星載計算機雙冗余CAN總線(xiàn)模塊設計與實(shí)現

摘要：隨著(zhù)新型SoC(System On a Chip)集成技術(shù)在航天技術(shù)中的應用越來(lái)越廣泛，傳統的星載板級設計轉為SoC芯片級設計逐漸成為趨勢?；贗P—cores(the integration of complex building blocks)復用的SoC技術(shù)，是衛星研制中降低設計時(shí)間和成本行之有效的方法。本文以商用器件SmartFusion2為平臺，以CAN總線(xiàn)數據采集系統為例，闡述了CAN總線(xiàn)模塊的冗余架構設計和IP核復用技術(shù)，此方案不僅滿(mǎn)足了星載計算機平臺高集成度、低功耗、也提高了星載通訊網(wǎng)絡(luò )的穩定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：SoC;IP—cores;CAN總線(xiàn);軟硬件協(xié)同

隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步和芯片集成化技術(shù)的發(fā)展，衛星平臺電子設備呈現小型化、集約化、智能化的發(fā)展趨勢。SoC(System On a Chip)作為一種新的系統集成技術(shù)，可以將一個(gè)單板系統甚至整個(gè)控制系統的功能集成在一塊芯片中實(shí)現，不僅可以提高星載電子設備集成度，減小體積重量，提高功能密度，而且可以提高性能和系統的總體可靠。

本文采用基于Flash為基礎的SmartFusion2系列FPGA芯片作為星載計算機平臺，該芯片將可配置模擬部件、大容量Flash內存構件、全面的時(shí)鐘生成和管理電路，以及基于Flash的高性能可編程邏輯模塊集成在單片器件中。與此同時(shí)，FPGA內部集成了高效的ARM內核——Cortex— M3，可以直接替換傳統的MCU+FPGA組合。

1 系統綜述

星載計算機作為衛星平臺的核心部件，采用總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與星載其他電子設備進(jìn)行互連通信，實(shí)現對衛星的多模塊控制、星上資源的優(yōu)化與重組、整星綜合信息處理等工作。本系統采用CAN總線(xiàn)將各個(gè)單機模塊連接在一起，構建一個(gè)可以有效的支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。

綜合電子艙內部集成了多個(gè)模塊，以Cortex—m3微控制器作為主控制單元，各單機模塊傳送的數據通過(guò)特定的通信接口將控制信號送給星載計算機微控制器模塊，并進(jìn)行統一的數據處理與任務(wù)調度。系統平臺包含大容量存儲管理單元模塊，大容量存儲管理單元由獨立的處理器接受載荷的數據并存儲到4G bits的flash，根據中央處理單元的要求對大容量存儲單元進(jìn)行操作，為存儲載荷的有效數據提供了保障。

衛星系統功能與信息流如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 微控制器模塊設計

微控制器模塊是綜合電子艙的核心模塊，主要負責集中完成星上的數據處理、衛星飛行控制任務(wù)和姿態(tài)軌道數據處理等?；谏逃闷骷martFusion2為平臺的星載計算機，集成FPGA、ARM Cortex—M3處理器硬核，以及可編程模擬資源于一體的器件，能夠實(shí)現完全可定制系統設計和IP保護能力，而且便于實(shí)現軟硬件協(xié)同設計。FPGA模塊提供的資源如圖2所示，主要包括：500000邏輯門(mén)單元，大于1 Mbit的RAM模塊，可用I/O引腳數大于300個(gè)。FPGA內嵌的處理器內核是Cortex-M3，主頻為166 MHZ，支持的外設有10/100/Mbps的網(wǎng)絡(luò )，USB2.0接口、CAN2.0控制器接口、UART串行調試接口等。存儲單元主要存儲系統的應用程序代碼及記錄數據，由NOR FLASH存儲器和DDRSDRAM組成。主內存是系統運行時(shí)代碼執行的區域，也是應用程序臨時(shí)變量和中間數據的存放空間，它的讀寫(xiě)速度直接影響到了系統的計算效率，因此需要盡量提高主內存的訪(fǎng)問(wèn)速度和空間大小。本系統中使用DDR SDRAM作為系統的主內存，保證內存訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和內存容量不會(huì )成為影響系統性能的瓶頸。

2.2 CAN模塊設計

由于星載計算機本身處在惡劣的工作環(huán)境，在系統設計開(kāi)發(fā)時(shí)必須首要考慮其本身的可靠性及容錯能力，所以為保證通信接口的可靠性，本系統采用冗余備份模式設計CAN接口模塊。硬件邏輯結構如圖3所示，CAN總線(xiàn)冗余設計采用控制器冗余模式，由兩個(gè)CAN收發(fā)器、兩個(gè)CAN控制器和單CPU組成。兩條數據通道完全獨立、互不影響。與此同時(shí)，雙CAN模塊采用熱備份工作模式，主用設備和備用設備同時(shí)處于上電運行狀態(tài)，且同步進(jìn)行數據采集、數據處理和計算。但是備份設備的數據處理不起作用，僅當主用設備失效時(shí)，CPU才會(huì )選擇快速響應備用設備的中斷，并接收備用設備的數據。

