摘要：針對民營商業運載火箭“雙曲線一號”高可靠、低成本、快響應的要求，設計了一種自定義高速串行總線架構的高集成度箭載綜合電子系統.描述了綜合電子系統的任務需求、各功能模塊原理組成、疊板結構設計、實時操作系統以及飛控軟件等關鍵技術.重點闡述了基于Zynq處理器的主控模塊最小系統及通訊接口設計、自定義高速串行總線架構設計.隨著雙曲線一號首飛試驗的成功，作為控制中樞的綜合電子系統工作正常，滿足民營商業運載火箭強實時性、高可靠性以及高精度控制等要求.

　　關鍵詞：雙曲線一號;綜合電子系統;主控模塊;Zynq;高速串行總線

　　1引言

　　針對新一代運載火箭控制系統架構[1~3]及民營商業運載火箭高可靠、低成本、快響應的要求，對小型化、集成化、模塊化航天器綜合電子系統(IntegratedModularAvionics，IMA)的需求越來越緊迫.綜合電子系統的概念來自航空領域復雜的電子系統，后在航天領域逐漸被采用，首先在衛星上被成熟應用，使衛星的可靠性、集成性進一步提高.綜合電子系統本質上是一個高度開放的分布式實時計算系統。

　　它以通用綜合處理器為核心，通過高速數據總線實現傳感器、子系統等信息互聯，形成具備“系統結構綜合化”和“使用功能綜合化”特征的統一控制、調度能力.目前國內外最新衛星平臺大多采用了星載綜合電子系統[4]，在運載火箭領域也逐漸推廣使用.雙曲線一號運載火箭作為民營商業運載火箭的代表，其電氣系統面向下一代運載火箭中以綜合電子系統為控制核心的架構[5].

　　借鑒國內外最新綜合電子設計思路，采用高集成度的Zynq處理器及高速串行總線技術，構建資源與信息共享的統一開放式運載火箭電氣系統體系架構.配合標準化、模塊化的貨架產品實現系統基本功能，便于電氣系統升級改造和適應運載火箭多任務特性[6].綜合電子系統是雙曲線一號運載火箭電氣系統的核心裝置，能夠實現運載火箭的制導、姿態控制、組合導航、供配電控制、時序控制、安全控制等功能，還可以在地面測發控系統的配合下，實現對箭測試和發射流程控制.因此，研究運載火箭綜合電子系統具有非常現實的意義.

　　2系統架構設計

　　2.1任務需求

　　雙曲線一號運載火箭按照一體化設計思想，采用綜合電子系統進行設計.要求綜合電子系統需要實現的功能主要有：(1)對飛行控制、時序輸出、供配電進行一體化集成設計，實現飛行控制解算、姿態控制、分離點火、配電、電源等功能一體化;(2)接收光纖慣組的加速度、角度等信息，接收內部衛導接收機發送的導航定位信息，實現組合導航解算;(3)采用統一供配電設計，接收配電指令，實現火箭電氣系統配電控制功能、斷電控制功能、緊急斷電控制功能;(4)負責實時制導、姿態控制運算，將姿控及時序指令輸出至電磁閥、火工品、伺服系統等執行機構。

　　(5)在火箭飛行過程中出現姿態失控時，給出箭上安全自毀信息，實現自主安全控制.配合外測安全控制系統接收地面指令，實現外部被動安全控制;(6)具有較好的系統故障檢測能力.在火箭地面測試加電期間，對各設備的電源電壓、火工品及電磁閥控制繞組的通路，高低壓時序、伺服機構及各種狀態信號進行檢測;(7)負責將自檢信息、光纖慣組信息、衛星導航信息、飛控解算信息等遙測數據經過組幀、編碼后發送給遙測外測安全系統;(8)在火箭測試時，參與火箭的各項測試工作.

　　2.2系統架構

　　文獻[7]提出了一種基于VNX總線的綜合控制系統，本文方案以低速總線和高速總線技術融合為基礎，采用自定義高速串行總線的模塊疊板結構.綜合電子系統主要組成模塊有主控模塊、電源模塊、配電模塊、時序模塊、衛導模塊等。

　　電源模塊完成對一次電源的隔離變換，輸出系統內其他模塊運行以及測試所需的電源.主控模塊采用Zynq處理器，可以運行實時嵌入式操作系統，完成制導、姿態控制、組合導航等計算功能，具有豐富的對外總線接口.主控模塊通過機內自定義高速串行總線完成系統內各模塊之間的信號傳輸.

