星载计算机系统

技术领域

本申请涉及计算机设备技术领域，尤其涉及一种应用于立方星的星载计算机系统。

背景技术

立方星通常采用模块化、接口标准化设计，标准立方星采用1U架构，尺寸和质量较小。因此，为应对通讯、物联网、遥感需求，对卫星核心的通讯、测控、星载计算机、电源有更高的要求，卫星平台关键的核心部件需要集成在1U单元内。然而，现有的星载计算机系统在满足体积小型化、集成度高的设计的同时，冗余设计不足，在关键部件例如CPU出现故障的情况下，可能导致卫星功能全部丧失，从而难以保障卫星的可靠性。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种星载计算机系统，通过双CPU设计提高系统冗余度。

本申请提供一种星载计算机系统，应用于立方星，所述星载计算机系统包括处理系统、仲裁系统及总线系统，所述处理系统包括第一处理器和第二处理器，所述总线系统包括第一总线、第二总线及第三总线，所述第一处理器和第二处理器分别与所述仲裁系统、所述第一总线及第二总线连接，所述仲裁系统与所述第三总线连接，在初始状态下，所述第一处理器处于工作状态，用于通过所述第一总线接收来自地面控制装置的指令，通过所述第二总线采集卫星的星务数据及输出姿态控制指令至所述卫星，通过所述第三总线监测卫星的各个系统的功耗，在所述第一处理器出现异常或接收到来自地面控制装置的切换指令时，所述仲裁系统控制所述处理系统切换至所述第二处理器执行工作。

可选地，所述第一处理器通过第一片选信号与所述仲裁系统连接，所述第二处理器通过第二片选信号与所述仲裁系统连接，在所述初始状态下，所述第一片选信号为低电平，所述第二片选信号为高电平，在所述第一处理器出现异常或接收到来自所述地面控制装置的切换指令时，所述第一处理器将所述第一片选信号切换为高电平，所述第二处理器将所述第二片选信号切换为低电平，所述仲裁系统在检测到所述第二片选信号切换为低电平时，控制所述处理系统切换至所述第二处理器执行工作。

可选地，所述第一处理器在出现异常时，发送异常反馈指令至所述地面控制装置，接收来自所述地面控制装置的复位指令，并响应所述复位指令进行复位。

可选地，所述星载计算机系统还包括存储单元，所述总线系统还包括第四总线，所述仲裁系统还通过所述第四总线与所述存储单元连接，所述第一处理器还通过第三片选信号与所述仲裁系统连接，所述第二处理器还通过第四片选信号与所述仲裁系统连接，在所述初始状态下，所述第三片选信号为低电平，所述第四片选信号为高电平，所述第一处理器经由所述仲裁系统和所述第四总线与所述存储单元连接，以访问所述存储单元中的存储数据及将数据存储至所述存储单元。

可选地，所述星载计算机系统还包括外扩总线设备，所述仲裁系统还通过所述第四总线与所述外扩总线设备连接，在所述初始状态下，所述第一处理器经由所述仲裁系统和所述第四总线与所述外扩总线设备连接，以与所述外扩总线设备进行数据传输。

可选地，所述外扩总线设备包括电源及处理芯片，所述电源用于对所述星载计算机系统供电，所述处理芯片用于执行姿态控制及/或图像处理。

可选地，所述第一处理器或所述第二处理器还用于在执行工作时监测所述外扩总线设备的电流，在监测到的电流大于阈值时，发送关闭指令至所述外扩总线设备以关闭所述电源。

可选地，在所述第一处理器出现异常或接收到来自所述地面控制装置的切换指令时，所述第一处理器将所述第三片选信号切换为高电平，所述第二处理器将所述第四片选信号切换为低电平，所述仲裁系统在检测到所述第四片选信号切换为低电平时，控制所述处理系统切换至所述第二处理器与所述存储单元及所述外扩总线设备连接。

可选地，在所述第一处理器或第二处理器接收的所述外扩总线设备返回的数据异常时，发送复位信号至所述外扩总线设备，以对所述外扩总线设备进行复位，在所述外扩总线设备在复位后返回的数据仍异常时，所述第二处理器发送重启信号至所述外扩总线设备，以对所述外扩总线设备的电源进行重启。

