設(shè)計(jì)抗輻射立方體衛(wèi)星機(jī)載計(jì)算機(jī)

立方體衛(wèi)星 - 不超過(guò)公文包的微型衛(wèi)星 - 在世界各地越來(lái)越受歡迎。組件、子系統(tǒng)、發(fā)射設(shè)備和后勤方面的規(guī)模經(jīng)濟(jì)已經(jīng)并將繼續(xù)使許多具有成本效益的新衛(wèi)星發(fā)射企業(yè)和項(xiàng)目成為可能。

現(xiàn)在有一個(gè)充滿活力的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)，提供即插即用的CubeSat組件，這些組件在標(biāo)準(zhǔn)的CubeSat外形尺寸中組合在一起。到目前為止，大部分技術(shù)都是基于商用現(xiàn)貨（COTS）電子產(chǎn)品，盡管明智地使用旨在減輕空間輻射影響的抗輻射集成電路的趨勢(shì)日益明顯。目標(biāo)是通過(guò)確保電子設(shè)備在充滿輻射的環(huán)境中運(yùn)行，同時(shí)保持適度的預(yù)算來(lái)提高系統(tǒng)可靠性;立方體衛(wèi)星旨在成為傳統(tǒng)、高成本衛(wèi)星的廉價(jià)替代品。

由于對(duì)選擇性組件硬化作為提高任務(wù)成功率的一種手段的興趣，因此為使用輻射硬化組件的CubeSat機(jī)載計(jì)算機(jī)（OBC）創(chuàng)建了一個(gè)參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)可由立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員下載和修改，以滿足不同的任務(wù)要求。OBC 的框圖如圖 1 所示。

圖1：立方體衛(wèi)星 OBC 參考設(shè)計(jì)框圖。

該參考設(shè)計(jì)與南瓜立方體衛(wèi)星套件總線兼容，因?yàn)?PC/104 連接器上的信號(hào)符合已發(fā)布的南瓜立方體衛(wèi)星接口規(guī)范。有許多即插即用板使用此標(biāo)準(zhǔn)。在空間受限的設(shè)計(jì)中，PC104 連接器有時(shí)會(huì)因其尺寸而被放棄。

OBC使用VORAGO Technologies VA10820 ARM Cortex-M0微控制器，這是一種抗輻射的低功耗設(shè)備，由ARM開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)提供支持。

MCU 已免疫閂鎖，提供 50 MHz ARM Cortex-M0 內(nèi)核、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通用 I/O （GPIO） 以及片上外設(shè)，如定時(shí)器和串行通信（SPI [串行外設(shè)接口總線]、UART [通用異步收發(fā)器] 和內(nèi)部集成電路協(xié)議 [I2C]）。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，微控制器上的SRAM程序存儲(chǔ)器從賽普拉斯CYPT15B102抗輻射FRAM加載。程序代碼從SRAM執(zhí)行，并受到錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正（EDAC）子系統(tǒng)和清理引擎的保護(hù)。

EDAC 可校正 CPU 從 SRAM 存儲(chǔ)器獲取字時(shí)由于單事件翻轉(zhuǎn) （SEU） 而可能發(fā)生的位錯(cuò)誤。清理引擎是一個(gè)免費(fèi)的子系統(tǒng)，它按順序自主掃描內(nèi)存，以便在 EDAC 暴露給位錯(cuò)誤之前檢測(cè)和糾正位錯(cuò)誤。32位數(shù)據(jù)字中的每個(gè)字節(jié)有5個(gè)綜合位，因此可以檢測(cè)每個(gè)字節(jié)的兩個(gè)位錯(cuò)誤，并在32位存儲(chǔ)器字的每個(gè)字節(jié)中糾正一個(gè)位。這種安排可以糾正每個(gè)32位數(shù)據(jù)字多達(dá)四個(gè)位錯(cuò)誤（每個(gè)字節(jié)一個(gè)）。

單事件翻轉(zhuǎn)（SEU）可以通過(guò)單個(gè)電離粒子撞擊器件引起狀態(tài)變化;SEU 可以影響存儲(chǔ)單元或邏輯電路。MCU架構(gòu)的另一個(gè)輻射緩解特性是在內(nèi)部寄存器上實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)鎖單元（DICE）鎖存器和三重模塊化冗余（TMR）。EDAC 和擦洗子系統(tǒng)處理存儲(chǔ)器中的 SEU，而 DICE 鎖存器和 TMR 實(shí)現(xiàn)則處理邏輯電路中的 SEU。