　　配電模塊實現上電后對電源模塊供電，并作為機內串行總線的接收站點接收主控模塊的指令，完成對運載火箭上其他設備的統一供配電控制.時序模塊作為機內串行總線的接收站點接收主控模塊的指令，完成對應時序輸出的控制、驅動及信號采集.衛導模塊采用雙天線分別接收GPS-L1和BDS-B1的導航衛星信號，完成導航衛星信號的捕獲、跟蹤，輸出載體的位置、速度、時間等信息，送至主控模塊完成組合導航功能.

　　3硬件系統設計

　　3.1主控模塊

　　主控模塊與傳統箭載計算機功能類似，作為綜合電子系統的控制核心.隨著控制算法的日益復雜和制導精度的日益提高，要求箭載計算機具有較高的實時性和強大的運算能力.

　　3.1.1最小系統

　　主控模塊硬件方案的控制核心處理器采用Xilinx公司的Zynq系列SOC實現，型號為XC7Z045.Zynq集成了ARM處理器的軟件可編程性與FPGA的硬件可編程性，ARM處理器主頻為800MHz.文獻[8]也提出了一種基于Zynq平臺的彈載計算機，本文方案選用更加高端的Zynq型號，對外接口更加豐富，還部署了實時操作系統.

　　DDR3存儲器是ZynqPS端的主RAM存儲器，容量和運行的穩定性對系統運行、數據處理及流程處理有重要影響.DDR3存儲器選用Micron公司的MT41K256M16HA動態DDR3DRAM芯片，2片并聯，總位寬32bit，容量1GB.大容量EMMCFLASH數據存儲器設計，通過1片Micron公司的MTFC16GAKAENA大容量EMMC閃存存儲器實現，容量16GB能滿足主控模塊對存儲容量的需求，用于存儲火箭測試時箭上的實時測試數據.主控模塊上需要1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、3.3V、5V等多個電源，其中5V作為輸入，其他采用凌特的LTM4627、LTM4644電源uModule模塊生成，電源上電順序如下：1.0V→1.8V→1.5V→3.3V.通過TPS51200生成DDR3專用的電源.

　　3.1.2接口電路

　　對外接口包括PS端和PL端接口，PS端接口由外部接口電路及PS中的控制器組成，包括高速雙以太網口、雙CAN總線接口;PL端接口由外部接口電路及PL中的驅動組成，包括自定義高速串行總線接口、RS422串口、1553B接口、光電隔離IO接口.

　　自定義高速串行總線接口用于實現綜合電子系統內部各個模塊之間的通訊;高速雙以太網口用于實現箭地通信以及無線通信;1553B接口作為箭上的主干系統總線;CAN總線及RS422串口用于箭上設備的通信;光電隔離IO接口有5V和28V兩種類型，用于采集箭上或地面的開關量信號.

　　3.2業務模塊

　　綜合電子系統的業務模塊包括電源模塊、配電模塊、時序模塊、衛導模塊等.

　　3.2.1電源模塊電源模塊將一次直流電壓經過DC/DC變換，分成多路不同電壓和功率的直流輸出，并滿足隔離要求.為保證電源模塊的質量，在設計時充分考慮了產品的可靠性、安全性和電磁兼容性，使其在所要求的各種環境下均能穩定地工作.

　　3.2.2配電模塊

　　配電模塊主要是實現箭上配電的功能，包括輸入配電控制、多路輸出配電控制.在此基礎上，完成母線電壓、母線電流及溫度等檢測.文獻[9]提出了一種分級智能供配電，本文基于數字控制，采用大功率MOS管配合驅動電路實現大電流配電控制.配電模塊包括配電測控部分和配電執行部分.配電測控主要是基于FPGA的數字測控系統，配電模塊通過機內總線接收主控模塊的時序指令，根據指令輸出配電控制信號.配電執行主要是基于MOS管的功率輸出電路.配電執行的同時，在地面電源母線和電池電源母線加入了防電流反灌電路，防止母線開關在采用固態輸出形式下引起的電流反灌問題.為了提高配電輸出可靠性，MOS管配電開關采用串并聯冗余方式.

　　4機內總線設計

　　機內總線即自定義高速串行總線，文獻[11，12]介紹了一種新型M-LVDS多點互聯高速冗余總線及三模混合冗余總線.本方案總線實現綜合電子系統內部各個功能模塊之間的通訊，由總線收發器和FPGA中的總線協議組成.

　　總線收發器選用TI公司的DS91C176接口芯片，總線的協議在FPGA中封裝成IP的形式，IP可實現與總線收發器DS91C176接口數字信號的直接連接.自定義高速串行總線采用M-LVDS多點低電壓差分信號形式，總線可以支持高達500Mbps數據速率和較寬的共模電壓范圍.

