立方體衛(wèi)星 - 不超過公文包的微型衛(wèi)星 - 在世界各地越來越受歡迎。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日益明顯。目標(biāo)是通過確保電子設(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?，并且通過 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 汽車級存儲(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，但選擇汽車級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。在任務(wù)期間收集的任何數(shù)據(jù)（例如，來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茫a(chǎn)生從VDD到VSS（正到負(fù)）的短路。這會(huì)導(dǎo)致大電流流過器件并拉低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。請注意，盡管嘗試復(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，人們愿意承擔(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)碾娖絹頌镸CU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。對于此參考設(shè)計(jì)，門限已設(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)立看門狗。MCU中已經(jīng)有一個(gè)看門狗，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)位片上看門狗，則會(huì)產(chǎn)生中斷，導(dǎo)致芯片復(fù)位。MCU看門狗關(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)外部看門狗，其操作類似于MCU看門狗，使用來自MCU上GPIO線的固件控制的周期性切換信號。如果此信號未至少每 1.6 秒切換一次，則監(jiān)控器將斷言對 MCU 進(jìn)行硬復(fù)位。

該參考設(shè)計(jì)由 5V 電源供電，該電源來自外部電源預(yù)檢電源連接器（在工作臺上使用時(shí)）或來自 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，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要5V信號，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)是長時(shí)間相對較低的活動(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線，詳見南瓜立方體衛(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)換對于過采樣非常有用，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]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 接口能夠在工作臺上使用，用于開發(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，廣泛用于汽車系統(tǒng)，由于其強(qiáng)大的差分信號特性，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提供的差分信號具有高抗噪性。由于該設(shè)備本身沒有輻射硬化，因此采取了特殊措施來監(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。電源門控電路如圖3所示。

圖3：電源門控電路可保護(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USB連接到運(yùn)行集成開發(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，有多種開發(fā)工具可用于支持它。要對 FRAM 進(jìn)行重新編程，首先將代碼下載到 MCU，然后通過 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。該開關(guān)包含在電路板上，提供公共 （C）、常開 （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——原型級和飛行級。飛行級設(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。原型級零件的價(jià)格通常是飛行級零件價(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)行多長時(shí)間。這個(gè)時(shí)間長度取決于軌道高度、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性能詳見表1。

表 1：OBC 參考設(shè)計(jì) IC 的 TID 性能。

審核編輯：郭婷