王苑瑾，張 雋,2，段 然,2，韓翔宇，柳 柱

面向未來(lái)運(yùn)載火箭的新一代綜合電子平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

王苑瑾1，張 雋1,2，段 然1,2，韓翔宇1，柳 柱1

（1. 北京航天自動(dòng)控制研究所，北京，100854；2. 宇航智能控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100854）

為滿足運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)中智能控制、任務(wù)遷移與恢復(fù)、大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)通信等需求，對(duì)多核處理器與SoPC協(xié)同控制架構(gòu)、接口模塊分類與設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)及雙通道星型冗余拓?fù)涞汝P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種基于實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)的綜合電子平臺(tái)方案并進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)演示驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)綜合電子平臺(tái)中的功能模塊、總線拓?fù)渑c通信、任務(wù)隔離、遷移與恢復(fù)等功能進(jìn)行驗(yàn)證。目前該方案已應(yīng)用于運(yùn)載火箭綜合電子產(chǎn)品中，為后續(xù)技術(shù)的深入研究與優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

運(yùn)載火箭；多核處理器與SoPC協(xié)同控制架構(gòu)；接口模塊分類與設(shè)計(jì)；實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)；綜合電子平臺(tái)

0 引 言

運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)功能愈發(fā)復(fù)雜，對(duì)全系統(tǒng)資源優(yōu)化設(shè)計(jì)、自主智能化的需求愈發(fā)迫切[1]。相比于傳統(tǒng)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)，未來(lái)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)具有智能計(jì)算、任務(wù)遷移與恢復(fù)、大數(shù)據(jù)量高速通信、健康管理等功能需求[2]，對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)硬件與軟件架構(gòu)、總線傳輸帶寬與拓?fù)涞忍岢隽烁咭螅虼诵枰捎孟冗M(jìn)電氣設(shè)計(jì)理念對(duì)全系統(tǒng)軟硬件資源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜合電子系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外航天電氣系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)，具有高度綜合化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等特點(diǎn)。綜合電子系統(tǒng)是一種基于高性能處理器的分布式實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)，通過(guò)高速總線、標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)傳感器、子系統(tǒng)等信息交互，實(shí)現(xiàn)功能高度集成、軟硬件資源共享，不僅縮小了軟硬件規(guī)模、提高系統(tǒng)可靠性與維修性，還提升了系統(tǒng)模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化水平。

國(guó)外綜合電子系統(tǒng)發(fā)展迅速，NASA在2010年研制的Orion電子系統(tǒng)采用綜合電子架構(gòu)，核心計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成基本信息傳輸與處理設(shè)備，采用高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。法國(guó)研制Avionics4000綜合電子系統(tǒng)，具有供配電、數(shù)據(jù)管理等功能[3]。歐空局下一代運(yùn)載火箭計(jì)劃也提出了航天運(yùn)載器綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)，將傳統(tǒng)電子設(shè)備抽象為一個(gè)模塊化的信息處理單元，多個(gè)模塊之間通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，構(gòu)成各個(gè)分系統(tǒng)[4]。

中國(guó)運(yùn)載火箭的電氣系統(tǒng)普遍采用了主從式1553B總線的“慣性測(cè)量設(shè)備+計(jì)算機(jī)+各類控制器”分布式架構(gòu)，以高可靠性要求為牽引，形成各具特點(diǎn)的冗余系統(tǒng)[5]。為了充分利用硬件資源，研究人員提出了系統(tǒng)集成和一體化設(shè)計(jì)的思想，但還未能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)[6]。

目前中國(guó)電氣系統(tǒng)總線協(xié)議兼容性、站點(diǎn)數(shù)、通信距離、傳輸速度等方面均無(wú)法滿足運(yùn)載火箭大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳輸需求[7]。處理器性能及架構(gòu)也有待提高，以滿足運(yùn)載火箭智能控制算法、實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)、任務(wù)遷移與恢復(fù)等功能需求?？刂葡到y(tǒng)軟件無(wú)操作系統(tǒng)或采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)存均為靜態(tài)分配，軟件系統(tǒng)安全性、可靠性較差[8]。

