立方體衛星 - 不超過公文包的微型衛星 - 在世界各地越來越受歡迎。組件、子系統、發射設備和后勤方面的規模經濟已經并將繼續使許多具有成本效益的新衛星發射企業和項目成為可能。

現在有一個充滿活力的供應商生態系統，提供即插即用的CubeSat組件，這些組件在標準的CubeSat外形尺寸中組合在一起。到目前為止，大部分技術都是基于商用現貨（COTS）電子產品，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。目標是通過確保電子設備在充滿輻射的環境中運行，同時保持適度的預算來提高系統可靠性;立方體衛星旨在成為傳統、高成本衛星的廉價替代品。

由于對選擇性組件硬化作為提高任務成功率的一種手段的興趣，因此為使用輻射硬化組件的CubeSat機載計算機（OBC）創建了一個參考設計。該參考設計可由立方體衛星設計人員下載和修改，以滿足不同的任務要求。OBC 的框圖如圖 1 所示。

圖1：立方體衛星 OBC 參考設計框圖。

該參考設計與南瓜立方體衛星套件總線兼容，因為 PC/104 連接器上的信號符合已發布的南瓜立方體衛星接口規范。有許多即插即用板使用此標準。在空間受限的設計中，PC104 連接器有時會因其尺寸而被放棄。

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備，由ARM開發生態系統提供支持。

MCU 已免疫閂鎖，提供 50 MHz ARM Cortex-M0 內核、程序和數據存儲器、通用 I/O （GPIO） 以及片上外設，如定時器和串行通信（SPI [串行外設接口總線]、UART [通用異步收發器] 和內部集成電路協議 [I2C]）。當系統啟動時，微控制器上的SRAM程序存儲器從賽普拉斯CYPT15B102抗輻射FRAM加載。程序代碼從SRAM執行，并受到錯誤檢測和糾正（EDAC）子系統和清理引擎的保護。

EDAC 可校正 CPU 從 SRAM 存儲器獲取字時由于單事件翻轉 （SEU） 而可能發生的位錯誤。清理引擎是一個免費的子系統，它按順序自主掃描內存，以便在 EDAC 暴露給位錯誤之前檢測和糾正位錯誤。32位數據字中的每個字節有5個綜合位，因此可以檢測每個字節的兩個位錯誤，并在32位存儲器字的每個字節中糾正一個位。這種安排可以糾正每個32位數據字多達四個位錯誤（每個字節一個）。

單事件翻轉（SEU）可以通過單個電離粒子撞擊器件引起狀態變化;SEU 可以影響存儲單元或邏輯電路。MCU架構的另一個輻射緩解特性是在內部寄存器上實現雙聯鎖單元（DICE）鎖存器和三重模塊化冗余（TMR）。EDAC 和擦洗子系統處理存儲器中的 SEU，而 DICE 鎖存器和 TMR 實現則處理邏輯電路中的 SEU。

OBC 使用 Cypress CYPT15B102 鐵電隨機存取存儲器 （FRAM），因為它具有良好的輻射性能，并且通過 SPI 端口可輕松連接到 MCU。第二個FRAM，賽普拉斯FM25V20A，也作為備份實施。FM25V20A 是一款具有相同 SPI 接口的 COTS 汽車級存儲器。該存儲器可用于在執行在軌重編程時提供臨時非易失性存儲：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問題時系統可以恢復到已知的良好狀態。恢復功能是包含第二個FRAM設備的主要原因。第二款FRAM器件當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。（如果系統要求不在軌重新編程，則可能不需要第二個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。該設備的目的是充當數據存儲庫。在任務期間收集的任何數據（例如，來自有效載荷中的傳感器）都可以存儲在其 32 MB 的內存中。根據任務期間預期的輻射分布，設計人員可能會考慮用COTS等效集成電路Cypress S25FL256L替換此設備。

對于低地球軌道（LEO）的短期任務，設計人員經常使用COTS設備。雖然存在無法恢復的干擾風險，但有時被認為是可以接受的成本權衡。系統運行的最大風險是閂鎖：所有CMOS（互補金屬氧化物半導體）器件都容易因電離輻射粒子撞擊而發生閂鎖。當器件閂鎖時，CMOS芯片上的寄生結構變為正向偏置，并產生從VDD到VSS（正到負）的短路。這會導致大電流流過器件并拉低VDD。因此，最好在系統中安裝一個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生，并可以重置系統以解決閂鎖情況。通常，VA10820微控制器在“選擇性強化”的CubeSat系統中執行此功能。請注意，盡管嘗試復位，閂鎖仍會損壞CMOS器件，因此真正保護系統的唯一安全方法是在整個系統中使用完全免疫閂鎖的組件。這種設計比使用COTS更昂貴，并且是CubeSat設計挑戰的關鍵：考慮到使用抗輻射設備減輕輻射效應比使用COTS更昂貴，人們愿意承擔多少風險？

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

系統中使用Intersil ISL706A監控器設備。該主管執行三項重要職能。第一個功能是保持MCU復位，直到電源達到適當的電平來為MCU供電。第二個功能是觀察系統電源作為閂鎖警告監視器。如果系統中的任何器件閂鎖，電源電壓將被下拉。由電阻R1和R2實現的分壓器之比控制監控器芯片上的功率下降輸入（PFI）觸發的閾值。對于此參考設計，門限已設置為2.75V。（電路配置如圖2所示。如果3.3V電源軌降至此電平，MCU將置位復位，進而復位系統。在大多數情況下，閂鎖設備將在系統重新啟動時恢復。

