基于VNX总线的航天飞行器综合控制系统设计

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(1.北京航天长征飞行器研究所，北京 10076； 2.北京航天自动控制研究所，北京 100854)

0 引言

随着航天工业及武器系统的发展，对小型化、集成化、模块化航天飞行器综合控制设备的需求越来越紧迫。

目前国内外先进飞行器综合航电应用经验表明，设备的一体化融合设计不仅可以大幅减少弹上设备软硬件规模，提升系统的可靠性、维修性，还可以从本质上提升型号以及设备的系列化、模块化、通用化水平[1-3]。

文献[4]提出的综合控制计算机将传统的多模块分舱段计算机进行集成综合，并配以实时操作系统，提升了设备性能和一体化程度，但缺乏通用总线的应用，不利于后续系列化、通用化产品的开发。文献[5]和文献[6]分别提出基于VPX总线的无人机系统应用和综合测试系统应用。但由于文献中的VPX总线标准结构较大，无法适应航天飞行器对小体积的要求。

因此，本文即按照新一代系统级总线标准VITA74总线(即VNX总线)，设计了一套模块化集成化高性能的航天飞行器综合控制系统，能够很好的适应目前小型化航天飞行器的需求。采用VNX标准能很好地满足高速数字信号传输和大功率配电的技术需求， 而且还可以满足航天器对冲击、振动、电磁辐射及干扰等的可靠性要求。在功能划分上，将原来的独立单机产品集成设计为各个满足VNX标准的子卡模块。通过模块化的设计使其具有易拆解，易维护，环境适应性强的特点。各个板卡之间的信号连接通过背板实现，对外接口由侧I/O板实现，侧I/O板上直接焊接具有高可靠性性能的航插接插件。

1 VNX总线概述

VNX总线标准定义了机械和电气标准来实现小型模块化系统。该标准解决了在各种应用场景下使用小型模块化系统的需求。

该标准能够促进设计单位实现不同功能模块，包括子模块、底板、外壳和完整的系统解决方案。该标准能够保证各个单位设计的组件具有一定的移植性，并可以在子模块的具体实现上保证一定的灵活性。

VNX的标准在制定的过程中，参照了很多VPX的成功经验[7]。该标准制定了许多约定，并将信号定义分配到各个子模块中。该标准中各个模块的信号连接通过一种新型高速低成本连接器来实现，支持以太网和PCI Express总线。为了使系统尽可能简单地实现，该标准中指定了一个CPU根节点，也可以设置多个CPU节点。该标准定义了两种结构的子卡类型，分别为19 mm和12.5 mm标准，并且规定了连接器的位置、装配孔的位置和组件的外形。对于19 mm的模块，可以实现两个板叠的设计，实现一种功能更丰富的模块板卡。用户可以根据自己的需求定义背板和侧I/O板。

VNX总线的目的是提供巨大的重量和电能节省，而其成本仅为更大的遗留3U和6U系统的一小部分，同时实现了类似的性能。VNX总线提供了在模块级(电气、机械和热)定义和固定的所有接口，使热和机械接口简单而统一。基于该标准设计的产品可以广泛的应用于航天、无人飞行器、机器人、可穿戴系统和能源探索。

2 系统架构设计

根据航天飞行器综合控制系统高可靠性、高集成度、模块化的需求特点，本系统采用国际最先进的军用VNX总线标准作为系统设计核心架构。该系统内部集成4个核心组件，采用无风扇导冷设计，对结构尺寸进行进一步压缩，同时保证了散热效果。4个核心组件分别为飞控组件，接口组件，配电组件以及供电组件，与外界设备的连接通过测I/O组件的板载航插实现。各个组件间的信号互联通过背板实现，该背板可实现差分信号及单端信号的互联，并且具有良好的电磁兼容性，能够实现1Gbit/s以上速率的信号传输。具体系统框图如图1所示。

图1 系统框图

航天飞行器综合控制系统对外接口主要包括6路对外隔离的RS422总线接口[8]，2路1553B总线接口[9]，4路隔离I/O输入接口，16路对外隔离I/O输出接口，大数据存储功能以及多路供配电输出功能。同时，系统内集成了高性能的多核异构SiP芯片，能够实现高速实时运算。