借鑒國(guó)外綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并針對(duì)未來(lái)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)需求進(jìn)行研究與分析，本文提出了一種基于實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)的綜合電子平臺(tái)方案并進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)。對(duì)多核處理器與可編程片上系統(tǒng)（System-on-a-Programmable-Chip，SoPC）協(xié)同控制架構(gòu)、接口模塊分類與設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)、雙通道星型冗余高速總線拓?fù)涞燃夹g(shù)進(jìn)行分析與研究。通過(guò)演示驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了綜合電子平臺(tái)的硬件模塊、總線拓?fù)渑c高速通信、任務(wù)隔離、遷移與恢復(fù)等功能性能指標(biāo)，對(duì)運(yùn)載火箭的綜合電子平臺(tái)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

1 綜合電子平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 綜合電子平臺(tái)功能分析

為滿足運(yùn)載火箭智能化、系統(tǒng)化、模塊化要求，對(duì)電氣系統(tǒng)應(yīng)用需求、功能性能指標(biāo)進(jìn)行歸類分析，優(yōu)化硬件軟件資源配置，實(shí)現(xiàn)具有標(biāo)準(zhǔn)化接口的綜合電子系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)中各功能項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，并轉(zhuǎn)換為各個(gè)硬件與軟件需求，如表1所示。

表1 功能項(xiàng)及需求

Tab.1 Function items and requirements

功能項(xiàng)硬件軟件需求功能模塊 慣組數(shù)據(jù)處理處理器與FPGA資源信息處理模塊 智能控制算法處理器與FPGA資源信息處理模塊 衛(wèi)星導(dǎo)航算法處理器與FPGA資源信息處理模塊 高速數(shù)據(jù)通信FPGA資源、總線協(xié)議與拓?fù)浣涌谀K 遙測(cè)數(shù)據(jù)處理處理器與FPGA資源信息處理模塊 傳感器數(shù)據(jù)處理處理器與FPGA資源信息處理模塊 時(shí)序輸出及測(cè)試FPGA資源、控制及測(cè)試資源接口模塊 模擬量測(cè)試FPGA資源、控制及測(cè)試資源接口模塊 供配電及測(cè)試FPGA資源、控制及測(cè)試資源接口模塊 故障隔離與重構(gòu)處理器資源及分區(qū)操作系統(tǒng)信息處理模塊

1.2 綜合電子平臺(tái)硬件方案

對(duì)表1進(jìn)行分析，將控制系統(tǒng)應(yīng)用需求映射至硬件功能模塊，同時(shí)考慮最優(yōu)化的軟硬件資源配置，本文所述綜合電子平臺(tái)設(shè)計(jì)兩類模塊，即信息處理模塊及接口模塊，其中接口模塊根據(jù)功能分為數(shù)字配電接口模塊、數(shù)據(jù)交互接口模塊、時(shí)序接口模塊。綜合電子平臺(tái)模塊組成如圖1所示。

圖1 綜合電子平臺(tái)模塊組成

綜合電子平臺(tái)中各模塊的主要功能包括如下4個(gè)方面：

a）3個(gè)信息處理模塊對(duì)應(yīng)處理器與FPGA資源，可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、智能控制算法、衛(wèi)星導(dǎo)航算法、故障隔離與重構(gòu)、高速數(shù)據(jù)通信等功能；

b）數(shù)字配電接口模塊對(duì)應(yīng)FPGA資源、控制及測(cè)試硬件資源，實(shí)現(xiàn)配電指令解析，完成對(duì)各功能模塊、系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備配電功能；

c）數(shù)據(jù)交互接口模塊對(duì)應(yīng)FPGA資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，保證各個(gè)功能模塊之間、模塊與外部設(shè)備之間的高速通信功能；

d）時(shí)序接口模塊對(duì)應(yīng)FPGA資源、控制及測(cè)試硬件資源，實(shí)現(xiàn)時(shí)序指令接收與解析，完成控制與回采測(cè)試功能。

