[发明专利]一种基于FPGA的卫星星务计算机在轨重构系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天以及电子科学技术领域，具体的说，是一种基于Flash型FPGA的微纳卫星星务计算机在轨重构系统及方法。 

背景技术

随着航空航天以及电子科学技术的快速发展，低成本，低重量，高功能密度的微纳卫星技术已成为航天领域的热门话题。微纳卫星已经广泛应用于对地观测、电子侦察、通信、导航、空间科学探测、空间探测和新技术试验等众多领域，已成为空间技术的重要组成部分。 

微纳卫星的星务计算机（OBC），通常以基于中央处理器芯片（CPU）的单片机结合一定的外围电路实现星上的实时星上数据处理（OBDH）与控制。然而，传统的指令系统式CPU在处理指令时，以读出-执行的串行方式执行读出指令，并采用中断的形式响应外部请求，这种处理方式的控制与运算能力强，但是时序控制较弱，处理复杂的组合逻辑能力较弱，在指令周期较长、并发事件多且中断频繁时，单片机处理能力严重下降。 

近年来，由于在设计灵活性、处理能力以及可重复性编程等方面的优势，现场可编程门阵列（FPGA）在空间任务中应用越来越广泛。现场可编程门阵列（FPGA）上电工作时，其内部逻辑单元并行执行配置时定义的功能，其对复杂的组合逻辑有着较强的处理能力，时序能力强。另外，FPGA的I/O数目远比CPU芯片多，同时其并行的处理指令方式对多I/O控制有独到的优势。Microsemi公司的flash型Smartfusion2或者Smartfusion FPGA，其内部集成了ARM Cortex-M3的CPU内核，以这一类器件为核心处理芯片开发FPGA结合CPU的嵌入式星务系统，可以结合FPGA的并行处理能力与CPU的控制运算能力，使FPGA与CPU的性能互补，将星务系统的功能最优化。同时，CPU与FPGA集成于同一款ASIC器件上，提高了系统集成度与功能密度。另外，flash型FPGA的低功耗、可重复编程与安全性高的优势，可增加设计的灵活性与可靠性。 

Flash型FPGA在空间应用中的具有独到的优势，其集高可靠性与可重复配置性于一体。通常，可将flash型FPGA的JTAG配置端口连接到计算机，通过开发平台软件对其重新配置，然而，一旦卫星发射升空，即不能再度利用JTAG端口对FPGA进行配置。研究基于flash型FPGA的在轨重配方案，在保证系统高可靠性的同时，不仅可以极大程度提高星务设计的灵活性，还可使卫星的在轨功能多样化，根据任务的需求对在轨的卫星进行功能重新定义，一星多用将成为可能。另外，基于FPGA的在轨重配技术，对于快速响应等空间应用以及软件无线电等前沿技术的发展，都有非常重要的推动作用。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于FPGA的卫星星务计算机在轨重构系统及方法，其能够提供两种在轨重构的方案，并结合单粒子事件抗辐射加固措施，可使本发明在低轨道任务中灵活应用，并保证了重构过程的可靠性。 

为实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的卫星星务计算机在轨重构系统，包括， 一内部集成CPU内核的星务FPGA芯片，用于实现星务功能；一控制FPGA芯片，用于接收通过卫星的一通信模块上传的在轨重构所需配置文件并转存至一SPI闪存单元中，并对所述星务FPGA芯片的在轨重构进行控制，其中，所述在轨重构所需配置文件包括JTAG配置模式所需的配置文件或SPI配置模式所需的配置文件；所述SPI闪存单元，用于存储所述在轨重构所需配置文件；其中，在运行JTAG配置模式实现在轨重构时，由所述控制FPGA芯片从所述SPI闪存单元中读出JTAG配置模式所需的配置文件，向所述星务FPGA芯片发送配置数据，以完成重新配置；在运行SPI配置模式实现在轨重构时，所述控制FPGA芯片通知所述星务FPGA芯片启动SPI配置模式，并由所述星务FPGA芯片从所述SPI闪存单元中读取SPI配置模式所需的配置文件，以完成重新配置。 

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于FPGA的卫星星务计算机在轨重构方法，包括以下步骤：（1）控制FPGA芯片接收地面端上传的在轨重构所需配置文件；（2）所述控制FPGA芯片根据所述在轨重构所需配置文件判断配置模式采用JTAG配置模式或SPI配置模式，若采用JTAG配置模式则执行步骤（3），若采用SPI配置模式则执行步骤（4）；（3）所述控制FPGA芯片将所述在轨重构所需配置文件存入第一SPI闪速存储器，并采用JTAG配置模式对星务FPGA芯片重新配置完成在轨重构；（4）所述控制FPGA芯片将所述在轨重构所需配置文件存入第二SPI闪速存储器，并采用SPI配置模式对星务FPGA芯片重新配置完成在轨重构。