可选地，所述第一总线为CAN总线，所述第二总线为I2C总线，所述第三总线为1WIRE总线。

上述星载计算机系统通过双CPU设计提高了系统冗余度，避免因单CPU故障导致卫星功能出现异常，从而有效保障卫星的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本申请较佳实施方式提供的电源系统的模块示意图。

图2是本申请较佳实施方式提供的电源系统的结构示意图。

图3是本申请较佳实施方式提供的第一处理器和第二处理器进行切换时的示意图。

图4是本申请较佳实施方式提供的外扩总线设备的故障恢复示意图。

主要元件符号说明

计算机系统 1

处理系统 10

第一处理器 101

第二处理器 102

仲裁系统 20

仲裁芯片 201

总线系统 30

第一总线 301

第二总线 302

第三总线 303

第四总线 304

存储单元 40

外扩接口 50

外扩总线设备 60

电源 601

处理芯片 602

卫星 2

地面控制装置 3

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

请一并参阅图1-2所示，为本申请较佳实施方式提供的计算机系统。计算机系统1应用于卫星2。其中，所述卫星2为立方星。

所述星载计算机系统1包括处理系统10、仲裁系统20及总线系统30。在一实施方式中，所述处理系统10包括第一处理器101和第二处理器102。所述第一处理器101和第二处理器102为双机热备份工作模式。可选地，所述第一处理器101和第二处理器102为C8051F50X芯片，内部集成多种硬件资源和丰富对外接口，具有空间飞行经历，输入输出接口具有较好的抗干扰能力，可以减小发生闩锁的概率。所述第一处理器101和第二处理器102用于进行所述卫星2的姿态控制任务的调度、星务数据的采集、数据的存储、控制指令的解析与执行等。

在一实施方式中，所述总线系统30包括第一总线301、第二总线302及第三总线303。可选地，所述第一总线301为CAN总线，所述第二总线302为I2C总线，所述第三总线303为1WIRE总线。所述1WIRE总线可以实现卫星2上的电源供电管理，通过对外扩接口上接入设备供电控制，实现外扩接口上接入设备的复位。

在一实施方式中，所述仲裁系统20包括仲裁芯片201。可选地，所述仲裁芯片201为DS2406芯片。所述仲裁芯片201为1wire仲裁芯片，与所述卫星2的1WIRE总线连接。

所述第一处理器101和第二处理器102分别与所述仲裁系统20、所述第一总线301及第二总线302连接。所述仲裁系统20与所述第三总线303连接，即，所述第一处理器101和第二处理器102经由所述仲裁系统20与所述第三总线303连接。所述处理系统10与所述仲裁系统20配合实现星务管理中指令执行、卫星平台数据获取及故障恢复。

在一实施方式中，在初始状态下，所述第一处理器101处于工作状态，用于通过所述第一总线301接收来自地面控制装置3的指令，通过所述第二总线302采集所述卫星2的星务数据及输出姿态控制指令至所述卫星2，通过所述第三总线303监测所述卫星2的各个系统的功耗。可选地，所述星务数据包括轨道高度、运行速度、倾角、运行周期、重复周期、轨道数等。

在一实施方式中，在所述第一处理器101出现异常或接收到来自地面控制装置3的切换指令时，所述仲裁系统20控制所述处理系统10切换至所述第二处理器102执行工作，此时，所述第二处理器102处于工作状态，用于通过所述第一总线301接收来自地面控制装置3的指令，通过所述第二总线302采集所述卫星2的星务数据及输出姿态控制指令至所述卫星2，通过所述第三总线303监测所述卫星2的各个系统的功耗。

在一实施方式中，所述第一处理器101通过第一片选信号1wireCS1和第一总线信号1WIRE1与所述仲裁系统20连接，所述第二处理器102通过第二片选信号1wireCS2和第二总线信号1WIRE2与所述仲裁系统20连接。其中，通过所述第一处理器101和第二处理器102上的管脚与所述仲裁芯片201上对应管脚之间的连接实现处理器与仲裁系统20之间的片选信号与总线信号的传输。所述仲裁系统20用于检测所述第一片选信号1wireCS1和所述第二片选信号1wireCS2的状态，并确定所述第三总线303对所述处理系统10执行工作的处理器的仲裁结果。在所述初始状态下，所述第一片选信号1wireCS1的状态(逻辑值)为0，即所述第一片选信号1wireCS1为低电平，所述第二片选信号1wireCS2的状态(逻辑值)为1，即所述第二片选信号1wireCS2为高电平。片选信号为低电平对应的处理器为执行工作的处理器。

