面向未來運載火箭的新一代綜合電子平臺設計與研究

王苑瑾，張 雋,2，段 然,2，韓翔宇，柳 柱

面向未來運載火箭的新一代綜合電子平臺設計與研究

王苑瑾1，張 雋1,2，段 然1,2，韓翔宇1，柳 柱1

（1. 北京航天自動控制研究所，北京，100854；2. 宇航智能控制技術國家重點實驗室，北京，100854）

為滿足運載火箭電氣系統中智能控制、任務遷移與恢復、大數據量實時通信等需求，對多核處理器與SoPC協同控制架構、接口模塊分類與設計、實時分區操作系統及雙通道星型冗余拓撲等關鍵技術進行研究，提出了一種基于實時分區操作系統的綜合電子平臺方案并進行工程實現。通過演示驗證試驗，對綜合電子平臺中的功能模塊、總線拓撲與通信、任務隔離、遷移與恢復等功能進行驗證。目前該方案已應用于運載火箭綜合電子產品中，為后續技術的深入研究與優化奠定了基礎。

運載火箭；多核處理器與SoPC協同控制架構；接口模塊分類與設計；實時分區操作系統；綜合電子平臺

0 引 言

運載火箭電氣系統功能愈發復雜，對全系統資源優化設計、自主智能化的需求愈發迫切[1]。相比于傳統運載火箭電氣系統，未來運載火箭電氣系統具有智能計算、任務遷移與恢復、大數據量高速通信、健康管理等功能需求[2]，對運載火箭電氣系統硬件與軟件架構、總線傳輸帶寬與拓撲等提出了更高要求，因此需要采用先進電氣設計理念對全系統軟硬件資源進行優化設計。

綜合電子系統是目前國內外航天電氣系統領域發展的趨勢，具有高度綜合化、標準化、模塊化等特點。綜合電子系統是一種基于高性能處理器的分布式實時計算系統，通過高速總線、標準接口實現傳感器、子系統等信息交互，實現功能高度集成、軟硬件資源共享，不僅縮小了軟硬件規模、提高系統可靠性與維修性，還提升了系統模塊化與標準化水平。

國外綜合電子系統發展迅速，NASA在2010年研制的Orion電子系統采用綜合電子架構，核心計算機與數據處理單元構成基本信息傳輸與處理設備，采用高速實時以太網實現數據交互。法國研制Avionics4000綜合電子系統，具有供配電、數據管理等功能[3]。歐空局下一代運載火箭計劃也提出了航天運載器綜合電子系統架構，將傳統電子設備抽象為一個模塊化的信息處理單元，多個模塊之間通過總線實現互聯，構成各個分系統[4]。

中國運載火箭的電氣系統普遍采用了主從式1553B總線的“慣性測量設備+計算機+各類控制器”分布式架構，以高可靠性要求為牽引，形成各具特點的冗余系統[5]。為了充分利用硬件資源，研究人員提出了系統集成和一體化設計的思想，但還未能實現系統集成設計[6]。

目前中國電氣系統總線協議兼容性、站點數、通信距離、傳輸速度等方面均無法滿足運載火箭大數據量實時傳輸需求[7]。處理器性能及架構也有待提高，以滿足運載火箭智能控制算法、實時分區操作系統、任務遷移與恢復等功能需求?？刂葡到y軟件無操作系統或采用基于優先級的搶占式實時操作系統，內存均為靜態分配，軟件系統安全性、可靠性較差[8]。

借鑒國外綜合電子系統的設計思路，并針對未來運載火箭電氣系統需求進行研究與分析，本文提出了一種基于實時分區操作系統的綜合電子平臺方案并進行工程實現。對多核處理器與可編程片上系統（System-on-a-Programmable-Chip，SoPC）協同控制架構、接口模塊分類與設計、實時分區操作系統、雙通道星型冗余高速總線拓撲等技術進行分析與研究。通過演示驗證試驗，驗證了綜合電子平臺的硬件模塊、總線拓撲與高速通信、任務隔離、遷移與恢復等功能性能指標，對運載火箭的綜合電子平臺進行了探索和實踐，為后續研究奠定了基礎。

1 綜合電子平臺架構設計

1.1 綜合電子平臺功能分析

為滿足運載火箭智能化、系統化、模塊化要求，對電氣系統應用需求、功能性能指標進行歸類分析，優化硬件軟件資源配置，實現具有標準化接口的綜合電子系統。對系統中各功能項進行統計與分析，并轉換為各個硬件與軟件需求，如表1所示。

