一种应用于微小卫星星务计算机的电路系统

1.本发明属于嵌入式微小卫星星务计算机系统领域，特别是一种应用于微小卫星星务计算机的电路系统。


背景技术：

2.空间中充满了来自浩瀚宇宙的各种粒子:质子、电子、a粒子、重离子、y射线等，当这些高能粒子轰击灵敏的半导体器件时，器件的逻辑电路就会发生反转。有部分“0”翻转成“1”，有部分“1”，翻转成“0”，造成数据的错误，这种现象称为单粒子翻转。
3.单粒子翻转影响着航天器的可靠性，如果航天器在空间中发生故障，根本无法维修，一般会导致任务的失败。国际航天史上发生过许多因单粒子翻转导致任务失败的事故。
4.目前，为改善空间中单粒子翻转导致电子器件失效的问题，国内外团队都提出了一些解决方案。例如，spacex和浙江大学采用多fpga冗余的方案，哈工大、513、804等单位采用双cpu冷备/热备，单cpu内采用多软件容错的方式。
5.在现有的冗余架构方法中，双机热备和tmr可靠性较低，易造成数据错误。而多机备份、硬件三模冗余的方法功耗高，结构较复杂，导致卫星星务计算机模块体积急剧增大，对设计和生产制造都提出了较高的要求，不适应于微纳卫星微小型化的技术要求，此外，目前星务计算机系统普遍缺少更新与重构的功能。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种应用于微小卫星星务计算机的电路系统，采用3cpu冗余和通过自举进行更新重构的方法，以解决目前空间中电子器件单粒子反转，导致星务计算机可靠性降低的问题。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：
8.一种应用于微小卫星星务计算机的电路系统，包括：
9.模拟量采集模块，用于采集地球磁场及环境温度；
10.ad模块，用以将采集地球磁场和环境温度的模拟量转化为数字量，并通过spi接口传输至stm32主控制芯片；
11.stm32主控制芯片用于完成星上数据运算；stm32主控制芯片包含can引脚，spi引脚，rs422引脚，调试接口swd和ttl-232，片内存储器的flash和sram；
12.rs422模块，将串口转化rs422接口，并与rs422引脚连接；
13.还包括fpga和arm处理器；
14.通信机通过can总线发送应用程序，fpga将应用程序存储至外接的flash；
15.fpga将stm32主控制芯片boot引脚拉高，用以设置stm32主控制芯片自举模式；
16.fpga发出reset信号，stm32主控制芯片复位，将进入自举程序；
17.在自举过程中，stm32主控制芯片接收到fpga从can总线上传递过来的发送确认字节0x79信号，接下来stm32主控制芯片产生一个接收应答，fpga将应用程序通过can总线发
送给stm32芯片；
18.应用程序传送完毕后，fpga将stm32控制芯片boot引脚拉低，此时再次发出reset信号，stm32主控制芯片将从flash启动，此时再次发出reset信号，stm32主控制芯片正常启动。
19.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
20.(1)本发明基于stm32h743主控制芯片+fpga架构的设计，其中fpga具有实时维护存储器的edac功能，可靠性高；stm32h743主控制芯片在硬件设计上，fpga输入输出的三模冗余布线设计，外挂sram的edac接口设计，以及程序更新重构的接口设计；fpga的tmr(三模冗余)和edac(错误检测与纠正)设计，保证了数据在存储、传输的过程中具备较强的抗单粒子翻转能力。
21.(2)本发明电路架构基于3cpu冗余的方法，结构简单，功耗低，适用于微小型卫星。
22.(3)本发明通过fpga对stm32h743主控制芯片进行重构的方式更新stm32h743主控制芯片，可以满足错误检测与更新的性能要求。
附图说明
23.图1是星务计算机整体设计框图。
具体实施方式
24.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
25.结合图1，本实施例的一种应用于微小卫星星务计算机的电路系统，包括mcu模块、供电模块、时钟模块、存储模块、对外接口模块、ad、模拟量采集模块、磁力矩器模块、电压采集模块。