為了滿足數(shù)據(jù)高速傳輸及高可靠性的設(shè)計(jì)要求，平臺(tái)采用雙通道星型冗余總線拓?fù)洌詳?shù)據(jù)交互接口為冗余交換機(jī)的節(jié)點(diǎn)，以信息處理模塊、時(shí)序接口模塊、地面控制器等為端節(jié)點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)模塊之間、綜合電子系統(tǒng)與地面控制器之間的高速通信功能。綜合電子平臺(tái)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合電子平臺(tái)硬件架構(gòu)

2 綜合電子平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于信息處理模塊的協(xié)同控制架構(gòu)

信息處理模塊是綜合電子系統(tǒng)的核心控制模塊，采用具有內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）的多核高性能處理器與SoPC以滿足控制算法、分區(qū)操作系統(tǒng)及高速總線協(xié)議所需硬件資源。

2.1.1 信息處理模塊方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的信息處理模塊由3組控制單元組成，每個(gè)控制單元實(shí)現(xiàn)了信息處理、存儲(chǔ)及監(jiān)測(cè)、電壓轉(zhuǎn)換及接口功能，如圖3所示。

圖3 控制單元功能

各個(gè)功能具體實(shí)現(xiàn)方式如下所述：

a）信息處理功能，采用具有MMU的對(duì)稱多核架構(gòu)處理器（主頻可達(dá)1 GHz），實(shí)現(xiàn)任務(wù)隔離遷移與重構(gòu)、智能控制算法等。SoPC處理器實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度管理、時(shí)間同步算法等功能。處理器與SoPC之間支持Rapid IO接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速交互。

b）存儲(chǔ)及監(jiān)測(cè)功能，采用DDR3存儲(chǔ)器，滿足處理器與SoPC數(shù)據(jù)、圖像等信息存儲(chǔ)功能；通過(guò)溫度傳感器與電壓采集模塊，對(duì)高功耗芯片的工作溫度與電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

c）電壓轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)DC-DC方式對(duì)數(shù)字配電模塊的輸出電壓進(jìn)行采集整形濾波及電壓轉(zhuǎn)換，為模塊內(nèi)各功能單元提供工作電壓；

d）接口功能，設(shè)計(jì)緊急斷電等關(guān)鍵信號(hào)的開關(guān)量輸入接口、422通信接口及以太網(wǎng)通信接口等，以滿足與測(cè)發(fā)控系統(tǒng)、其他子系統(tǒng)之間通信功能。

2.1.2 多核處理器與SoPC協(xié)同控制架構(gòu)

信息處理模塊采用多核處理器與SoPC協(xié)同控制架構(gòu)，在多核處理器上設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，根據(jù)功能需求及故障管理策略進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行計(jì)算、故障隔離與遷移等功能。在考慮硬件資源開銷等因素的前提下，從功能需求角度進(jìn)行分類，設(shè)計(jì)若干個(gè)應(yīng)用程序。由于應(yīng)用程序功能是相對(duì)獨(dú)立的，可根據(jù)應(yīng)用程序數(shù)量確定分區(qū)數(shù)量，從而保證每個(gè)應(yīng)用程序可以在指定分區(qū)中運(yùn)行。根據(jù)應(yīng)用程序劃分個(gè)分區(qū)（1，…，P），每個(gè)分區(qū)執(zhí)行的任務(wù)數(shù)為（1，…，M），操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)處理器工作狀態(tài)及任務(wù)優(yōu)先級(jí)，將任務(wù)分配至不同的處理器核，每個(gè)核上運(yùn)行任務(wù)總數(shù)為Core1，…，Corej，完成的任務(wù)總數(shù)為total：