表1 功能項及需求

Tab.1 Function items and requirements

功能項硬件軟件需求功能模塊 慣組數據處理處理器與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 衛星導航算法處理器與FPGA資源信息處理模塊 高速數據通信FPGA資源、總線協議與拓撲接口模塊 遙測數據處理處理器與FPGA資源信息處理模塊 傳感器數據處理處理器與FPGA資源信息處理模塊 時序輸出及測試FPGA資源、控制及測試資源接口模塊 模擬量測試FPGA資源、控制及測試資源接口模塊 供配電及測試FPGA資源、控制及測試資源接口模塊 故障隔離與重構處理器資源及分區操作系統信息處理模塊

1.2 綜合電子平臺硬件方案

對表1進行分析，將控制系統應用需求映射至硬件功能模塊，同時考慮最優化的軟硬件資源配置，本文所述綜合電子平臺設計兩類模塊，即信息處理模塊及接口模塊，其中接口模塊根據功能分為數字配電接口模塊、數據交互接口模塊、時序接口模塊。綜合電子平臺模塊組成如圖1所示。

圖1 綜合電子平臺模塊組成

綜合電子平臺中各模塊的主要功能包括如下4個方面：

a）3個信息處理模塊對應處理器與FPGA資源，可以實現分區操作系統、數據處理、智能控制算法、衛星導航算法、故障隔離與重構、高速數據通信等功能；

b）數字配電接口模塊對應FPGA資源、控制及測試硬件資源，實現配電指令解析，完成對各功能模塊、系統內其他設備配電功能；

c）數據交互接口模塊對應FPGA資源，實現數據轉發功能，保證各個功能模塊之間、模塊與外部設備之間的高速通信功能；

d）時序接口模塊對應FPGA資源、控制及測試硬件資源，實現時序指令接收與解析，完成控制與回采測試功能。

為了滿足數據高速傳輸及高可靠性的設計要求，平臺采用雙通道星型冗余總線拓撲，以數據交互接口為冗余交換機的節點，以信息處理模塊、時序接口模塊、地面控制器等為端節點，用以實現模塊之間、綜合電子系統與地面控制器之間的高速通信功能。綜合電子平臺硬件架構如圖2所示。

圖2 綜合電子平臺硬件架構

2 綜合電子平臺關鍵技術

2.1 基于信息處理模塊的協同控制架構

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

2.1.1 信息處理模塊方案設計

本文設計的信息處理模塊由3組控制單元組成，每個控制單元實現了信息處理、存儲及監測、電壓轉換及接口功能，如圖3所示。

圖3 控制單元功能

各個功能具體實現方式如下所述：

a）信息處理功能，采用具有MMU的對稱多核架構處理器（主頻可達1 GHz），實現任務隔離遷移與重構、智能控制算法等。SoPC處理器實現高速實時以太網協議、網絡通信調度管理、時間同步算法等功能。處理器與SoPC之間支持Rapid IO接口，可實現數據高速交互。

b）存儲及監測功能，采用DDR3存儲器，滿足處理器與SoPC數據、圖像等信息存儲功能；通過溫度傳感器與電壓采集模塊，對高功耗芯片的工作溫度與電壓進行實時監測。

c）電壓轉換功能，通過DC-DC方式對數字配電模塊的輸出電壓進行采集整形濾波及電壓轉換，為模塊內各功能單元提供工作電壓；

d）接口功能，設計緊急斷電等關鍵信號的開關量輸入接口、422通信接口及以太網通信接口等，以滿足與測發控系統、其他子系統之間通信功能。

2.1.2 多核處理器與SoPC協同控制架構

信息處理模塊采用多核處理器與SoPC協同控制架構，在多核處理器上設計實時分區操作系統，根據功能需求及故障管理策略進行分區設計，實現多任務并行計算、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，從功能需求角度進行分類，設計若干個應用程序。由于應用程序功能是相對獨立的，可根據應用程序數量確定分區數量，從而保證每個應用程序可以在指定分區中運行。根據應用程序劃分個分區（1，…，P），每個分區執行的任務數為（1，…，M），操作系統會根據處理器工作狀態及任務優先級，將任務分配至不同的處理器核，每個核上運行任務總數為Core1，…，Corej，完成的任務總數為total：