2.3 CAN總線(xiàn)冗余模塊設計

基于SmartFusion2的SoC設計平臺僅在A(yíng)PB_1總線(xiàn)上掛載了單一CAN2.0控制接口，為實(shí)現硬件冗余設計，利用了SoC提供的FPGA可編程邏輯資源實(shí)現了獨立的SJA1000CAN控制器。

如圖4所示，由VHDL語(yǔ)言設計實(shí)現SJA1000 CAN IP軟核的設計并生成系統可配置的動(dòng)態(tài)模塊，主控單元Cortex—M3通過(guò)高級外設總線(xiàn)(APB3)總線(xiàn)接口將數據輸出，CAN總線(xiàn)控制器經(jīng)過(guò)一個(gè)SRAM(報文緩沖器)與從設備實(shí)現通信并對數據報文進(jìn)行預處理。

HDL程序在Libero IDE集成環(huán)境中完成，使用VHDL硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，并編寫(xiě)相關(guān)的測試代碼進(jìn)行功能驗證。

3 軟件設計

CAN總線(xiàn)控制器的功能配置和行為由主控制器Cortex—M3設置的C程序完成，在SoftConsole集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成。

根據SJA1000設計的CAN控制器和微控制器自帶的CAN控制器構成了CAN總線(xiàn)上的雙冗余備份模式。兩者在內存中的映射起始地址分別為：0x40015000u和0x70000000u。由于兩種CAN控制器的IP核不同，需要根據每個(gè)控制器采用的協(xié)議設計CAN設備的驅動(dòng)程序。

1)單節點(diǎn)驅動(dòng)設計

Cortex—M3內部集成的CAN控制器對如圖5所示，控制器從CAN總線(xiàn)上接收和發(fā)送串行數據，并將數據傳遞給報文處理器。報文處理器基于當前的過(guò)濾設置以及報文對象存儲器中的標識符，將合適的報文內容載入與之對應的報文對象。報文處理器還負責根據CAN總線(xiàn)的事件產(chǎn)生中斷;報文對象存儲器是一組32 個(gè)完全相同的存儲模塊，可為每個(gè)報文對象保存其當前的配置、狀態(tài)以及實(shí)際數據。用戶(hù)可直接配置報文對象存儲器完成數據的發(fā)送和接收配置。

CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的軟件設計主要包括CAN節點(diǎn)初始化、報文發(fā)送和報文接收。使用控制器之前，需設置CAN的工作時(shí)鐘(40 MHz)并配置用于傳輸CAN信息的GPIO管腳。

2)冗余程序設計

系統使用了兩條完全獨立的CAN總線(xiàn)數據通道，實(shí)現了物理層、數據鏈路層的全面冗余。獨立的控制器能夠檢測到自己通道的故障，但CAN協(xié)議規范定義的數據鏈路層和部分物理層并不完整，需要通過(guò)軟件冗余模塊來(lái)實(shí)現總線(xiàn)狀態(tài)的監控、網(wǎng)絡(luò )故障的診斷和標識處理。

在熱冗余的情況下，本地節點(diǎn)主控制器同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)總線(xiàn)控制器的中斷。當網(wǎng)絡(luò )其他節點(diǎn)發(fā)送數據幀/請求幀時(shí)，如集一個(gè)CAN控制器到它相對應的總線(xiàn)上的任一環(huán)節發(fā)生故

障，則相應的總線(xiàn)控制器不會(huì )產(chǎn)生中斷，控制器收到的數據則是另一個(gè)沒(méi)有產(chǎn)生故障的總線(xiàn)上的數據。如果本地兩個(gè)總線(xiàn)控制器同時(shí)接收到同一個(gè)報文，并分別向主控制器Cort ex—M3申請中斷。當有一個(gè)總線(xiàn)控制器申請成功時(shí)，則在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉中斷，進(jìn)行數據處理。如果接收到的報文有效，主控制器則對數據進(jìn)行處理，處理完畢后，加入低延時(shí)、清除所有的中斷并在退出前打開(kāi)所有的中斷。另一個(gè)CAN總線(xiàn)控制器的中斷，如果是同時(shí)到達的則被清除，如果是稍后到達的，則會(huì )因為中斷處理程序的延時(shí)也同樣會(huì )被清除。如果接收到的報文無(wú)效，主控制器將清除本次控制器申請的中斷，退出中斷處理函數。此時(shí)，另一個(gè)CAN總線(xiàn)控制器的中斷會(huì )被響應，主控制器會(huì )判斷接收到的報文是否有

效，并采取相應措施。

4 結束語(yǔ)

本文的設計創(chuàng )新點(diǎn)在于提出了基于SoC技術(shù)與IP核復用技術(shù)的星載計算機CAN網(wǎng)絡(luò )模塊冗余設計，與傳統的星載計算機外擴兩片CAN控制器的冗余設計方案相比，本設計充分利用SoC技術(shù)實(shí)現內置兩路CAN控制器，簡(jiǎn)化電路設計、節省了星載計算機單板體積且采用公開(kāi)開(kāi)放免費的軟IP以及自行開(kāi)發(fā)的軟IP核達到降低成本的目的降低了成本。