同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)備份分區(qū)實(shí)現(xiàn)任務(wù)恢復(fù)功能，當(dāng)某個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)分區(qū)故障時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)備份分區(qū)，完成后續(xù)控制任務(wù)。

SoPC芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信協(xié)議棧、時(shí)鐘同步算法、通信調(diào)度管理機(jī)制等功能。通過(guò)調(diào)度表方式，實(shí)現(xiàn)與用戶層軟件之間的接口。處理器通過(guò)Rapid 接口將控制參數(shù)發(fā)送至SoPC，SoPC中軟件將接收消息進(jìn)行分類，按照預(yù)先設(shè)定通信時(shí)隙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速傳輸。

依托于高性能多核處理器與SoPC協(xié)同控制架構(gòu)，將軟硬件資源配置最優(yōu)化，既提高了大數(shù)據(jù)量計(jì)算與處理速度、軟件安全性與可靠性，又滿足大數(shù)據(jù)量高帶寬實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.2 接口模塊分類與設(shè)計(jì)

根據(jù)第1.1節(jié)所述，對(duì)功能需求進(jìn)行梳理，將接口模塊根據(jù)功能分為數(shù)字配電接口模塊、數(shù)據(jù)交互接口模塊及時(shí)序接口模塊3類。

a）數(shù)字配電接口模塊。

數(shù)字配電接口模塊提供配電接口，將輸入1路一次母線轉(zhuǎn)換為6路二次母線。該模塊接收數(shù)據(jù)交互模塊發(fā)送的控制指令，并通過(guò)FPGA算法對(duì)控制指令進(jìn)行解析與表決，完成對(duì)6路配電開關(guān)的控制，開關(guān)電路采取并聯(lián)冗余方式，提高接口模塊可靠性。

b）數(shù)據(jù)交互接口模塊。

數(shù)據(jù)交互接口模塊實(shí)現(xiàn)了綜合電子系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間及與外部其他設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互功能，可支持16個(gè)端節(jié)點(diǎn)之間相互通信。為了提高通信可靠性，采用2個(gè)FPGA及其對(duì)應(yīng)接口電路實(shí)現(xiàn)支持A、B通道的雙冗余轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。當(dāng)端節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送消息時(shí)，數(shù)據(jù)將會(huì)通過(guò)A、B通道被轉(zhuǎn)發(fā)，接收端節(jié)點(diǎn)根據(jù)消息校驗(yàn)位對(duì)數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行判別，將冗余消息進(jìn)行丟幀處理。

c）時(shí)序接口模塊。

時(shí)序接口模塊作為控制系統(tǒng)時(shí)序開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)，對(duì)安全性要求較高。該模塊設(shè)計(jì)了3個(gè)FPGA芯片，基于FPGA芯片實(shí)現(xiàn)控制指令接收與解析、三取二判決及時(shí)序狀態(tài)回采功能。3個(gè)FPGA之間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互接口，如圖4所示。控制流程如下所述：a）FPGA1將從A通道接收控制指令，并根據(jù)校驗(yàn)位判斷控制指令是否正確；b）若正確，則分別通過(guò)通道①③將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)至FPGA2與FPGA3，同時(shí)FPGA3不轉(zhuǎn)發(fā)其通過(guò)通道B收到的控制指令3）若錯(cuò)誤，則丟棄該控制指令，并通過(guò)通道①③將“健康診斷消息”發(fā)送至FPGA2與FPGA3；c）FPGA3收到該信息，則將由通道B收到的控制指令通過(guò)通道②③轉(zhuǎn)發(fā)至FPGA1與FPGA2。通過(guò)硬件冗余實(shí)現(xiàn)控制通路的冗余，防止一度故障時(shí)時(shí)序誤動(dòng)作，很大程度上提高了安全性。