同時設計一個備份分區實現任務恢復功能，當某個任務對應分區故障時，操作系統會啟動備份分區，完成后續控制任務。

SoPC芯片實現以太網通信協議棧、時鐘同步算法、通信調度管理機制等功能。通過調度表方式，實現與用戶層軟件之間的接口。處理器通過Rapid 接口將控制參數發送至SoPC，SoPC中軟件將接收消息進行分類，按照預先設定通信時隙實現數據實時高速傳輸。

依托于高性能多核處理器與SoPC協同控制架構，將軟硬件資源配置最優化，既提高了大數據量計算與處理速度、軟件安全性與可靠性，又滿足大數據量高帶寬實時傳輸的要求。

2.2 接口模塊分類與設計

根據第1.1節所述，對功能需求進行梳理，將接口模塊根據功能分為數字配電接口模塊、數據交互接口模塊及時序接口模塊3類。

a）數字配電接口模塊。

數字配電接口模塊提供配電接口，將輸入1路一次母線轉換為6路二次母線。該模塊接收數據交互模塊發送的控制指令，并通過FPGA算法對控制指令進行解析與表決，完成對6路配電開關的控制，開關電路采取并聯冗余方式，提高接口模塊可靠性。

b）數據交互接口模塊。

數據交互接口模塊實現了綜合電子系統內部各模塊間及與外部其他設備之間數據交互功能，可支持16個端節點之間相互通信。為了提高通信可靠性，采用2個FPGA及其對應接口電路實現支持A、B通道的雙冗余轉發機制。當端節點之間發送消息時，數據將會通過A、B通道被轉發，接收端節點根據消息校驗位對數據正確性進行判別，將冗余消息進行丟幀處理。

c）時序接口模塊。

時序接口模塊作為控制系統時序開關控制節點，對安全性要求較高。該模塊設計了3個FPGA芯片，基于FPGA芯片實現控制指令接收與解析、三取二判決及時序狀態回采功能。3個FPGA之間設計數據交互接口，如圖4所示?？刂屏鞒倘缦滤觯篴）FPGA1將從A通道接收控制指令，并根據校驗位判斷控制指令是否正確；b）若正確，則分別通過通道①③將控制指令轉發至FPGA2與FPGA3，同時FPGA3不轉發其通過通道B收到的控制指令3）若錯誤，則丟棄該控制指令，并通過通道①③將“健康診斷消息”發送至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通道②③轉發至FPGA1與FPGA2。通過硬件冗余實現控制通路的冗余，防止一度故障時時序誤動作，很大程度上提高了安全性。

圖4 時序接口模塊硬件示意

2.3 實時分區操作系統設計

2.3.1 分區及任務綁定

分區操作系統是基于第2.1.2節所述多核處理器而實現，操作系統將不同分區對應內存中不同物理地址，通過MMU實現虛擬地址和物理地址映射及保護，保證分區間的物理隔離性，為任務故障隔離奠定基礎。分區及任務綁定示意如圖5所示。

圖5 分區及任務綁定示意

操作系統為上層應用程序提供了分區創建、初始化、任務與分區綁定等接口。創建任務時，通過一個全局數組來實現任務與分區綁定。不同分區中的任務通過Bridge結構體訪問系統資源、調用系統函數，Bridge結構體中設計了系統函數接口、共享變量、自定義函數接口等，該方式提高了軟件系統的安全性和可靠性。

2.3.2 基于多核處理器的任務調度策略

本文所設計的操作系統采用內存屏障、原子操作、自旋鎖3種同步互斥機制，協調多核間并行任務，避免共享變量與資源、內核數據結構等遭到破壞，保證臨界區的互斥訪問及共享數據的可重入性，在確保系統正確性與完整性的前提下，提高計算效率。

基于全局隊列模型的任務優先級搶占策略，操作系統會維護一個全局任務就緒隊列，所有就緒任務都進入該隊列等待。調度器根據處理器各個核工作狀態及任務優先級，喚醒最高優先級任務?；谲浖H和性原則，將喚醒任務優先分配至它上一次運行的處理器核，減少任務在核間遷移開銷。全局隊列模型能有效解決多核系統負載平衡問題。

3 試驗方案設計

基于前文所述的綜合電子平臺架構，本章設計了演示驗證試驗方案，對綜合電子系統總線拓撲、模塊間高速通信、實時分區操作系統、故障隔離與恢復等功能進行驗證。

驗證平臺由信息處理模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，數據交互接口模塊，時序接口模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，數字配電接口模塊組成，采用雙通道星型冗余拓撲架構。通過信息處理模塊模擬三冗余箭機、伺服控制器、慣組的功能，平臺實物如圖6所示。