3 硬件系统设计

3.1 飞控组件设计

飞控组件主要用于实现核心算法和时序控制。在飞控组件板卡设计上，采用了19 mm厚板卡结构，并在内部采用两块印制板堆叠的方式最大化利用了板卡内的空间。在核心芯片选择上，为了满足系统对小型化，高性能等方面的要求，选择了一款高性能SiP芯片，该芯片为基于双C6713内核SoC的通用化、标准化、高集成度SiP产品，内部集成2片高性能SoC芯片、大容量SDRAM、大容量 FLASH、国产化FPGA等。该模块可应用于战术武器控制系统、信息处理系统、控制与信息处理一体化系统，具有体积小、功耗低、接口丰富等特点。在进行资源配置过程中，根据不同性能特点进行资源划分。其中，双C6713内核SoC主要完成组合导航算法、飞控算法、时序逻辑的实现。为了提高对外接口的实时性要求，利用SiP芯片中国产化FPGA的并行性特点实现对外接口功能。

图3是粒径分别为 150、200、300 μm三种微胶囊不同掺量的自修复试样在最大抗压强度的60%预压损伤后，在室温下养护 7 d的强度修复率。由图3可以看出，相似试件的强度随微胶囊掺量的增加而降低，但强度修复率提高。当微胶囊掺量为0～0.8%时，强度修复率随微胶囊掺量的增加近似于线性增加；当微胶囊掺量为 0.8%时，强度修复率达到峰值，修复后的强度最接近原始强度；当微胶囊掺量大于 0.8%时，强度修复率开始下降，由此推断继续增大微胶囊的用量，强度修复率会继续降低。

在电路设计上，采用两块印制板通过子板母板的方式实现了高度集成化的设计。在子板上除了SiP芯片外还有保证其正常工作所必须的复位电路、JTAG电路、时钟晶振电路和低压供电电路。选用LTM4644作为低压供电电路的核心芯片，该芯片能够实现4路电压输出，每路输出电压可调，输出电流4A，并且可通过使能端控制保证上电顺序，分别为SiP芯片提供3.3 V、1.5 V和1.2 V电压。

子板和母板通过高度集成化的表贴型接插件实现信号互联。在母板上，设计了飞控组件对外连接的接口，主要包括4路隔离光耦输入接口以及16路对外隔离的I/O输出接口。在光耦电路设计上，通过外部接口电阻匹配，保证了输入信号具有14 V的抗干扰能力，同时，具有防反设计。在对外输出I/O电路上，通过磁耦芯片的应用，将所有的输出信号进行了隔离并将3.3 V电平转换为了5 V电平，隔离后通过达林顿管ULN2803实现了信号的功率放大。

3.2 接口组件设计

在接口组件板上，设计了综合电子系统对外通讯的主要接口，主要包括4路独立磁隔离的RS422/485总线接口，1路磁隔离的CAN总线接口，以及2路1553B总线接口。

隔离RS422/485总线接口和CAN总线接口电路采用ADI公司的基于磁隔离技术的总线接口芯片设计。该系列芯片内部集成了隔离电源，可以将逻辑端的电源转换为总线端电压，并且使逻辑端与总线端地环路隔离，提高了通信接口的电磁兼容性。除此以外，在总线接口上设计了上下拉电阻来保证总线始终工作在确定的状态，并通过瞬态抑制二极管提高总线接口的抗静电和浪涌能力。

由于飞控组件所选用的SiP芯片内部集成了2个1553B总线IP核，因此在外部接口电路设计上只需要通过电平转换芯片及隔离变压器将总线信号进行转换即可。

3.3 配电组件设计

配电组件主要功能是通过飞控组件的控制实现对外部设备的供配电控制以及对火工品电路的功率输出。本组件中通过固态继电器的串并联搭建供配电电路，共可以实现对4路设备的供配电控制。

3.4 供电组件设计

供电组件是航天综合电子系统正常工作的能量源头，如果供电组件电路设计存在隐患，则综合电子系统无法长时间稳定正常工作，因此供电组件电路设计十分关键。本设计在以功耗和可靠性为出发点，为综合电子系统设计了一种隔离式的多电压输出的电源系统。

综合电子系统的输入电压为28 V，经过EMI滤波电路和多路隔离式DC/DC模块输出多路电压，各路之间互相隔离，保证了CPU电路与外部各个接口电路的物理隔绝，提高产品固有可靠性。电源电路原理框图如下图2所示。电源组件输出4路电压，其中，+12 V电压额定电流为2.5 A，+5 V电压额定电流为10 A，+3.3 V电压额定电流为3 A，-12 V电压额定电流为1 A，所有的输出电压纹波均不超过50 mV。同时，电源组件内部有监控单元，实时对输出电压和工作温度进行检测，并将信息通过I2C总线[10]传递给飞控组件。

