微纳卫星载荷平台一体化数据处理系统设计

王文川，赵笙罡，崔 阳，周文妹，梁 广

(中国科学院微小卫星创新研究院,上海 201210)

0 引言

随着技术的发展和需求的推动，遥感微纳卫星以质量轻、体积小、开发周期短、功能密度高等优势，在环境监测、地理测绘、海洋监视等领域展现出良好的应用前景[1-2]。目前，遥感卫星研制向更高使用效能方向转型。卫星性能提升以及增大载荷规模的需求越来越迫切。

传统研制模式中，平台与载荷多采用分布式设计，在轨微振动以及在轨光、机、热等专业仿真分析方面耦合程度不高。由于卫星姿态测量数据和成像载荷实际姿态运动存在的误差，对载荷成像质量等有一定的影响。针对以上问题，近年来国内外各类遥感卫星的研制中，不同程度地采用了一体化设计的方法，将平台与载荷需要在总体、机械、电子、热学等方面统筹设计[3]。本文在一体化数据处理流程研究的基础上，结合项目研究的需求，设计了一种高速数据处理系统，以实现多种数据的接收、处理等，可用于载荷平台一体化研究。

1 总体设计

卫星载荷平台一体化数据处理平台由振动测量模块、卫星综合电子模块、卫星光学载荷和高速数据处理系统等组成。各模块之间通过CAN、RS-422等接口进行数据交互。其中:光学载荷模块向数据处理模块提供载荷图像数据；综合电子单元向数据处理模块提供全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)数据和姿态控制数据；振动测量单元向所述数据处理模块提供微振动测量数据；高速数据处理平台用于完成载荷图像、姿控、振动测量等数据的接收，并将上述数据融合处理复接后,通过以太网口送至上位机[4]。

高速数据处理系统具体功能需求如下：具备CameraLink图像数据接收和处理功能；具备全球定位系统(global positioning system,GPS)、姿控等数据异步RS-422数据接收能力；具备以太网数据收发功能；具备与其他设备CAN数据通信功能等。一体化数据处理系统功能框图如图1所示。

图1中,综合电子单元将接收到的秒脉冲(pulse per second,PPS)信号同时送至光学载荷、数据处理平台等，保证与其他设备的时间同步性。

数据处理系统通过CAN接口与综合电子进行数据交互，接收综合电子的控制指令，同时发送自身工作状态遥测信息。

2 系统详细设计

2.1 高速信号处理器

高速信号处理器作为数据处理单元的核心，考虑接口的丰富性和高速数据并行处理需求，选用XILINX公司Zynq-7000 All Programmable SoC系列XC7Z100-2FFG900I。该SoC除丰富的逻辑资源和高速串行资源外，内部集成Dual-core ARM Cortex-A9 MPCore，主频可以达到800 MHz处理器[5]，同时具备丰富的外设接口资源，可以满足项目的需求。

XC7Z100的可编程逻辑(programmable logic,PL)部分完成与振动测量单元(同步串行接口)、姿控数据(异步串行接口RS-422)、图像数据(Cameralink base模式)、PPS等数据或信号的接收，并对上述数据进行处理后按照特定帧格式送至处理器系统(pressing system,PS)部分，由ARM完成相应的数据处理，或通过以太网接口传输至上位机进行处理。ARM通过CAN接口与其他设备进行数据交互。

振动测量、姿控数据、地面反演和图像数据这四种数据类型中，图像数据的数据率较高。因此，设计中PS和PL均外接1 GB DDR3用于缓存数据。

XC7Z100的设计包括供电、时钟、配置加载、存储、外围接口等。其中，ARM时钟输入范围为30～60 MHz。平台选用SiT8208系列50 MHz时钟，输出电平为低压晶体管-晶体管逻辑(lovo voltage trandsistor-transistor logic,LVTTL)，频率稳定度20×10-6，具备超低的相位抖动(最大1 ps)。

2.2 存储设计

数据处理系统的存储器主要有配置存储器和高速缓存。配置存储器用于程序的加载。由于XC7Z100配置文件大于16 MB，其回线串行外设接口(quad serial peripheral interface,QSPI)控制器的地址位宽为24 bit，支持以地址和数据位宽扩展方式，实现存储空间的扩展。该设计中，采用两片QSPI FLASH S25FL128SAGMFI00，以地址扩展方式连接。另外，外扩SD存储器用来存储操作系统镜像等。

高速缓存包括PL和PS部分ARM的外部存储，均采用2片16位DDR3 MT41K256M16TW组成1 GB存储空间。其中，PS部分DDR3主要用于运行操作系统、应用程序和缓存高速数据，PL部分高速缓存用于载荷图像数据存储。MT41K256M16TW的最高工作频率为1 866 Mbit/s，容量为512 MB，工作电压为1.35 V。

2.3 接口设计

2.3.1 Cameralink接口

数据处理系统通过Cameralink完成对光学载荷图像数据的接收。CameraLink采用低压差分信号LVDS传输数据。其硬件结构分为三类：基础结构(Base)、中间结构(Medium)和完全结构(Full)。数据处理平台采用其基础结构[6]。根据Cameralink 的硬件结构分析，在系统输入端选用一个3 MB的MDR26连接器构建Cameralink的Base结构，即可接收相机输出的串行数据信号。Cameralink图像接口组成如图2所示。

图2 Cameralink图像接口组成框图

Cameralink信号分为图像数据信号、相机控制信号、异步串行通信信号和电源信号。视频信号部分是CameraLink的核心。图2所示的数据处理平台采用DS90CR288A，将4对差分数据转换成单端LVTTL的28位数据，并送至ZYNQ的PL部分。28位数据信号包括4位视频控制信号和24位图像数据信号。载荷控制信号采用DS90LV047A，将LVTTL信号转换为LVDS信号。串行通信信号通过DS90LV019进行电平转换。