　　物理層主要由4+1對雙工工作方式總線差分信號組成，其中4對處于工作狀態，另1對處于備份狀態，低電壓是2V.主控模塊FPGA實現串行總線主控制器功能，其負責傳輸任務的發起和故障管理任務.業務模塊實現串行總線從控制器響應傳輸任務.每塊業務模塊分配唯一的長度為n比特的身份標識(ID)信息.

　　5軟件設計

　　軟件是綜合電子系統的靈魂，箭載綜合電子系統的軟件包括底層驅動設計和基于嵌入式實時操作系統的軟件設計，后者包括操作系統層、協議層及應用層軟件.

　　6結構設計

　　結構上采用模塊化標準結構，結構外殼內安裝印制板，形成具有獨立功能的模塊，按照既定的功能模塊順序，且考慮每個模塊使用過程中拆裝更換的頻率和要求.電源模塊安裝于基座上，其余模塊均安裝在結構形式同一的模塊上。

　　7試驗驗證

　　綜合電子系統從研制到最后參加運載火箭飛行試驗，試驗要求嚴格按照試驗大綱進行.主要試驗包括單機環境試驗、系統綜合匹配試驗以及運載火箭飛行試驗.

　　7.1單機環境試驗

　　綜合電子系統產品經過單機測試，完成了規定的高低溫、溫度循環、振動、老煉，鑒定級振動、沖擊、加速度、真空等環境試驗項目，參加了運載火箭電氣系統綜合匹配試驗.經試驗驗證，產品功能性能指標滿足運載火箭飛行大綱規定的試驗要求.

　　8結論

　　雙曲線一號運載火箭綜合電子系統是我國首次在民營商業運載火箭中的成功應用，將傳統箭載計算機、配電器、綜合控制器、開關放大器、時序控制裝置及衛星導航接收機等單機產品進行硬件的集成綜合、軟件的統一設計.綜合電子系統完成了箭載電子設備一體化的系統設計，集中實現了運載火箭計算機控制、大容量存儲、總線通訊、供配電、火工品控制、電磁閥控制、溫度測量、導航衛星信號接收及處理等功能。

　　完成了操作系統和飛行控制軟件的統一設計和開發，設計了高效、層次清晰的軟件體系結構，使軟件能在一個高性能的SOC上運行，實現了運載火箭的精確入軌.未來中大型運載火箭、可回收運載器、深空探測器、衛星平臺等，不管是從節約成本與減輕發射重量的角度，還是從增強航天器自主能力的角度，使用集成化、模塊化的綜合電子系統是后續發展的趨勢[15].

　　雙曲線一號運載火箭首飛的圓滿成功，驗證了箭載綜合電子技術的有效性，為未來航天器綜合電子系統的發展提供了技術儲備;其采用的全可編程SOC核心處理器及實時操作系統，為后續運載火箭采用人工智能控制算法提供了軟硬件環境.綜合電子系統的后續發展將更加多元化，文獻[16]提出了一種基于邊緣計算的航天器電氣系統設計，SpaceX的獵鷹9火箭和龍飛船采用了基于Intel雙核處理器的三模冗余計算機系統.綜合電子系統也將基于此對硬件體系結構與軟件開發模式進行更進一步的優化，為未來適應智慧火箭功能要求的綜合電子系統提供了研究方向.

　　參考文獻

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　　[2]胡海峰,宋征宇,孫海峰.新型中型運載火箭控制系統架構及發展[J].導彈與航天運載技術,2019,(2):49-53.HuHF,SongZY,SunHF.Reviewofavionicsarchitectureofnewmediumlaunchvehicleanddevelopment[J].MissilesandSpaceVehicles,2019,(2):49-53.(inChinese)

　　[3]彭越,牟宇,宋敬群.中國下一代運載火箭電氣系統技術發展研究[J].宇航總體技術,2020,4(2):13-24.PengY,MouY,SongJQ.ResearchonthedevelopmentofavionicsandelectricalsysteminChinesenextgenerationlaunchvehicle[J].AstronauticalSystemsEngineeringTechnology,2020,4(2):13-24.(inChinese)

　　[4]李孝同,施思寒,李冠群.微小衛星綜合電子系統設計[J].航天器工程,2008,17(1):30-35.LiXT,ShiSH,LiGQ.Integratedelectronicssystemofmicro-satellite[J].SpacecraftEngineering,2008,17(1):30-35.(inChinese)

　　作者：江良偉，彭小波