[发明专利]一种时变计算机及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种航天应用的、可根据卫星任务、通过硬件编程自主改变系统功能并进行故障处理的、可通过地面站在线升级的时变计算机及其实现方法。

背景技术

随着微电子、计算机等相关技术的发展，航天器逐渐向微小型化方向发展，原来的星载电子系统分布式结构已经不能够满足日益缩小的结构要求，星载计算机越来越多的集成了传统姿态轨道控制、电源管理、热控等分系统下位机的功能。这种发展对星载计算机的处理能力提出了更高的要求。

为了解决上述问题，出现了将基于现场可编程逻辑器件FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列，以下同)应用到星载计算机中的设计方法。现有技术中采用FPGA器件实现星载系统功能有两种方式，一种是基于处理器+软件的传统计算机模式，处理器采用FPGA硬件编程实现，而不是固定的通用芯片或ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)，星载计算机系统功能仍然通过下载到处理器中的软件实现，这种方式便于修改设计结果，缩短了设计周期，但是星载系统的性能较传统设计方法并没有较大改善；另一种方式是采用软硬件协同设计方法，即将FPGA划分为两个区域或直接用两片FPGA实现，一部分星载系统功能的实现通过第一种方法中的处理器+软件结构，而有些功能中涉及到占用较长机器周期的运算，将这部分运算从软件设计中分离出来，采用硬件编程的方式实现，即硬件加速部分。通过软件调度与对FPGA硬件加速部分的重新配置改变卫星部分功能，但是这种方法在系统升级时， 需要对软硬件都进行升级，且在发生故障时，无法定位是硬件故障还是软件故障，这就增加了系统升级和恢复的难度，使电路设计的复杂度大大提高，可靠性下降。

目前FPGA可以以全硬件编程的方式来实现多任务的处理功能。所谓全硬件编程方式，是指采用硬件描述语言对需要实现的任务或算法进行编程，并通过仿真、验证、逻辑综合等一系列专业设计流程，将其转化为能够直接下载到FPGA中的配置文件，完成下载的FPGA即能够实现所要求的任务或算法。这种硬件可重构技术只需要单个FPGA芯片即可动态地实现多任务的处理功能，具备高处理速度、高可靠性的优点，但是目前并没有将这种全硬件可重构技术应用到星载计算机设计的实例。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用FPGA硬件编程电路进行计算、可根据具体任务改变FPGA内部硬件结构即系统处理器功能、可通过地面站在线升级硬件配置系统、可实现单机容错、高处理速度、高可靠性的时变计算机。

为实现本发明目的，本发明技术方案采用处理器单元+配置单元+射频单元结构，采用硬件描述语言实现卫星姿态与轨道控制、星务管理、有效载荷管理等功能，并将这些功能生成模块化的FPGA配置文件存储到存储器中，系统上电后自动将初始程序配置到FPGA中运行，通过对FPGA的硬件编程实现初始功能；当前任务完成后，微控制器控制存储器，将存储器中相应的配置文件下载到FPGA使其实现新的功能。功能模块的硬件实现具有天然的并行性，大大提高了系统处理速度。当受到单粒子效应的影响时，系统监控机制发出信号，微控制器下载默认配置文件，排除系统故障，恢复卫星正常工作。时变计算机设计有射频模块，主要完成星地测控、星间通信，并可以配合FPGA处理器完成星间测距功能，同时，地面站对时变计算机的在线 硬件升级可通过射频模块进行。

具体技术方案为：

一种时变计算机，包括：

处理器单元，包括有可编程逻辑器件FPGA，在配置单元的控制下，通过下载配置单元中的不同的功能模块到FPGA中，实现时变计算机的多任务处理，并且能够在配置单元的监测下进行故障处理，其中所述的功能模块以通过硬件编程语言生成的配置文件的方式下载到FPGA中，用于实现卫星数据处理和星务管理功能，所述处理器单元还包括用于备份处理器单元中需要保护的数据的备份存储器；

配置单元，包括用于实现对FPGA的监控、重构控制与升级控制功能的微控制器，以及用于存储实现卫星数据处理与星务管理的各种功能模块的配置存储器，所述配置单元能够根据任务要求配置不同的功能模块到处理器单元中，并且配合处理器单元进行故障处理；

射频单元，用于完成在卫星系统与地面站之间硬件配置文件的在线升级文件的上传，并配合处理器单元完成星地测控、星间通信、星间测距功能。

所述处理器单元还包括：用于缓存处理数据和运行程序的静态随机存储器SRAM。

所述射频单元采用集发送和接收一体的芯片nRF2401。