基于SoC技術(shù)提高航天控制系統(tǒng)自主可控能力的策略研究

張妍 張亞波 李萌 孫靖

摘? 要：為了提高我國航天控制系統(tǒng)的自主可控能力，本文提出了基于SoC技術(shù)的航天控制系統(tǒng)發(fā)展策略，詳細(xì)介紹了SoC技術(shù)的基本概念、主要特性，以及對實現(xiàn)自主可控的航天控制系統(tǒng)的重要性，并提出SoC設(shè)計的整體流程及其質(zhì)量管理管理方案。本文從航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與及系統(tǒng)級驗證兩個方面闡述了對所設(shè)計系統(tǒng)的驗證方式，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

關(guān)鍵詞：SoC技術(shù)? 控制系統(tǒng)? 自主可控? 系統(tǒng)驗證

中圖分類號：V44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0004-03

Research on Strategy of Improving Autonomous Controllability of Aerospace Control System Based on SoC Technology

ZHANG Yan? ZHANG Yabo? LI Meng? SUN Jing

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076? China）

Abstract： In order to improve the autonomous and controllability of China's aerospace control system， this paper puts forward the development strategy of aerospace control system based on SoC technology. The basic concept and main characteristics of SoC technology and its importance to the realization of autonomous and controllable aerospace control system are introduced in detail. The overall process of SoC design and its quality management scheme are put forward. FINALLY， the verification method of the designed system is described from two aspects： SoC software and hardware function division and system level verification of aerospace control system， so as to ensure the stability and reliability of the system.

Key Words： SoC technology; Control system; Autonomous and controllable; System verification

自20世紀(jì)50年代以來，航天技術(shù)充分結(jié)合并利用各個學(xué)科、門類的發(fā)展，在相關(guān)的各項技術(shù)上都有了突破性的進(jìn)展。衛(wèi)星從最初的科學(xué)探究試驗逐步走向了面向應(yīng)用的發(fā)展策略。目前，航天器已廣泛涵蓋了多種深空探測器、空間站及各種應(yīng)用衛(wèi)星等[1]。自Wiener創(chuàng)立的經(jīng)典控制理論以來，隨著工業(yè)及人們生活需求的不斷提升，控制理論正在朝著系統(tǒng)化、集成化、智能化的方向發(fā)展[2]。特別是在航天應(yīng)用領(lǐng)域，因我國國防安全的特殊要求，其控制系統(tǒng)智能化成為評價一個國家國防能力的重要指標(biāo)。航天控制系統(tǒng)的可靠性與相關(guān)技術(shù)的自主可控能力已經(jīng)受到了各個國家相關(guān)科研人員的高度重視。

此外，雖然近年來我國的航天技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，但是由于我國對航天控制系統(tǒng)的研究起步較晚，目前依然存在控制系統(tǒng)儀器多、集成度低、可靠性差、部分高精尖技術(shù)依賴進(jìn)口、不可控等問題。因此如何實現(xiàn)完全自主的設(shè)計并滿足符合我國航天設(shè)備型號需求的、適用于嵌入實時控制的產(chǎn)品是當(dāng)前面臨的最為迫切的問題。在上述需求背景下，片上系統(tǒng)（SoC，System On a Chip）作為現(xiàn)代電子技術(shù)系統(tǒng)化、智能化發(fā)展的重要研究方向，將其與知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)相結(jié)合，為我國完成自主可控、靈活可靠的航天控制系統(tǒng)提供新的機(jī)遇。

1? SoC及其重要性分析

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，并結(jié)合微組裝、EDA等相關(guān)技術(shù)，可以將原傳統(tǒng)機(jī)箱搭建的電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨燃傻陌浻布δ艿碾娮有酒撔酒礊镾oC。結(jié)合SoC技術(shù)的特點與優(yōu)勢，可以將所需的航天控制系統(tǒng)集成在一個或多個電路芯片上，以包含所需的飛控軟件、各類電路的功能，該芯片即被稱為片上控制系統(tǒng)。根據(jù)片上控制系統(tǒng)規(guī)模的大小，可以將其粗略的分為兩大類。一類是將飛行控制軟件與功耗較低的電路集成在一定數(shù)量的SoC中，從而實現(xiàn)部分功能的集成，該類方式被稱為狹義的片上控制系統(tǒng);另一類則是將控制系統(tǒng)的各部分模塊全部利用微硅的方式來集成，因此被稱為完全片上控制系統(tǒng)[3]。