在一实施方式中，在所述第一处理器101出现异常或接收到来自地面控制装置3的切换指令时，所述第一处理器101将所述第一片选信号1wireCS1切换为高电平，所述第二处理器102将所述第二片选信号1wireCS2切换为低电平。所述仲裁系统20在检测到所述第二片选信号1wireCS2切换为低电平时，确定所述第三总线303的仲裁结果为采用第二处理器102执行工作，并控制所述处理系统10切换至所述第二处理器102执行工作，避免因处理器出现异常而导致卫星功能出现异常。

请参阅图3所示，在一实施方式中，在所述计算机系统1上电时，S301，所述第一处理器101为主控处理器，从而开始执行工作。S302，判断所述第一处理器101是否处于正常工作状态。S303，判定所述第一处理器101处于正常工作状态时，所述第一片选信号1wireCS1和所述第二片选信号1wireCS2保持不变。S304，判定所述第一处理器101未处于正常工作状态时，所述第一片选信号1wireCS1的逻辑值切换为1，所述第二片选信号1wireCS2的逻辑值切换为0。S305，判断所述第一总线301是否接收到切换指令。判定所述第一总线301未接收到切换指令时，继续S303。S306，判定所述第一总线301接收到切换指令时，对所述切换指令进行解析。S307，根据解析判断所述切换指令是否确定继续由第一处理器101执行工作。S308，判定所述切换指令确定继续由第一处理器101执行工作时，所述第一片选信号1wireCS1的逻辑值为0，所述第二片选信号1wireCS2的逻辑值为1。判定所述切换指令未确定继续由第一处理器101执行工作时，所述第一片选信号1wireCS1的逻辑值为1，所述第二片选信号1wireCS2的逻辑值为0，即返回S304。S309，切换至所述第二处理器102为主控制器，执行工作。S310，判断所述第二处理器102是否处于正常工作状态。S311，判定所述第二处理器102处于正常工作状态时，所述第一片选信号1wireCS1(逻辑值为1)和所述第二片选信号(逻辑值为0)1wireCS2保持不变。判定所述第二处理器102未处于正常工作状态时，所述第一片选信号1wireCS1切换为0，所述第二片选信号1wireCS2切换为1，即返回S308。S312，判断所述第一总线301是否接收到切换指令。判定所述第一总线301未接收到切换指令时，继续S311。S313，判定所述第一总线301接收到切换指令时，对所述切换指令进行解析。S314，根据解析判断所述切换指令是否确定继续由第二处理器102执行工作。判定所述切换指令确定继续由第二处理器102执行工作时，所述第一片选信号1wireCS1的逻辑值为1，所述第二片选信号1wireCS2的逻辑值为0，即返回S304。判定所述切换指令未确定继续由第二处理器102执行工作时，所述第一片选信号1wireCS1的逻辑值为0，所述第二片选信号1wireCS2的逻辑值为1，即返回S308。切换至所述第一处理器101执行工作，即返回S301。

在一实施方式中，所述第一处理器101在出现异常时，通过所述第一总线301发送异常反馈指令至所述地面控制装置3，接收来自所述地面控制装置3的复位指令，并响应所述复位指令进行复位，从而使得所述第一处理器101通过复位恢复正常。

如图1-2所示，所述计算机系统1还包括存储单元40、外扩接口50和外扩总线设备60，所述总线系统30还包括第四总线304。可选地，所述存储单元40为SD卡，所述第四总线为SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)总线。

在一实施方式中，所述仲裁系统20还通过所述第四总线304与所述存储单元40及所述外扩接口50连接，所述外扩接口50与所述外扩总线设备60连接。所述第一处理器101还通过第三片选信号SPICS1和第三总线信号SPI1与所述仲裁系统20连接，第二处理器102还通过第四片选信号SPICS2和第四总线信号SPI2与所述仲裁系统20连接。其中，通过所述第一处理器101和第二处理器102上的管脚与所述仲裁芯片201上对应管脚之间的连接实现处理器与仲裁系统20之间的SPI片选信号与SPI总线信号的传输。