图2 供电组件框架设计

4 结构设计

由于产品各个功能模块集成化程度较高，因此各个模块热源集中，对散热的要求较高；按照VITA74热设计标准，通过机壳导冷设计实现对产品的散热，使整机在不额外增加体积的情况下实现了散热加固设计，满足了小型化的要求。整体框架上提供5个槽位，采用高效导冷设计和全封闭EMC屏蔽设计，具有高可靠、高性能、轻小型特点。其外形图如图3所示。

图3 VNX计算机外形示意

该产品由5槽导冷机箱、主控板模块、背板模块、配电板模块、电源板模块和IO板模块组成，可扩展其他功能板卡，其外形尺寸为117 mm×115.5 mm×154.5 mm。

其中5槽导冷机箱由主体框架和六个面板组成，均采用铝合金材质。主体框架为全楼空型，结构轻，结构强度大，配有5个插槽，如图4所示；前后面板用于安装电连接器；各面板采用散热片形式，两侧面板内侧有导热橡胶，使得整机具有良好的散热效果；此外各面板内侧边缘均设有导电橡胶垫，为全封闭EMC屏蔽设计。

图4 主体框架

VNX各主要模块外壳均采用铝合金材质，外形尺寸成系列化。为保证安装的精确性、方便性，各模块均设计有定位销以及定位孔，如图5所示，并配备钢质可折叠拉手。

图5 定位销和定位孔图示

最终产品实物效果如图6所示。

图6 航天综合电子系统实物设计

5 软件系统设计

该综合电子系统的核心组件为飞控组件，而软件作为飞控组件的灵魂模块，是综合电子系统实现其功能的关键。该软件由于SiP芯片内部构成的异构多核处理器而需要采用全新的模块化设计思想来开展设计。为了减少算法对硬件资源的消耗，需要将飞控软件与导航软件分别配置在两个不同的C6713内核中，两个DSP内核通过FPGA配置的双口RAM实现数据的实时传递。同时，对于接口功能的逻辑，如RS422/485总线通讯，I/O输出控制，I/O输入识别等功能，全部由性能灵活的FPGA芯片实现。

DSP芯片的软件包括底层驱动层和应用层，底层驱动层软件包括系统初始化，双核交互机制，定时器配置，中断模块配置等，应用层软件包括对外部设备传来的数据流的控制、自检、装订、制导姿控算法解算，控制信号输出，遥测信号输出等功能。软件系统框图如7所示。

图7 软件系统框图

6 性能验证与分析

对飞行器综合控制系统的功能性能评估主要从两方面展开，一方面是其电路各个功能接口的正确协调性，一方面是主控CPU的运算处理能力。本文利用接口丰富的工业测试仪对系统的硬件接口进行了功能验证，验证的接口主要包括输入I/O接口、输出I/O接口、RS422/485总线接口、CAN总线接口、1553B总线接口。通过验证测试，各个接口功能正常，能够实现I/O的输入输出和数据的收发。

本文选取了2款成熟产品的主控CPU(CPU型号分别为TMS320F2812和TMS320C6713B)进行了运算性能的对比，运行软件采用相同的飞行控制算法和卡尔曼滤波组合导航算法[11]。通过三款CPU完成一次运算的时间作为性能比较基准，由表1可以看出，本文所设计的SiP芯片具有更加优秀的运算性能。

表1 CPU性能对比

7 结论

本文提出了一种利用VNX总线架构(即VITA-74总线)实现的航天飞行器综合控制系统设计，使其满足了未来航天工业及小型化航天飞行器对电子设备小型化、集成化、模块化的需求。本文介绍了VNX总线标准及该方案的总体设计思路，并针对综合控制系统的硬件系统设计、结构设计和软件系统设计进行了详细描述。硬件上，采用功能丰富、性能强大、功耗低的SiP芯片实现了核心组件的设计，同时，通过设计丰富高可靠的通讯接口、通用I/O输入输出接口、配电接口实现航天综合电子系统的各项功能指标；软件设计上，采用软硬件协同设计方法，将底层硬件开发结合上层应用软件开发，通过可编程逻辑模块的设计，减轻了CPU的资源负担，可以保证CPU更高效可靠地实现相应算法。VNX总线的模块化设计思想极大的降低了未来新产品的研发成本和研发周期。目前，该航天飞行器综合控制系统已经完成了样机设计，并进行了相应的性能测试试验，试验结果表明该系统工作正常，各项性能指标满足任务需求，可用于未来航天飞行器的使用。