圖4 時(shí)序接口模塊硬件示意

2.3 實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 分區(qū)及任務(wù)綁定

分區(qū)操作系統(tǒng)是基于第2.1.2節(jié)所述多核處理器而實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)將不同分區(qū)對(duì)應(yīng)內(nèi)存中不同物理地址，通過(guò)MMU實(shí)現(xiàn)虛擬地址和物理地址映射及保護(hù)，保證分區(qū)間的物理隔離性，為任務(wù)故障隔離奠定基礎(chǔ)。分區(qū)及任務(wù)綁定示意如圖5所示。

圖5 分區(qū)及任務(wù)綁定示意

操作系統(tǒng)為上層應(yīng)用程序提供了分區(qū)創(chuàng)建、初始化、任務(wù)與分區(qū)綁定等接口。創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，通過(guò)一個(gè)全局?jǐn)?shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)與分區(qū)綁定。不同分區(qū)中的任務(wù)通過(guò)Bridge結(jié)構(gòu)體訪問(wèn)系統(tǒng)資源、調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)，Bridge結(jié)構(gòu)體中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)函數(shù)接口、共享變量、自定義函數(shù)接口等，該方式提高了軟件系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.3.2 基于多核處理器的任務(wù)調(diào)度策略

本文所設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)采用內(nèi)存屏障、原子操作、自旋鎖3種同步互斥機(jī)制，協(xié)調(diào)多核間并行任務(wù)，避免共享變量與資源、內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等遭到破壞，保證臨界區(qū)的互斥訪問(wèn)及共享數(shù)據(jù)的可重入性，在確保系統(tǒng)正確性與完整性的前提下，提高計(jì)算效率。

基于全局隊(duì)列模型的任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占策略，操作系統(tǒng)會(huì)維護(hù)一個(gè)全局任務(wù)就緒隊(duì)列，所有就緒任務(wù)都進(jìn)入該隊(duì)列等待。調(diào)度器根據(jù)處理器各個(gè)核工作狀態(tài)及任務(wù)優(yōu)先級(jí)，喚醒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)?；谲浖H和性原則，將喚醒任務(wù)優(yōu)先分配至它上一次運(yùn)行的處理器核，減少任務(wù)在核間遷移開銷。全局隊(duì)列模型能有效解決多核系統(tǒng)負(fù)載平衡問(wèn)題。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于前文所述的綜合電子平臺(tái)架構(gòu)，本章設(shè)計(jì)了演示驗(yàn)證試驗(yàn)方案，對(duì)綜合電子系統(tǒng)總線拓?fù)?、模塊間高速通信、實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)、故障隔離與恢復(fù)等功能進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證平臺(tái)由信息處理模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，數(shù)據(jù)交互接口模塊，時(shí)序接口模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，數(shù)字配電接口模塊組成，采用雙通道星型冗余拓?fù)浼軜?gòu)。通過(guò)信息處理模塊模擬三冗余箭機(jī)、伺服控制器、慣組的功能，平臺(tái)實(shí)物如圖6所示。

圖6 綜合電子平臺(tái)實(shí)物

在本設(shè)計(jì)中，信息處理模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中9個(gè)控制單元設(shè)置為端節(jié)點(diǎn)，選取3個(gè)時(shí)鐘精度較高的控制單元作為箭機(jī)1、2、3（SM0、SM1、SM2），并提供全網(wǎng)同步時(shí)鐘源，其他6個(gè)控制單元節(jié)點(diǎn)為被同步的端節(jié)點(diǎn)。時(shí)序接口模塊設(shè)置為被同步的端節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)交互接口模塊為中心交換節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)名稱及所屬硬件模塊如表2所示。

SM0、SM1、SM2發(fā)送本地時(shí)間同步幀至數(shù)據(jù)交互接口模塊，數(shù)據(jù)交互接口模塊獲取時(shí)鐘信息，經(jīng)過(guò)固化壓縮產(chǎn)生修正后的本地時(shí)鐘，并將修正后的同步幀以16 ms周期發(fā)送至端節(jié)點(diǎn)SM0～SM2，SC3～SC12，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步。根據(jù)功能模塊之間數(shù)據(jù)流，設(shè)計(jì)了16路虛鏈路，具體如表3所示。