對于航天控制系統(tǒng)，利用SoC技術(shù)可以從特定的應(yīng)用出發(fā)，并將其嵌入到相應(yīng)的電控系統(tǒng)中，從而達(dá)到高度集成、可靠，且功耗低的目的[4]。具體來說，SoC的主要特點可以總結(jié)為如下幾個方面。

（1）SoC涉及領(lǐng)域較廣、涵蓋技術(shù)眾多。例如，在航天控制系統(tǒng)的Soc與微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、集成技術(shù)及諸多跨學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)具有較為密切的關(guān)系。

（2）由于高度的集成使得SoC的功能密度大、成本低。

（3）在航天控制系統(tǒng)中，SoC在設(shè)計過程中應(yīng)與相應(yīng)的航天型號及應(yīng)用進(jìn)行緊密結(jié)合，確保其在有效的面積上，能夠高效、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)及功能的集成。

（4）當(dāng)SoC設(shè)計完成之后，便很難進(jìn)行二次開發(fā)。也就算說其功能無法在后期進(jìn)行進(jìn)一步的修改與完善。因此在設(shè)計之初，應(yīng)當(dāng)具備一套較為完善的SoC開發(fā)工具、環(huán)境及驗證手段，從而保證其產(chǎn)品的質(zhì)量。

由于SoC技術(shù)對于航天控制系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品能夠在性能、功耗等方面做出巨大的提升，因此近年來在國內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注，為了提高我國航天控制系統(tǒng)的自主可控能力，對其進(jìn)行研究具有極其重要的意義與價值。

2? SoC設(shè)計流程及其質(zhì)量管理

2.1 SoC設(shè)計流程

關(guān)于航天系統(tǒng)的SoC設(shè)計，首先需要了解其詳細(xì)的設(shè)計流程。圖1為SoC設(shè)計開發(fā)過程的具體流程，即主要包括4個步驟。

2.1.1 系統(tǒng)分析和設(shè)計

結(jié)合航天設(shè)備的具體型號及相關(guān)的應(yīng)用需求，完成所需的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并構(gòu)建相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。同時，根據(jù)系統(tǒng)中的軟件及硬件的特性，明確航天控制系統(tǒng)具體的功能，并通過任務(wù)書的形式，給出較為具體的用于分析其系統(tǒng)性能的詳細(xì)指標(biāo)[5]。

2.1.2 方案論證和設(shè)計

結(jié)合步驟（1）給出的任務(wù)書，確定相關(guān)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)，并完成SoC芯片的總體方案設(shè)計。通過分析和驗證明確芯片的功能規(guī)格、靜電防護(hù)、核心處理器的選用、不同子模塊的IP核，及國產(chǎn)化需求等。

2.1.3 芯片ASIC設(shè)計

根據(jù)總體方案設(shè)計，完成SoC源代碼編寫、仿真測試、布局布線等相關(guān)設(shè)計與測試，并對芯片進(jìn)行封裝與生產(chǎn)。

2.1.4 測試與應(yīng)用

對所設(shè)計并生產(chǎn)的芯片進(jìn)行完善的測試，主要包括功能的完整性與可靠性測試、詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)驗證、系統(tǒng)級驗證，同時對其進(jìn)行產(chǎn)品鑒定與應(yīng)用[6]。

2.2 SoC研制質(zhì)量管理

SoC的質(zhì)量關(guān)系到整個航天設(shè)備穩(wěn)定性及可靠性，任何的故障都可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對SoC研制過程中每一步的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制與管理具有非常重要的意義。應(yīng)結(jié)合圖1所示的研制流程圖及具體的航天設(shè)備需求，制定詳細(xì)的質(zhì)量管理及評分手冊，只有在當(dāng)前設(shè)計步驟滿足規(guī)定得評分要求時，才能進(jìn)入下一階段，并在合理的研制節(jié)點，根據(jù)系統(tǒng)需求，組織相關(guān)專家進(jìn)行復(fù)查與驗收工作，從而有效地減少個別人為因素導(dǎo)致的評審不規(guī)范問題。

