Однокристальные вычислители с динамической реконфигурацией в цифровых контурах управления малых космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Таким образом, расчеты показывают, что использование комбинированного накопителя позволит улучшить массогабаритные характеристики системы электропитания КА в пределах 24 %. Полученное значение проверится на экспериментальной установке. Применение современных материалов для диска и аккумуляторных батарей позволит уменьшить массу накопителя при той же самой энергоёмкости.

Библиографические ссылки

1. Чеботарев В. Е. Проектирование космических аппаратов систем информационного обеспечения. В 2 кн. Кн. 2. Внутреннее проектирование космического аппарата / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 168 с.

2. Бортовые энергосистемы космических аппаратов на основе солнечных и химических батарей : учеб. пособие. Ч. 1 / Н. В. Белан, К. В. Безручко, В. Б. Елисеев, В. В. Ковалевский, В. А. Летин, В. П. Постано-гов, А. Н. Федоровский. Харьков : ХАИ, 1992. 191 с.

3. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 2003. 272 с.

4. Надараиа Ц. Г., Бабкина Л. А., Шестаков И. Я., Фадеев А. А. Химико-кинетический накопитель энергии // Вестник СибГАУ. 2014. № 2(54). С. 56-61.

5. Виноградов К. Н., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Надараиа Ц. Г. Особенности работы химико-кинетического накопителя энергии // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения генер. конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева (1114 нояб. 2014, г. Красноярск) : в 3 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С. 125-126.

6. Химические источники тока : справочник / под ред. Н. В. Коровина и А. М. Скундина. М. : МЭИ, 2003. 740 с.

References

1. Chebotarev V. E. Proektirovanie kosmicheskikh apparatov sistem informatsionnogo obespecheniya : v 2 kn. Kn. 2. Vnutrennee proektirovanie kosmicheskogo apparata [The design of space vehicles of information support systems : in 2 books. Book. 2. The internal design of the space vehicle]. Krasnoyarsk : SibSAU, 2005. 168 р.

2. Belan N. V., Bezruchko K. V., Eliseev V. B., Kovalevskiy V. V., Letin V. A., Postanogov V. P., Fedorovskiy A. N. Bortovye energosistemy kosmicheskikh apparatov na osnove solnechnykh i khimicheskikh batarey. Ch. 1 [Onboard power systems of space vehicles based on solar and chemical batteries]. Khar'kov : KhAI, 1992, 191 р.

3. Gushchin V. N. Osnovy ustroystva kosmicheskikh apparatov [The basics of the device for space vehicles]. Moscow : Mashinovtroenie, 2003. 272 p.

4. Nadaraia Ts. G., Babkina L. A., Shestakov I. Ya., Fadeev A. A. [Chemical-kinetic energy storage device] // Vestnik SibGAU. 2014. № 2(54). P. 56-61 (In Russ.).

5. Vinogradov K. N., Shestakov I. Ya., Fadeev A. A., Nadaraia Ts. G. [Work features of chemical-kinetic energy storage device] // Materialy XVIII Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya". [Materials XVIII Intern. Scientific. Conf. "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2014. Vol. 1. P. 125-126. (In Russ.)

6. Korovin N. V., Skundin A. M. Khimicheskie istochniki toka : spravochnik [Chemical current sources]. Moscow : MEI, 2003. 740 р.

© Надараиа Ц. Г., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Виноградов К. Н., 2016

УДК 681.323:681.326.3:004.383

ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛИ С ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕКОНФИГУРАЦИЕЙ В ЦИФРОВЫХ КОНТУРАХ УПРАВЛЕНИЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ*

О. В. Непомнящий1, Е. А. Вейсов1, Н. А. Мамбеталиев1*, А. С. Правитель2

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

E-mail: nurbek.it@gmail.com

Предложено решение повышения функциональных возможностей и надежности радиоэлектронной аппаратуры малых космических аппаратов за счет применения динамически-реконфигурируемых однокристальных вычислительных систем.

Ключевые слова: малый космический аппарат, электронная аппаратура, микропроцессор, ПЛИС, динамическая реконфигурация, контроллер, адаптивная система.

*Работа выполнена при финансовой поддержке федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». (код проекта 14.578.21.0021 RFMEFI57814X0021).