26.供电模块：星务计算机电压由外部电源系统的宽压输入，通过限流功能模块，满足低功率的设计要求。宽压输入通过ltm8078芯片转换成5v和3.3v，ltm3078芯片在将宽压输入转换为3.3v、2.5v、1.2v。5v为电压采集器件供电。3.3v为stm32h743主控芯片及其控制组块、三轴磁场传感器、温度传感器供电。2.5v可为ad提供参考电压，还与1.2v一起为fpga供电。供电模块的电流由ina3221-q1采集通过i2c总线传输给其他模块。
27.时钟模块：系统时钟由两个晶振组成，频率分别为25mhz与32.768khz，型号为txc-25meeq-t与cc5v-t1a。星上时间管理主要由fpga的时间计数管理模块以及ds1302模块构成。ds1302包括时钟/日历寄存器和31字节(8位)的数据暂存寄存器，实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息，可以准确记录主机离线时的时间信息。
28.存储模块：stm32h743主控芯片自身具有片内2mb的flash与1060kb的sram，用于存储stm32h743主控芯片一般运行时的程序和数据，并通过fmc总线扩展大小为8mb的mram，用于临时数据存储；ms090芯片中arm核具有片内512kb的envm与128kb的sram，并通过fpga模块扩展一块存储空间为8gb的envm和存储空间为8mb的mram，其中envm用于存储星上遥测数据，mram用于存储星务软件，并且fpga还具有实时维护存储器的edac功能，保证存储器数据的可靠性。
29.对外接口模块：星务计算机外设总线主要用于与各分系统之间进行数据传输与控制，通过stm32h743iit6主控制芯片的外设总线，扩展出2路can总线、4路串口、1路spi总线、
pwm以及调试串口与swd程序烧写口，由于芯片内部仅含can总线控制器，所以需要添加can总线接收器模块。
30.同时，由于rs422信号稳定，更适合长距离传输，所以额外添加了串口转rs422接口模块。ms090芯片利用fpga模块扩展一路用于程序更新的can总线以及一路用于烧写调试程序的spi接口。
31.ad模块：利用ad7490数模转换芯片来收集11路电压信号，其中4路信号通过芯片lm24d来消除输入阻抗对电压信号的影响。
32.模拟量采集模块：包括三轴磁场传感器和温度传感器。三轴磁场传感器通过rm3100芯片读取三轴磁场强度，通过spi总线将数据传递给stm32h743主控制芯片。温度传感器通过tmp175芯片读取温度，再通过i2c总线将温度数据传递给stm32h743主控制芯片。
33.磁力矩器模块：利用drv8839芯片，通过cpu产生的pwm波对mtq_pwr电压进行调制，调制后的电压通过输出口outa，outb连接到磁棒两端，磁棒产生磁矩与地磁场相互作用，对卫星进行姿态控制。
34.电压采集模块：利用ina3221-q1芯片采集磁棒上mtq_c+及mtq_c-两点电势，通过i2c总线将采集数据发送给stm32h743主控制芯片，进而计算得到磁棒上通过的电流。
35.本发明的架构为3cpu冗余架构，包括1个fpga和2个arm处理器。芯片采用stm32h743主控制芯片和m2s090芯片，m2s090芯片包含fpga和cortex-m3处理器；stm32h743主控制芯片用于完成星上数据运算，fpga用于程序的更新与重构功能，cortex-m3处理器作为备用的主控制芯片，能够替代stm32h743主控制芯片完成基本的星务数据处理功能。
36.通信机通过can总线发送应用程序，fpga将应用程序存储至外接的flash；
37.fpga将stm32主控制芯片boot引脚拉高，用以设置stm32主控制芯片自举模式；
38.fpga发出reset信号，stm32h743主控制芯片复位，将进入自举程序；
39.在自举过程中，stm32h743主控制芯片接收到fpga从can总线上传递过来的发送确认字节0x7f信号，接下来stm32h743主控制芯片产生一个接收应答，fpga将应用程序通过can总线发送给stm32h743芯片；
40.应用程序传送完毕后，fpga将stm32h743主控制芯片boot引脚拉低，此时再次发出reset信号，stm32h743主控制芯片将从flash启动，此时再次发出reset信号，stm32h743主控制芯片正常启动。