SoC源代碼主要是通過VHDL或Verilog HDL語言來編寫的，其在很大程度上直接決定了航天控制系統(tǒng)的功能的實現(xiàn)及性能的優(yōu)劣。對于諸如針對衛(wèi)星、彈載等航天設(shè)備開發(fā)的源代碼主要采用A級軟件管理，而如果是對地匝測試設(shè)備等應(yīng)用所開發(fā)的SOC代碼，則通過B級軟件管理。

3? 航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與驗證

3.1 軟硬件功能調(diào)試及劃分

SoC的設(shè)計復(fù)雜度、集成度很高，主要包括系統(tǒng)分析、規(guī)范描述、系統(tǒng)級驗證三大方面。利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行軟硬件劃分、確定模塊功能和體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法實現(xiàn)SoC的設(shè)計，必須按照設(shè)計重用和IP組裝的概念進(jìn)行設(shè)計，即可提高效率。劃分過程非常重要，該過程要對模塊劃分、模塊接口、處理性能等進(jìn)行優(yōu)化，同時降低功耗，保持信號完整，交流溝通順暢，設(shè)計收斂。需要注意的是，此劃分過程全部在EDA環(huán)境中進(jìn)行，首先進(jìn)行系統(tǒng)分析和系統(tǒng)級驗證，再經(jīng)過有限次迭代。為完成好這些步驟，前端和后端必須實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)，時域必須性能優(yōu)良，總線設(shè)計整體調(diào)試方便，設(shè)計使用恰當(dāng)，保證后期的迭代次數(shù)減少，以完成正確的系統(tǒng)規(guī)格（System specmcation）。

3.2 SoC系統(tǒng)級驗證

系統(tǒng)級驗證貫穿SoC設(shè)計整個流程，主要包括驗證規(guī)劃、IP核驗證、功能驗證、系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性驗證等部分。

首先，完整的驗證規(guī)劃主要包括對模塊和頂層的測試策略;SoC設(shè)計為實現(xiàn)高質(zhì)量的驗證，嚴(yán)格要求設(shè)計需求和規(guī)范，把系統(tǒng)級的功能驗證和時序驗證作為最重要的部分。從第一步驗證規(guī)劃開始就進(jìn)行了系統(tǒng)驗證，方便與設(shè)計師進(jìn)行及時交互，作為驗證過程的說明書，保證整個驗證過程具有較強的可讀性及易用性。

其次，IP核驗證作為整個系統(tǒng)驗證的前提條件，其主要作用是用于驗證IP功能及時序的正確性。為了避免由于當(dāng)前航天控制系統(tǒng)功能的不斷增加，導(dǎo)致時序驗證的復(fù)雜度成指數(shù)性增長，在設(shè)計初期應(yīng)建立相應(yīng)的驗證規(guī)范與計劃。

功能驗證最初是用直接測試向量進(jìn)行的，但是這種方法存在很多的弊端，如耗費時間長、投入精力多、覆蓋率低、操作繁瑣。因此，只能滿足相對簡單、復(fù)雜度低的系統(tǒng)。隨著設(shè)計規(guī)模的增大，在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展了更為方便地約束隨機(jī)測試，此方法仍然包括語言、平臺和方法3個關(guān)鍵點。作為驗證中最復(fù)雜，工作量最大也最靈活的部分，該方法大大縮短了驗證時間，而且覆蓋率高，以基于斷言的驗證方法為例，其利用約束隨機(jī)測試向量可以對輸入的期望行為進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，從而利于描述設(shè)計中的一些復(fù)雜關(guān)系。

最后，對系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行驗證。在實現(xiàn)基于SoC技術(shù)的自主可控航天控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，在確保基于SoC的功能性完整之外，還需要對其在特定環(huán)境中的工作性能及穩(wěn)定性進(jìn)行分析與驗證。例如，通過強電磁脈沖干擾等環(huán)境，對其工作性能進(jìn)行驗證。

4? 結(jié)語

本文針對如何提高我國航天控制系統(tǒng)自主可控能力的策略問題，研究了基于SoC技術(shù)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)及驗證方式，闡述了SoC的基本概念及其對實現(xiàn)自主可控的航天控制系統(tǒng)的重要意義，并提出了SoC設(shè)計的詳細(xì)流程，明確了其質(zhì)量管理的必要性。最后，為了保證設(shè)計系統(tǒng)的有效性，總結(jié)概括了航天控制系統(tǒng)的SoC軟硬件功能劃分與驗證方法，對實現(xiàn)自主可控的航天控制系統(tǒng)具有一定的參考價值。

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