DS90CR288A工作时钟在20～85 MHz之间，单片最高数据吞吐率为2.38 Gbit/s。光学载荷图像最大分辨率为1 024×1 024，AD分辨率为8 bit，使用最高帧频为25 fps。因此，最大图像数据速率约为210 Mbit/s，CameraLink base模式可以满足使用要求。

2.3.2 同步串行接口

对外同步串行工作时序图如图3所示。

图3 同步串行工作时序图

同步串口用于接收振动测量单元输出的测量数据(2 Mbit/s)，由时钟、门控和数据组成。其采用SN55LVDS32W将差分LVDS信号转换为LVTTL信号后送至现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)引脚，完成同步串口的数据接收处理。

2.3.3 其他接口设计

数据处理系统与外围其他设备还有RS-422和CAN接口。其中：RS-422用于姿态控制数据接收；与其他设备的信息交互采用CAN通信协议。CAN总线具有双冗余的总线接口。

由于XC7Z100的PS部分ARM处理器集成2路具有1 Mbit/s传输速率、支持CAN2.0A和CAN2.0B标准的CAN控制器，因此增加CAN接口芯片即可。CAN收发器选用Philips的TJA1040T。由于PS部分MIO bank501接口输出电平设计为1.8 V，TJA1040T接口电平为5 V，在两者之间增加电平转换芯片TXS0102DCUT以保证电平的匹配[7]。

RS-422接口实现采用PS端ARM处理器集成的2路UART控制器和FPGA扩展两种方式，通过外接电平转换SN74LVC16T245及RS-422接口芯片AM26C31QD和AM26C32QD实现[8]。

2.4 电源电路设计

数据处理系统采用12 V供电。主要器件电压、电流需求如表1所示。

表1 主要器件电压、电流需求表

从表1可以看出，数据处理系统使用的电压种类较多。开关电源具有较高的转换效率，LDO具有较高的噪声抑制比。设计中，根据不同的功率需求，采用开关电源和低压差线性稳压器(low dropout regulator,LDO)相结合的方式完成平台的供电。通过对工作电压、输出电压、功率、效率等性能参数的对比，项目中采用单片四通道直流-直流转换器(direct curient to direct current converter,DC/DC)稳压器LTM 4644实现。该芯片主要性能参数如下：每路输出可提供4 A电流的四通道输出降压型μModule稳压器，4～14 V输入电压，0.6～5.5 V输出电压；每通道可提供4 A DC、5 A峰值输出电流，可通过并联提供更高的输出电流；具有过压、过流和过热保护等功能，可以满足多种工作电压的需求。同时，外用MAX17510 LDO可实现对DDR3的供电。电源分配网络如图4所示。

图4 电源分配网络

图4中，12 V电源输入后，通过抗浪涌电路，并送入LTM4644，由LTM4644将12 V转换为平台需要1.0 V、1.5 V、1.8 V、3.3 V、5.0 V等。考虑到核电压1.0 V工作电流较大，将LTM4644两通道并联以提供最大8 A的电流输出能力，同时使用LTM4644的PGOOD和RUN引脚控制电压的加电顺序。

电源完整性对硬件性能有重要的影响，涉及电路系统中的电源和地之间的噪声，包括供电电源轨道塌陷、地弹及电源噪声引起的电磁干扰(electomagnetic interference,EMI)问题等[9]。因此，本设计在对各模块供电电流作充分估计的基础上，采取合理的印刷电路板(printed circuit board,PCB)叠层设计、电源层分割、多级电容并联滤波等措施，保证电源完整性。

3 软件设计

ZYNQ SOC软件开发包括两部分。

PL部分逻辑开发和PS部分程序开发。采用Xilinx提供的集成开发环境Xilinx Design Tools进行ZYNQ SOC开发，逻辑系统开发采用Vivado，软件程序开发采用SDK工具[10]。

PL部分逻辑用于完成载荷图像数据、三线制同步串口振动测量数据、RS-422接口姿控数据、PPS等数据或信号接收处理，并将上述数据融合处理后通过一定的数据帧格式统一处理后通过虚拟直接存储器访问(virtual direct memory access,VDMA)缓存到PS端DDR或通过先进可扩展接口(advanced extensible interface,AXI)总线送入PS部分。

ARM软件程序包括硬件初始化程序、驱动程序及应用程序。硬件初始化程序主要涵盖ZYNQ启动过程中处理器时钟的配置、启动外设的选择、外部存储器DDR3控制器的配置、数据Cache和指令Cache的开启等。驱动程序中，PS部分外设采用SDK套件依据硬件系统生成的板级支持包，自定义外设的驱动参考板级支持包的结构实现。应用程序包括外部接口(包括UART、CAN、以太网等)初始化过程，通过不同方式完成图像、振动、姿态控制等数据的接收、处理等，可采用ARM处理器实时处理或通过以太网接口发送至其他处理单元，完成载荷图像的反演修正。

4 结论

本文结合卫星平台和载荷一体化技术研究需求，进行了数据处理系统设计，完成了高速信号处理器的选型、存储、接口和电源分配网络等设计。对平台软件进行了概要设计。该平台具有丰富的对外接口，便于功能的扩展。目前，该设计已应用于载荷平台一体化项目研究和技术验证中，处理器性能及数据接口等各项指标满足实际使用要求。遥感卫星平台载荷一体化设计技术是遥感卫星总体设计的顶层系统关键技术，其数据处理系统为平台载荷一体化的深入研究提供了重要的基础平台。