OBC 使用 Cypress CYPT15B102 鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （FRAM），因?yàn)樗哂辛己玫妮椛湫阅埽⑶彝ㄟ^(guò) SPI 端口可輕松連接到 MCU。第二個(gè)FRAM，賽普拉斯FM25V20A，也作為備份實(shí)施。FM25V20A 是一款具有相同 SPI 接口的 COTS 汽車(chē)級(jí)存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器可用于在執(zhí)行在軌重編程時(shí)提供臨時(shí)非易失性存儲(chǔ)：如果CubeSat在軌道上收到無(wú)線程序代碼更新，則需要原始和新代碼圖像，以便在重新編程期間出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)系統(tǒng)可以恢復(fù)到已知的良好狀態(tài)?；謴?fù)功能是包含第二個(gè)FRAM設(shè)備的主要原因。第二款FRAM器件當(dāng)然可以是另一款抗輻射CYPT15B102，但選擇汽車(chē)級(jí)COTS器件是為了降低成本。（如果系統(tǒng)要求不在軌重新編程，則可能不需要第二個(gè)FRAM裝置）。

賽普拉斯 CYRS16B256 抗輻射閃存器件也連接到 SPI 通信端口上的微控制器。該設(shè)備的目的是充當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)。在任務(wù)期間收集的任何數(shù)據(jù)（例如，來(lái)自有效載荷中的傳感器）都可以存儲(chǔ)在其 32 MB 的內(nèi)存中。根據(jù)任務(wù)期間預(yù)期的輻射分布，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)考慮用COTS等效集成電路Cypress S25FL256L替換此設(shè)備。

對(duì)于低地球軌道（LEO）的短期任務(wù)，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用COTS設(shè)備。雖然存在無(wú)法恢復(fù)的干擾風(fēng)險(xiǎn)，但有時(shí)被認(rèn)為是可以接受的成本權(quán)衡。系統(tǒng)運(yùn)行的最大風(fēng)險(xiǎn)是閂鎖：所有CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）器件都容易因電離輻射粒子撞擊而發(fā)生閂鎖。當(dāng)器件閂鎖時(shí)，CMOS芯片上的寄生結(jié)構(gòu)變?yōu)檎蚱?，并產(chǎn)生從VDD到VSS（正到負(fù)）的短路。這會(huì)導(dǎo)致大電流流過(guò)器件并拉低VDD。因此，最好在系統(tǒng)中安裝一個(gè)免疫閂鎖的芯片或電路，該芯片或電路將檢測(cè)這種情況的發(fā)生，并可以重置系統(tǒng)以解決閂鎖情況。通常，VA10820微控制器在“選擇性強(qiáng)化”的CubeSat系統(tǒng)中執(zhí)行此功能。請(qǐng)注意，盡管?chē)L試復(fù)位，閂鎖仍會(huì)損壞CMOS器件，因此真正保護(hù)系統(tǒng)的唯一安全方法是在整個(gè)系統(tǒng)中使用完全免疫閂鎖的組件。這種設(shè)計(jì)比使用COTS更昂貴，并且是CubeSat設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵：考慮到使用抗輻射設(shè)備減輕輻射效應(yīng)比使用COTS更昂貴，人們?cè)敢獬袚?dān)多少風(fēng)險(xiǎn)？

如果微控制器具有閂鎖免疫力，則至少有一個(gè)器件可以作為輻射緩解策略的抗輻射支柱。另一個(gè)被認(rèn)為是抗輻射支柱的有用設(shè)備是監(jiān)控器芯片。

系統(tǒng)中使用Intersil ISL706A監(jiān)控器設(shè)備。該主管執(zhí)行三項(xiàng)重要職能。第一個(gè)功能是保持MCU復(fù)位，直到電源達(dá)到適當(dāng)?shù)碾娖絹?lái)為MCU供電。第二個(gè)功能是觀察系統(tǒng)電源作為閂鎖警告監(jiān)視器。如果系統(tǒng)中的任何器件閂鎖，電源電壓將被下拉。由電阻R1和R2實(shí)現(xiàn)的分壓器之比控制監(jiān)控器芯片上的功率下降輸入（PFI）觸發(fā)的閾值。對(duì)于此參考設(shè)計(jì)，門(mén)限已設(shè)置為2.75V。（電路配置如圖2所示。如果3.3V電源軌降至此電平，MCU將置位復(fù)位，進(jìn)而復(fù)位系統(tǒng)。在大多數(shù)情況下，閂鎖設(shè)備將在系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)恢復(fù)。