<Тешетневс^ие чтения. 2016

USING A DYNAMIC RECONFIGURATION OF SYSTEM-ON-CHIP FOR CONTROL SYSTEM OF SMALL SATELLITES1

O. V. Nepomnyashchij1, E. A. Veisov1, N. A. Mambetaliev1*, A. S. Pravitel'2

'Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: nurbek.it@gmail.com

This paper proposes the solution to increase functionality and reliability of the radio-electronic equipment of small satellite by using dynamic and reconfigurable system-on-chip devices.

Keywords: small satellite, electronic equipment, microprocessor, FPGA, dynamic reconfiguration, controller, adaptive system.

Применение высокопроизводительных, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) имеющих встроенные на кристалл модули динамической реконфигурации, соответствует требованиям к надежности, массогабаритной характеристике и энергопотреблению радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) малых космических аппаратов (МКА) [1].

В связи с этим авторами предлагается использовать динамическую реконфигурируемую систему, в состав которой входят [2-3]:

- динамический реконфигурируемый модуль. Это вычислитель, который предназначен для высокопроизводительных вычислений и управления конечным оборудованием;

- управляющий модуль. Представляет собой контроллер, в котором реализуются основные операции управления ПЛИС и специальная операция загрузки конфигурационного файла в динамически реконфигу-рируемый модуль из памяти. Таким образом, контроллер фактически представляет собой процессор.

С целью практической реализации ДРС авторами разработан лабораторный образец однокристального контроллера для управления системами исполнительной автоматики малого космического аппарата. В основу контроллера заложен принцип динамической реконфигурации [4-5]. ПЛИС контролера использовалась для управления синхронным двигателем с электромагнитной редукцией (СДЭР), применяющимся в составе модуля раскрытия антенн в рабочее положение и систем поворота солнечных батарей МКА.

Разрабатываемая система управления включает в себя вычислитель на базе FPGA с динамической реконфигурацией ХШпх Virtex-5 [6], регулятор тока, блок коммутации фаз двигателя и регулятор скорости вращения.

При разработке прототипа контроллера предложена магистрально-модульная архитектура центрального вычислителя с динамической реконфигурацией. Для повышения надежности системы в разрабатываемом контроллере использован метод тройного резервирования на уровне процессора. Следует отметить, что каждый процессорный блок является реконфигу-рируемым модулем и находится в реконфигурируе-мых областях ПЛИС. Благодаря этому имеется возможность восстановления поврежденного в результате ДФ процессорного ядра путем перезаписи содержимого соответствующего домена ПЛИС [7].

Контроллер памяти представляет собой систему, состоящую из контроллера конфигурационной внешней памяти и контроллера общей для всех процессорных ядер оперативной памяти, при этом вся система вынесена за пределы процессорного блока.

В состав вычислителя входят три ядра программного процессора Sparc V8 с общей внешней кэшпамятью, а также контроллер магистрали в стандарте AMBA. При этом ядра вычислителя сопрягаются с памятью посредством мажоритарной схемы. Следует отметить, что в данном случае количество процессорных ядер, входящих в состав контроллера, ограничивается только ресурсами ПЛИС.

На этапе отработки алгоритмов и проверки работоспособности системы выполняли программную и аппаратную имитацию выхода из строя блоков управления двигателем с целью проверки мажоритарных элементов и блока динамической реконфигурации. При тестировании установлено, что мажоритарные элементы позволяют идентифицировать не все виды отказов, однако по совокупности полученных изменений удается успешно определять «поврежденный» участок и в режиме реального времени восстанавливать участок. Полученные результаты тестирования контроллера управления двигателем с применением принципа динамической реконфигурации позволяют отметить, что реконфигурация ПЛИС происходит за время, на порядок меньшее времени формирования импульсов управления.

Применение программно-реконфигурируемого процессорного ядра обеспечивает высокую производительность при малой потребляемой мощности и позволяет гибко перераспределять вычислительные ресурсы.

Библиографические ссылки

1. Чумаков А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М. : Радио и связь, 2004.

2. Юдинцев В. Радиационно стойкие интегральные схемы // Надёжность в космосе и на земле. Электроника: НТБ. 2007. № 5.