表2 節(jié)點(diǎn)名稱及分配表

Tab.2 Types of node name and allocation

節(jié)點(diǎn)名稱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)名稱所屬硬件模塊 箭機(jī)1SM0信息處理模塊Ⅰ 箭機(jī)2SM1信息處理模塊Ⅱ 箭機(jī)3SM2信息處理模塊Ⅲ 伺服控制器1SC3信息處理模塊Ⅰ 伺服控制器2SC4信息處理模塊Ⅱ 伺服控制器3SC5信息處理模塊Ⅲ 慣組1SC6信息處理模塊Ⅰ 慣組2SC7信息處理模塊Ⅱ 慣組3SC8信息處理模塊Ⅲ 時(shí)序接口模塊Ⅰ控制器SC9時(shí)序接口模塊Ⅰ 時(shí)序接口模塊Ⅱ控制器SC10時(shí)序接口模塊Ⅱ 時(shí)序接口模塊Ⅲ控制器SC11時(shí)序接口模塊Ⅲ 時(shí)序接口模塊Ⅳ控制器SC12時(shí)序接口模塊Ⅳ 交換機(jī)CM數(shù)據(jù)交互接口模塊

表3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型分配情況表

Tab.3 Types of network node

虛擬鏈路源端目的端意義 SN0SC3SM0、SM1、SM2伺服1→箭機(jī)1、2、3 SN 1SC4SM0、SM1、SM2伺服2→箭機(jī)1、2、3 SN 2SC5SM0、SM1、SM2伺服3→箭機(jī)1、2、3 SN 3SM0SC6、SC7、SC8箭機(jī)1→慣組1、2、3 SN 4SM1SC6、SC7、SC8箭機(jī)2→慣組1、2、3 SN 5SM2SC6、SC7、SC8箭機(jī)3→慣組1、2、3 SN 6SM0SC9、SC10、SC11、SC12箭機(jī)1→時(shí)序1、2、3、4 SN 7SM1SC9、SC10、SC11、SC12箭機(jī)2→時(shí)序1、2、3、4 SN 8SM2SC9、SC10、SC11、SC12箭機(jī)3→時(shí)序1、2、3、4 SN 9SC6SM0、SM1、SM2慣組1→箭機(jī)1、2、3 SN 10SC7SM0、SM1、SM2慣組2→箭機(jī)1、2、3 SN 11SC8SM0、SM1、SM2慣組3→箭機(jī)1、2、3 SN 12SC9SM0、SM1、SM2時(shí)序1→箭機(jī)1、2、3 SN 13SC10SM0、SM1、SM2時(shí)序2→箭機(jī)1、2、3 SN 14SC11SM0、SM1、SM2時(shí)序3→箭機(jī)1、2、3 SN 15SC12SM0、SM1、SM2時(shí)序4→箭機(jī)1、2、3

實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)運(yùn)行在箭機(jī)1、2、3處理器上，即SM0、SM1、SM2端節(jié)點(diǎn)中。根據(jù)應(yīng)用程序功能，設(shè)計(jì)6個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)上創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)任務(wù)，不同分區(qū)映射至不同內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)物理隔離。針對(duì)分區(qū)1設(shè)計(jì)備份分區(qū)，備份分區(qū)會(huì)周期性更新并保存數(shù)據(jù)。當(dāng)分區(qū)1出現(xiàn)故障時(shí)，立即對(duì)分區(qū)1進(jìn)行隔離，并初始化與啟動(dòng)備份分區(qū)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)故障隔離與恢復(fù)，分區(qū)情況如表4所示。

表4 分區(qū)情況統(tǒng)計(jì)