圖2：圖中顯示了監(jiān)控器電路配置。

監(jiān)控器設(shè)備執(zhí)行的第三個(gè)功能是作為額外的獨(dú)立看門(mén)狗。MCU中已經(jīng)有一個(gè)看門(mén)狗，一個(gè)由固件定期重置以確保代碼正確執(zhí)行的計(jì)時(shí)器。如果代碼掛起并且固件未復(fù)位片上看門(mén)狗，則會(huì)產(chǎn)生中斷，導(dǎo)致芯片復(fù)位。MCU看門(mén)狗關(guān)注的主要故障模式是時(shí)鐘丟失。這種情況由監(jiān)控器設(shè)備解決，因?yàn)樗洚?dāng)外部看門(mén)狗，其操作類(lèi)似于MCU看門(mén)狗，使用來(lái)自MCU上GPIO線的固件控制的周期性切換信號(hào)。如果此信號(hào)未至少每 1.6 秒切換一次，則監(jiān)控器將斷言對(duì) MCU 進(jìn)行硬復(fù)位。

該參考設(shè)計(jì)由 5V 電源供電，該電源來(lái)自外部電源預(yù)檢電源連接器（在工作臺(tái)上使用時(shí)）或來(lái)自 PC/104 連接器上的 Pumpkin CubeSat 套件總線。系統(tǒng)中使用三種電源軌：5V、3.3V 和 1.5V。5V 電源軌為兩個(gè) Intersil ISL7502SEH 抗輻射 LDO ［低壓差穩(wěn)壓器］ 供電。電路板上的所有I/O均使用3.3V信號(hào)，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要5V信號(hào)，MCU內(nèi)核電壓需要1.5V。每個(gè)LDO都有一個(gè)使能輸入，該輸入路由到Pumpkin CubeSat總線PC/104連接器上的指定引腳。此設(shè)置使 OBC 參考上的電源能夠由為整個(gè)立方體衛(wèi)星系統(tǒng)供電的 CubeSat 電力系統(tǒng) （EPS） 控制器板控制。

MCU 由頻率管理提供的抗輻射 50 MHz 時(shí)鐘器件供電。MCU內(nèi)部時(shí)鐘速度可以在軟件中動(dòng)態(tài)調(diào)整。它可以以較低的速度運(yùn)行，這可能是優(yōu)化功耗的一種選擇。許多CubeSat應(yīng)用的特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)較低的活動(dòng)，在通信或數(shù)據(jù)采樣期間突發(fā)高活動(dòng);在低活動(dòng)期間，可以降低MCU時(shí)鐘速度以節(jié)省功耗。

MCU連接到Cobham Aeroflex RHD5950模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這是一種逐次逼近類(lèi)型，具有 16 個(gè)通道、14 位分辨率和 20 μs 轉(zhuǎn)換周期。ADC通道連接到模擬輸入信號(hào)線，詳見(jiàn)南瓜立方體衛(wèi)星套件總線規(guī)范。其中一個(gè)ADC通道監(jiān)視系統(tǒng)電源軌，另一個(gè)通道連接到電阻溫度檢測(cè)器（RTD）。RHD5950具有單轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式;連續(xù)轉(zhuǎn)換對(duì)于過(guò)采樣非常有用，可以提高分辨率和噪聲。ADC 輸出引腳連接到微控制器上的 GPIO 線路，微控制器還控制 ADC 片內(nèi)多路復(fù)用器，以確定對(duì)哪些模擬輸入進(jìn)行采樣。

電路板上實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)非輻射硬化的 COTS 部件，因?yàn)闆](méi)有抗輻射選項(xiàng)。第一個(gè)這樣的設(shè)備是UART-to-USB接口（由FTDI Ltd.提供）。在參考設(shè)計(jì)中包含此器件的原因是使系統(tǒng)的 USB 接口能夠在工作臺(tái)上使用，用于開(kāi)發(fā)工作;此接口不適合在軌道上使用。該器件會(huì)將USB協(xié)議從外部主機(jī)轉(zhuǎn)換為微控制器上的UART接口。USB端口可用作MCU的簡(jiǎn)單終端接口。UART-to-USB設(shè)備僅在USB電纜插入系統(tǒng)時(shí)供電，因此如果受到輻射引起的故障的影響，電路不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