圖6 綜合電子平臺實物

在本設計中，信息處理模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中9個控制單元設置為端節點，選取3個時鐘精度較高的控制單元作為箭機1、2、3（SM0、SM1、SM2），并提供全網同步時鐘源，其他6個控制單元節點為被同步的端節點。時序接口模塊設置為被同步的端節點，數據交互接口模塊為中心交換節點，各個節點名稱及所屬硬件模塊如表2所示。

SM0、SM1、SM2發送本地時間同步幀至數據交互接口模塊，數據交互接口模塊獲取時鐘信息，經過固化壓縮產生修正后的本地時鐘，并將修正后的同步幀以16 ms周期發送至端節點SM0～SM2，SC3～SC12，實現全網同步。根據功能模塊之間數據流，設計了16路虛鏈路，具體如表3所示。

表2 節點名稱及分配表

Tab.2 Types of node name and allocation

節點名稱網絡節點名稱所屬硬件模塊 箭機1SM0信息處理模塊Ⅰ 箭機2SM1信息處理模塊Ⅱ 箭機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 時序接口模塊Ⅰ控制器SC9時序接口模塊Ⅰ 時序接口模塊Ⅱ控制器SC10時序接口模塊Ⅱ 時序接口模塊Ⅲ控制器SC11時序接口模塊Ⅲ 時序接口模塊Ⅳ控制器SC12時序接口模塊Ⅳ 交換機CM數據交互接口模塊

表3 網絡節點類型分配情況表

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1、2、3 SN 1SC4SM0、SM1、SM2伺服2→箭機1、2、3 SN 2SC5SM0、SM1、SM2伺服3→箭機1、2、3 SN 3SM0SC6、SC7、SC8箭機1→慣組1、2、3 SN 4SM1SC6、SC7、SC8箭機2→慣組1、2、3 SN 5SM2SC6、SC7、SC8箭機3→慣組1、2、3 SN 6SM0SC9、SC10、SC11、SC12箭機1→時序1、2、3、4 SN 7SM1SC9、SC10、SC11、SC12箭機2→時序1、2、3、4 SN 8SM2SC9、SC10、SC11、SC12箭機3→時序1、2、3、4 SN 9SC6SM0、SM1、SM2慣組1→箭機1、2、3 SN 10SC7SM0、SM1、SM2慣組2→箭機1、2、3 SN 11SC8SM0、SM1、SM2慣組3→箭機1、2、3 SN 12SC9SM0、SM1、SM2時序1→箭機1、2、3 SN 13SC10SM0、SM1、SM2時序2→箭機1、2、3 SN 14SC11SM0、SM1、SM2時序3→箭機1、2、3 SN 15SC12SM0、SM1、SM2時序4→箭機1、2、3

實時分區操作系統運行在箭機1、2、3處理器上，即SM0、SM1、SM2端節點中。根據應用程序功能，設計6個分區，每個分區上創建一個或多個任務，不同分區映射至不同內存空間，實現物理隔離。針對分區1設計備份分區，備份分區會周期性更新并保存數據。當分區1出現故障時，立即對分區1進行隔離，并初始化與啟動備份分區運行，實現故障隔離與恢復，分區情況如表4所示。

表4 分區情況統計

Tab.4 Statistical of partition

分區號應用程序功能 分區1（P1）箭機接收慣組數據，并處理數據 分區2（P2）箭機實現控制算法，根據計算結果向時序接口模塊發送控制命令 分區3（P3）箭機接收伺服控制器消息，并處理數據 分區4（P4）箭機實現控制算法，根據計算結果向伺服控制器發送控制命令 分區5（P5）箭機接收時序回采結果，并處理數據 分區6（P6）同分區1任務（備份分區）

信息處理模塊中箭機1、2、3任務分區及通信方案如圖7所示。在多核處理器上，運行基于分區操作系統的任務，在SoPC上運行實時以太網通信協議。當任務需要發送消息時，處理器與SoPC進行數據交互，SoPC會根據消息幀頭信息，將消息進行分類，分類后的消息會進入對應的消息隊列。根據預先設定的調度表，SoPC根據不同消息類型時槽發送消息至數據交互接口模塊，由該模塊轉發至目的地址對應端節點。