Tab.4 Statistical of partition

分區(qū)號(hào)應(yīng)用程序功能 分區(qū)1（P1）箭機(jī)接收慣組數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù) 分區(qū)2（P2）箭機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果向時(shí)序接口模塊發(fā)送控制命令 分區(qū)3（P3）箭機(jī)接收伺服控制器消息，并處理數(shù)據(jù) 分區(qū)4（P4）箭機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果向伺服控制器發(fā)送控制命令 分區(qū)5（P5）箭機(jī)接收時(shí)序回采結(jié)果，并處理數(shù)據(jù) 分區(qū)6（P6）同分區(qū)1任務(wù)（備份分區(qū)）

信息處理模塊中箭機(jī)1、2、3任務(wù)分區(qū)及通信方案如圖7所示。在多核處理器上，運(yùn)行基于分區(qū)操作系統(tǒng)的任務(wù)，在SoPC上運(yùn)行實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議。當(dāng)任務(wù)需要發(fā)送消息時(shí)，處理器與SoPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，SoPC會(huì)根據(jù)消息幀頭信息，將消息進(jìn)行分類，分類后的消息會(huì)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的消息隊(duì)列。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)度表，SoPC根據(jù)不同消息類型時(shí)槽發(fā)送消息至數(shù)據(jù)交互接口模塊，由該模塊轉(zhuǎn)發(fā)至目的地址對(duì)應(yīng)端節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)信息處理模塊接收數(shù)據(jù)交互模塊轉(zhuǎn)發(fā)的消息時(shí)，消息由SoPC接收，SoPC根據(jù)消息類型將消息分配至不同隊(duì)列，同時(shí)SoPC向處理器發(fā)送中斷，通知處理器讀取消息。

圖7 信息處理模塊分區(qū)與通信方案

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案開展試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)總線消息進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄，針對(duì)典型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，消息情況統(tǒng)計(jì)及任務(wù)遷移及恢復(fù)情況統(tǒng)計(jì)分別如表5與表6所示。表5中，以消息序號(hào)為2993、2996、2997、2998同步幀消息為例，根據(jù)時(shí)間戳計(jì)算，以16 ms為周期對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行時(shí)鐘同步，與設(shè)計(jì)值一致；序號(hào)為2671-2675、2978-2982、2991-2995的消息為SN6、SN7、SN8虛鏈路消息。由表5可以看出，當(dāng)箭機(jī)連續(xù)向時(shí)序接口模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ發(fā)送消息時(shí)，發(fā)送消息周期為8 ms，與設(shè)計(jì)值一致。由表5與表6可以看出，不同任務(wù)在預(yù)先分配的分區(qū)1～5運(yùn)行，與表4中的設(shè)計(jì)值一致；由表6可以看出，在消息序號(hào)為2724的消息處，分區(qū)1出現(xiàn)故障，將分區(qū)1進(jìn)行隔離，任務(wù)遷移至備份分區(qū)6，并正常運(yùn)行，箭機(jī)能夠正常接收慣組數(shù)據(jù)，完成了任務(wù)遷移與恢復(fù)功能。

表5 消息情況統(tǒng)計(jì)

Tab.5 Statistical of messages

消息序號(hào)發(fā)送時(shí)間虛鏈路序號(hào)/幀類型消息描述分區(qū)情況 267134.415777SN6/類型1箭機(jī)1→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 267234.423776SN6/類型1箭機(jī)1→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 267334.431264無(wú)同步幀 267434.431777SN6/類型1箭機(jī)1→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 267534.439750SN6/類型1箭機(jī)1→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 …… 297838.095794SN8/類型1箭機(jī)3→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 297938.103803SN8/類型1箭機(jī)3→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 298038.111193無(wú)同步幀 298138.111794SN8/類型1箭機(jī)3→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 298238.119739SN8/類型1箭機(jī)3→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 …… 278535.871445SN0/類型1伺服1→箭機(jī)1、2、3分區(qū)3 ……