系統(tǒng)中使用的第二個(gè)非抗輻射 COTS 器件是 HI-3110 集成控制器局域網(wǎng) （CAN） 控制器和物理層 （PHY）。CAN是一種流行的串行通信協(xié)議，廣泛用于汽車(chē)系統(tǒng)，由于其強(qiáng)大的差分信號(hào)特性，它也受到CubeSat設(shè)計(jì)人員的青睞。雖然 UART、SPI 和 I2C 等 TTL 級(jí)通信接口是短跳板內(nèi)通信的理想選擇，但 CAN 接口為 CubeSat 系統(tǒng)內(nèi)的板間通信提供了更堅(jiān)固的選項(xiàng)。例如，如果傳感器位于不同的物理位置，CAN接口是與其通信的不錯(cuò)選擇，因?yàn)镻HY提供的差分信號(hào)具有高抗噪性。由于該設(shè)備本身沒(méi)有輻射硬化，因此采取了特殊措施來(lái)監(jiān)視和控制它。如果它閂鎖，監(jiān)控器將由電源電壓的壓降觸發(fā)。HI-3110包括內(nèi)部狀態(tài)寄存器，由MCU通過(guò)SPI通信接口進(jìn)行監(jiān)控。CAN器件的3.3 V和5 V電源被門(mén)控，以便MCU可以禁用CAN器件的電源，并在狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)不明確或指示發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)重置電源。電源門(mén)控電路如圖3所示。

圖3：電源門(mén)控電路可保護(hù)系統(tǒng)免受充滿輻射的環(huán)境中的 COTS 故障的影響。

該參考設(shè)計(jì)在電路板上包括一個(gè)JTAG連接器，用于與MCU連接以進(jìn)行編程和調(diào)試。調(diào)試盒（如Segger J-Link）連接到電路板上的JTAG接頭，并通過(guò)USB連接到運(yùn)行集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）的主機(jī)，如ARM Keil μVision或IAR Embedded Workbench。使用基于 ARM 的微控制器的好處之一是，有多種開(kāi)發(fā)工具可用于支持它。要對(duì) FRAM 進(jìn)行重新編程，首先將代碼下載到 MCU，然后通過(guò) SPI 連接加載到 FRAM。

所有南瓜納米衛(wèi)星都使用飛行前移除（RBF）大電流滾輪尖端杠桿開(kāi)關(guān)。它通常與壓在滾輪上的RBF引腳一起使用，或者在壓在納米衛(wèi)星部署容器壁上的組件中。該開(kāi)關(guān)包含在電路板上，提供公共 （C）、常開(kāi) （NO） 和常閉 （NC） 端子。它們被路由到 PC/104 連接器上指定的立方體衛(wèi)星套件總線引腳。

供應(yīng)商通常提供兩種版本的抗輻射設(shè)備——原型級(jí)和飛行級(jí)。飛行級(jí)設(shè)備的篩選水平高于原型，盡管它們的形式，配合和功能相同，并且使用相同的模具。原型級(jí)零件的價(jià)格通常是飛行級(jí)零件價(jià)格的一半左右，因此被選中用于此參考設(shè)計(jì)。

不同的規(guī)格用于量化IC在輻射填充條件下的性能，包括單事件閂鎖（SEL）和單事件翻轉(zhuǎn)（SEU）。這些對(duì)于了解器件在存儲(chǔ)器中出現(xiàn)位錯(cuò)誤和由于電離粒子撞擊而導(dǎo)致的邏輯錯(cuò)誤的頻率非常重要。CubeSats最廣泛討論的輻射規(guī)格是總電離劑量（TID）：這是物質(zhì)中可以吸收的能量量的量度（在這種情況下，物質(zhì)是硅），以Krad（Si）或千單位的輻射吸收劑量（以硅表示）。TID會(huì)隨著時(shí)間的推移而累積，并導(dǎo)致IC中MOS晶體管中的源漏泄漏增加，因?yàn)槠骷趸飼?huì)積聚累積電荷。PMOS和NMOS型設(shè)備之間的耗盡區(qū)域也擴(kuò)大了。TID積累會(huì)導(dǎo)致漏電流增加;最終，CMOS器件將隨著閾值電壓被下拉而停止工作。

CubeSat設(shè)計(jì)人員使用IC TID規(guī)范來(lái)估計(jì)CubeSat在結(jié)構(gòu)內(nèi)的IC屈服于TID影響之前可能運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度取決于軌道高度、方向和時(shí)間。在立方體衛(wèi)星通常飛行的LEO中，TID的來(lái)源將主要是電子和質(zhì)子。參考設(shè)計(jì)中IC的TID性能詳見(jiàn)表1。

表 1：OBC 參考設(shè)計(jì) IC 的 TID 性能。

審核編輯：郭婷