圖2：圖中顯示了監控器電路配置。

監控器設備執行的第三個功能是作為額外的獨立看門狗。MCU中已經有一個看門狗，一個由固件定期重置以確保代碼正確執行的計時器。如果代碼掛起并且固件未復位片上看門狗，則會產生中斷，導致芯片復位。MCU看門狗關注的主要故障模式是時鐘丟失。這種情況由監控器設備解決，因為它充當外部看門狗，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，則監控器將斷言對 MCU 進行硬復位。

該參考設計由 5V 電源供電，該電源來自外部電源預檢電源連接器（在工作臺上使用時）或來自 PC/104 連接器上的 Pumpkin CubeSat 套件總線。系統中使用三種電源軌：5V、3.3V 和 1.5V。5V 電源軌為兩個 Intersil ISL7502SEH 抗輻射 LDO ［低壓差穩壓器］ 供電。電路板上的所有I/O均使用3.3V信號，而模數轉換器需要5V信號，MCU內核電壓需要1.5V。每個LDO都有一個使能輸入，該輸入路由到Pumpkin CubeSat總線PC/104連接器上的指定引腳。此設置使 OBC 參考上的電源能夠由為整個立方體衛星系統供電的 CubeSat 電力系統 （EPS） 控制器板控制。

MCU 由頻率管理提供的抗輻射 50 MHz 時鐘器件供電。MCU內部時鐘速度可以在軟件中動態調整。它可以以較低的速度運行，這可能是優化功耗的一種選擇。許多CubeSat應用的特點是長時間相對較低的活動，在通信或數據采樣期間突發高活動;在低活動期間，可以降低MCU時鐘速度以節省功耗。

MCU連接到Cobham Aeroflex RHD5950模數轉換器（ADC）。這是一種逐次逼近類型，具有 16 個通道、14 位分辨率和 20 μs 轉換周期。ADC通道連接到模擬輸入信號線，詳見南瓜立方體衛星套件總線規范。其中一個ADC通道監視系統電源軌，另一個通道連接到電阻溫度檢測器（RTD）。RHD5950具有單轉換和連續轉換模式;連續轉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 片內多路復用器，以確定對哪些模擬輸入進行采樣。

電路板上實現了幾個非輻射硬化的 COTS 部件，因為沒有抗輻射選項。第一個這樣的設備是UART-to-USB接口（由FTDI Ltd.提供）。在參考設計中包含此器件的原因是使系統的 USB 接口能夠在工作臺上使用，用于開發工作;此接口不適合在軌道上使用。該器件會將USB協議從外部主機轉換為微控制器上的UART接口。USB端口可用作MCU的簡單終端接口。UART-to-USB設備僅在USB電纜插入系統時供電，因此如果受到輻射引起的故障的影響，電路不會產生問題。

系統中使用的第二個非抗輻射 COTS 器件是 HI-3110 集成控制器局域網 （CAN） 控制器和物理層 （PHY）。CAN是一種流行的串行通信協議，廣泛用于汽車系統，由于其強大的差分信號特性，它也受到CubeSat設計人員的青睞。雖然 UART、SPI 和 I2C 等 TTL 級通信接口是短跳板內通信的理想選擇，但 CAN 接口為 CubeSat 系統內的板間通信提供了更堅固的選項。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選擇，因為PHY提供的差分信號具有高抗噪性。由于該設備本身沒有輻射硬化，因此采取了特殊措施來監視和控制它。如果它閂鎖，監控器將由電源電壓的壓降觸發。HI-3110包括內部狀態寄存器，由MCU通過SPI通信接口進行監控。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，并在狀態寄存器數據不明確或指示發生錯誤時重置電源。電源門控電路如圖3所示。

圖3：電源門控電路可保護系統免受充滿輻射的環境中的 COTS 故障的影響。

該參考設計在電路板上包括一個JTAG連接器，用于與MCU連接以進行編程和調試。調試盒（如Segger J-Link）連接到電路板上的JTAG接頭，并通過USB連接到運行集成開發環境（IDE）的主機，如ARM Keil μVision或IAR Embedded Workbench。使用基于 ARM 的微控制器的好處之一是，有多種開發工具可用于支持它。要對 FRAM 進行重新編程，首先將代碼下載到 MCU，然后通過 SPI 連接加載到 FRAM。

所有南瓜納米衛星都使用飛行前移除（RBF）大電流滾輪尖端杠桿開關。它通常與壓在滾輪上的RBF引腳一起使用，或者在壓在納米衛星部署容器壁上的組件中。該開關包含在電路板上，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星套件總線引腳。

供應商通常提供兩種版本的抗輻射設備——原型級和飛行級。飛行級設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。原型級零件的價格通常是飛行級零件價格的一半左右，因此被選中用于此參考設計。

不同的規格用于量化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（SEU）。這些對于了解器件在存儲器中出現位錯誤和由于電離粒子撞擊而導致的邏輯錯誤的頻率非常重要。CubeSats最廣泛討論的輻射規格是總電離劑量（TID）：這是物質中可以吸收的能量量的量度（在這種情況下，物質是硅），以Krad（Si）或千單位的輻射吸收劑量（以硅表示）。TID會隨著時間的推移而累積，并導致IC中MOS晶體管中的源漏泄漏增加，因為器件氧化物會積聚累積電荷。PMOS和NMOS型設備之間的耗盡區域也擴大了。TID積累會導致漏電流增加;最終，CMOS器件將隨著閾值電壓被下拉而停止工作。

CubeSat設計人員使用IC TID規范來估計CubeSat在結構內的IC屈服于TID影響之前可能運行多長時間。這個時間長度取決于軌道高度、方向和時間。在立方體衛星通常飛行的LEO中，TID的來源將主要是電子和質子。參考設計中IC的TID性能詳見表1。

表 1：OBC 參考設計 IC 的 TID 性能。

審核編輯：郭婷