當信息處理模塊接收數據交互模塊轉發的消息時，消息由SoPC接收，SoPC根據消息類型將消息分配至不同隊列，同時SoPC向處理器發送中斷，通知處理器讀取消息。

圖7 信息處理模塊分區與通信方案

4 試驗結果分析

根據上述試驗方案開展試驗，通過對總線消息進行監測與記錄，針對典型數據進行統計，消息情況統計及任務遷移及恢復情況統計分別如表5與表6所示。表5中，以消息序號為2993、2996、2997、2998同步幀消息為例，根據時間戳計算，以16 ms為周期對全網進行時鐘同步，與設計值一致；序號為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，當箭機連續向時序接口模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ發送消息時，發送消息周期為8 ms，與設計值一致。由表5與表6可以看出，不同任務在預先分配的分區1～5運行，與表4中的設計值一致；由表6可以看出，在消息序號為2724的消息處，分區1出現故障，將分區1進行隔離，任務遷移至備份分區6，并正常運行，箭機能夠正常接收慣組數據，完成了任務遷移與恢復功能。

表5 消息情況統計

Tab.5 Statistical of messages

消息序號發送時間虛鏈路序號/幀類型消息描述分區情況 267134.415777SN6/類型1箭機1→時序1、2、3、4分區2 267234.423776SN6/類型1箭機1→時序1、2、3、4分區2 267334.431264無同步幀 267434.431777SN6/類型1箭機1→時序1、2、3、4分區2 267534.439750SN6/類型1箭機1→時序1、2、3、4分區2 …… 297838.095794SN8/類型1箭機3→時序1、2、3、4分區2 297938.103803SN8/類型1箭機3→時序1、2、3、4分區2 298038.111193無同步幀 298138.111794SN8/類型1箭機3→時序1、2、3、4分區2 298238.119739SN8/類型1箭機3→時序1、2、3、4分區2 …… 278535.871445SN0/類型1伺服1→箭機1、2、3分區3 ……

續表5

消息序號發送時間虛鏈路序號/幀類型消息描述分區情況 299138.239696SN7/類型1箭機2→時序1、2、3、4分區2 299238.247750SN7/類型1箭機2→時序1、2、3、4分區2 299338.255190無同步幀 299438.255751SN7/類型1箭機2→時序1、2、3、4分區2 299538.263750SN7/類型1箭機2→時序1、2、3、4分區2 299638.271188無同步幀 299738.287189無同步幀 299838.303189無同步幀 …… 300138.319931SN12/類型1時序1→箭機1、2、3分區5

表6 任務遷移及恢復情況統計

Tab.6 Statistical of task migration and recovery

消息序號發送時間虛鏈路序號/幀類型消息描述分區情況 270934.887912SN9/類型1慣組1→箭機1、2、3 分區1 271034.887913SN10/類型1慣組2→箭機1、2、3分區1 271134.888071SN11/類型1慣組3→箭機1、2、3分區1 …… 272335.023790SN5/類型1箭機2→伺服1、2、3分區4 272435.031913SN9/類型1慣組1→箭機1、2、3 分區6 272535.031914SN10/類型1慣組2→箭機1、2、3分區6 272635.032077SN11/類型1慣組3→箭機1、2、3分區6

5 結束語

本文對未來運載火箭電氣系統需求進行研究與分析，設計了一種雙通道星型冗余總線拓撲的綜合電子平臺，基于該平臺對多核處理器與SoPC協同控制架構、實時分區操作系統、接口模塊的分類與設計、高速通信等技術進行研究及工程實現。通過演示驗證試驗，模擬三冗余箭機、伺服控制器、慣組、配電、時序等功能，驗證了信息處理模塊及接口模塊、高速通信、總線拓撲、任務遷移與恢復等功能。對運載火箭綜合電子平臺進行了探索和實踐，為后續運載火箭綜合電子平臺的深入研究奠定了基礎。

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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，高級工程師，主要研究方向為嵌入式系統設計、控制系統綜合設計。

張 雋（1987-），女，高級工程師，主要研究方向為智能自主系統設計。

段 然（1976-），男，博士，研究員，主要研究方向為控制系統綜合設計。

韓翔宇（1982-），男，研究員，主要研究方向為軟件開發與測試技術。

柳 柱（1976-），男，研究員，主要研究方向為高性能計算與嵌入式系統技術。