3. Филиппов А. К. Высоконадежные динамически реконфигурируемые системы обработки информации для ответственных применений // Проектирование и технология электронных средств. 2008. № 2. С. 2-9.

4. Wang Lie, Wu Feng-yan. Dynamic partial reconfiguration in FPGAs // Third International Symposium on

Intelligent Information Technology Application. 2009. P. 446-448.

5. Однокристальные системы с динамической реконфигурацией в радиоэлектронной аппаратуре специального назначения / О. В. Непомнящий, Е. А. Вей-сов, А. С. Правитель // Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 5. С. 25-29.

6. Carmichael C., Fueller E., Blain P., Caffrey M. SEU Mitigation Techniques for Virtex FPGAs in Space Applications [Electronic resource]. Available at: http://www.xilinx.com/appnotes/VtxSEU.pdf.

7. Savani Vijay G., Mecwan Akash I., N Gajjar. P. Dynamic Partial Reconfiguration of FPGA for SEU Mitigation and Area Efficiency // International Journal of Advancements in Technology. 2011. Vol. 2, № 2. P. 285-291.

References

1. Chumakov A. I. Deystvie kosmicheskoy radiatsii na integral'nye skhemy [effects of cosmic radiation on integrated circuits]. Moscow : Radio i svyaz', 2004.

2. Yudintsev V. Radiatsionno stoykie integral'nye skhemy. Nadjozhnost' v kosmose i na zemle [Radiation hardened integrated circuits. Reliability in space and on earth] // Elektronika. NTB. 2007. № 5. (In Russ.)

3. Filippov A. K. Vysokonadezhnye dinamicheski rekonfiguriruemye sistemy obrabotki informacii dlya

otvetstvennykh primeneniy [Highly reliable dynamically reconfigurable data processing systems for critical applications] // Proektirovanie i tekhnologiya elektronnykh sredstv. 2008. № 2. P. 2-9. (In Russ.)

4. Wang Lie, Wu Feng-yan. Dynamic partial reconfiguration in FPGAs // Third International Symposium on Intelligent Information Technology Application. 2009. P. 446-448.

5. Nepomnyashchiy O. V., Veysov E. A., Pravitel' A. S. Odnokristal'nye sistemy s dinamicheskoy rekonfiguratsiey v radioelektronnoy apparature spetsial'nogo naznacheniya [System-on-chip with dynamic reconfiguration in electronic equipment for critical applications]. Uspekhi sovremennoy radioelektroniki. 2014. № 5, P. 25-29. (In Russ.)

6. Carmichael C., Fueller E., Blain P., Caffrey M. SEU Mitigation Techniques for Virtex FPGAs in Space Applications [electronic resource]. Available at: http://www.xilinx.com/appnotes/VtxSEU.pdf.

7. Vijay G. Savani, Akash I. Mecwan, N. P. Gajjar. Dynamic Partial Reconfiguration of FPGA for SEU Mitigation and Area Efficiency // International Journal of Advancements in Technology. 2011. Vol. 2, № 2. P. 285-291.

© Непомнящий О. В., Вейсов E. А., Мамбеталиев Н. А., Правитель А. С., 2016

УДК 621.316.91

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ИСТОЧНИКОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Л. А. Самотик, Д. Н. Пойманов, Е. А. Мизрах

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: enis-home@mail.ru

Разработано устройство защиты источников постоянного тока для применения в составе комплекса для испытаний электрооборудования космического аппарата. Экспериментально исследовано его быстродейст-

Ключевые слова: система электропитания, защитное отключение, устройство защиты.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF DIRECT CURRENT SOURCE PROTECTION

DEVICE PERFOMANCE

L. A. Samotik, D. N. Poymanov, E. A. Mizrah

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: enis-home@mail.ru

A DC source protection device was developed for an application in a spacecraft electrics testing system. The device performance is investigated experimentally.

Keywords: power supply system, safety switches, protection device.

Во время проведения наземных испытаний электрооборудования космического аппарата (КА) проверяется корректность его работы в различных режи-

мах. При этом существует вероятность выхода токов и напряжений на входах испытываемого электрооборудования за границы допустимых диапазонов значе-