒng)的 boot-loader（引導(dǎo)程序）在啟動 SEU 效應(yīng)的干擾。同時，該 FPGA 是基于 Flash 結(jié)構(gòu)的，具有子程序和算軌更新功能。采用抗輻射的高可靠性芯片在國外的應(yīng)用非常普遍。由瑞典空間物理研究的小衛(wèi)星 Munin 的星載計(jì)算機(jī) DPU（Data Processing Unit，數(shù)據(jù)處理單元）[9]

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文構(gòu)技術(shù)[10]。1.2.2 國內(nèi)研究情況1) TS-1.1 星載計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)基于文獻(xiàn)[11]、[12]和[13]中描述的哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的立體測繪小衛(wèi)星TS-1.1）星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，圖 1.3 為立體測繪微小衛(wèi)星星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。集中控具有實(shí)現(xiàn)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但為了保證系統(tǒng)的可靠性，在控制器中應(yīng)采取容錯設(shè)計(jì)，此這種集中控制已不是原來意義下的概念，而是具有容錯能力控制器進(jìn)行的集控制，整個系統(tǒng)是一個集中與分布共存的混合體，既保留了集中控制的簡單性，具有分布式系統(tǒng)的可靠性。
【引證文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 張昆峰;;靜態(tài)存儲器的抗單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)研究[J];現(xiàn)代電子技術(shù);2011年18期

2 李小將;師俊芳;梅欒芳;陳娟;;操作系統(tǒng)可信增強(qiáng)技術(shù)研究[J];裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報;2011年02期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 賈文濤;高可靠星載雙機(jī)備份系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評估[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

2 付劍;星載計(jì)算機(jī)的硬件容錯設(shè)計(jì)與可靠性分析[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

3 陳秀美;交替互補(bǔ)的自恢復(fù)控制器研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2010年

本文編號：2866197