續(xù)表5

消息序號(hào)發(fā)送時(shí)間虛鏈路序號(hào)/幀類型消息描述分區(qū)情況 299138.239696SN7/類型1箭機(jī)2→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 299238.247750SN7/類型1箭機(jī)2→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 299338.255190無(wú)同步幀 299438.255751SN7/類型1箭機(jī)2→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 299538.263750SN7/類型1箭機(jī)2→時(shí)序1、2、3、4分區(qū)2 299638.271188無(wú)同步幀 299738.287189無(wú)同步幀 299838.303189無(wú)同步幀 …… 300138.319931SN12/類型1時(shí)序1→箭機(jī)1、2、3分區(qū)5

表6 任務(wù)遷移及恢復(fù)情況統(tǒng)計(jì)

Tab.6 Statistical of task migration and recovery

消息序號(hào)發(fā)送時(shí)間虛鏈路序號(hào)/幀類型消息描述分區(qū)情況 270934.887912SN9/類型1慣組1→箭機(jī)1、2、3 分區(qū)1 271034.887913SN10/類型1慣組2→箭機(jī)1、2、3分區(qū)1 271134.888071SN11/類型1慣組3→箭機(jī)1、2、3分區(qū)1 …… 272335.023790SN5/類型1箭機(jī)2→伺服1、2、3分區(qū)4 272435.031913SN9/類型1慣組1→箭機(jī)1、2、3 分區(qū)6 272535.031914SN10/類型1慣組2→箭機(jī)1、2、3分區(qū)6 272635.032077SN11/類型1慣組3→箭機(jī)1、2、3分區(qū)6

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)未來(lái)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)需求進(jìn)行研究與分析，設(shè)計(jì)了一種雙通道星型冗余總線拓?fù)涞木C合電子平臺(tái)，基于該平臺(tái)對(duì)多核處理器與SoPC協(xié)同控制架構(gòu)、實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)、接口模塊的分類與設(shè)計(jì)、高速通信等技術(shù)進(jìn)行研究及工程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)演示驗(yàn)證試驗(yàn)，模擬三冗余箭機(jī)、伺服控制器、慣組、配電、時(shí)序等功能，驗(yàn)證了信息處理模塊及接口模塊、高速通信、總線拓?fù)?、任?wù)遷移與恢復(fù)等功能。對(duì)運(yùn)載火箭綜合電子平臺(tái)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，為后續(xù)運(yùn)載火箭綜合電子平臺(tái)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

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Design and Research of New Generation Integrated Electronic Platform for Future Launch Vehicle

WANG Yuanjin1, ZHANG Jun1,2, DUAN Ran1,2, HAN Xiangyu1, LIU Zhu1

(1. Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing, 100854;2. Science and Technology On Aerospace Intelligent Control Laboratory, Beijing, 100854)

In order to meet the requirements of intelligent control, task migration and recovery and real-time communication of large amounts of data for the launch vehicle electrical system, the key technologies of Multi-core CPU and SoPC collaborative control architecture, classification and design of interface modules, real-time partition operating system, and dual-channel redundancy topology are researched. An integrated electronic platform based on real-time partition operating system is proposed and implemented. Through the experiment, functional performance such as hardware module, high-speed communication, network topology, task migration and recovery is verified. At present, this system is applied to the integrated electronic products for heavy launch vehicle, which is providing technical support for the optimization and development of technology in the future.

launch vehicle; multi-core CPU and SoPC collaborative control architecture; classification and design of interface modules; real-time partition operating system; integrated electronic platform

2097-1974(2023)02-0058-07

10.7654/j.issn.2097-1974.20230212

TP353

A

2020-05-19；

2020-07-23

王苑瑾（1985-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)。

張 雋（1987-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茏灾飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

段 然（1976-），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)綜合設(shè)計(jì)。

韓翔宇（1982-），男，研究員，主要研究方向?yàn)檐浖_發(fā)與測(cè)試技術(shù)。

柳 柱（1976-），男，研究員，主要研究方向?yàn)楦咝阅苡?jì)算與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。