在一实施方式中，在所述初始状态下，所述第三片选信号SPICS1为低电平，所述第四片选信号SPICS2为高电平，所述第一处理器101经由所述仲裁系统20和所述第四总线304与所述存储单元40连接，以访问所述存储单元40中的存储数据及将数据存储至所述存储单元40，例如将星务数据、姿态数据存储在所述存储单元40中，以及从所述存储单元40获取控制指令。SPI片选信号为低电平对应的处理器经由所述第四总线304与所述存储单元40和所述外扩接口50连接。

在一实施方式中，在所述初始状态下，所述第一处理器101经由所述仲裁系统20、所述第四总线304及所述外扩接口50与所述外扩总线设备60连接，以与所述外扩总线设备60进行数据传输。

在一实施方式中，所述外扩总线设备60包括电源601及处理芯片602。所述电源601用于对所述星载计算机系统1进行供电。可选地，所述处理芯片602为高速处理芯片或图像处理芯片，用于辅助所述第一处理器101或第二处理器102执行姿态控制及/或图像处理。

在一实施方式中，在所述第一处理器101出现异常或接收到来自地面控制装置3的所述切换指令时，所述第一处理器101将所述第三片选信号SPICS1切换为高电平，所述第二处理器102将所述第四片选信号SPICS2切换为低电平。所述仲裁系统20在检测到所述第四片选信号SPICS2切换为低电平时，控制所述处理系统10切换至所述第二处理器102与所述存储单元40及所述外扩总线设备60连接。

在一实施方式中，所述第一处理器101或第二处理器102还用于在执行工作时监测所述外扩总线设备60的电流，在监测到的电流大于阈值时，发送关闭指令至所述外扩总线设备60以关闭所述电源601。

在一实施方式中，在所述第一处理器101或第二处理器102接收的所述外扩总线设备60返回的数据异常时，发送复位信号至所述外扩总线设备60，以对所述外扩总线设备60进行复位，在所述外扩总线设备60在复位后返回的数据仍异常时，所述第一处理器101或第二处理器102发送重启信号至所述外扩总线设备60，以对所述外扩总线设备60的电源进行重启，以实现对外扩总线设备60的故障恢复。

请参阅图4所示，在一实施方式中，S401，第一处理器101或第二处理器102(下称处理器)通过第三总线303获取星务数据。S402，所述处理器监测所述外扩总线设备60的电流是否大于阈值。S403，在监测到的电流大于阈值时，所述处理器通过第三总线303发送关闭指令(经由仲裁芯片201)至所述外扩总线设备60以关闭所述电源601，从而进行过流保护，避免闩锁效应。S404，所述处理器判断第一总线301是否接收到来自地面控制装置3的恢复指令。S405，所述处理器判定第一总线301接收到来自地面控制装置3的恢复指令时，通过第三总线303发送开启指令至所述外扩总线设备60以开启所述电源601，从而恢复供电，然后所述处理器继续获取星务数据，即返回S401。S406，在监测到的电流小于或等于阈值时，所述处理器判断所述外扩总线设备60返回的数据是否异常。S407，判定所述外扩总线设备60返回的数据异常时，所述处理器通过第四总线304发送复位信号至所述外扩总线设备60，以对所述外扩总线设备60进行复位。S408，所述处理器判断所述外扩总线设备60返回的数据是否恢复正常。S409，所述处理器判定所述外扩总线设备60返回的数据仍异常时，通过第三总线303发送重启信号至所述外扩总线设备60，以对所述电源601进行重启。S410，所述处理器在判定第一总线301未接收到来自地面控制装置3的恢复指令时，在判定所述外扩总线设备60返回的数据恢复正常时，在所述外扩总线设备60的电源重启后，外扩总线设备60的恢复操作结束。

本申请提供的星载计算机系统通过双CPU设计提高了系统冗余度，避免因单CPU故障导致卫星功能出现异常，从而有效保障卫星的可靠性。所述星载计算机系统通过第一处理器和第二处理器冗余承担数据采集功能，将科学数据、星务数据、姿控数据存储在存储单元，实现共享，完成飞行数据计算和处理、数据获取和指令解析执行，复杂的运算功能可通过外扩接口外扩处理芯片实现，并可通过第一处理器和第二处理器中任意一个实现控制对外扩进行重启，退出错误模式，而不影响卫星的基本功能，从而恢复计算机系统。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由同一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。