嵌入式空间遥感相机控制器 设计方法与实现 刘辉（机械电子工程） 导师：郭永飞 研究员 刘辉（机械电子工程） 导师：郭永飞 研究员 摘 要 本论文针对目前在航天电子学系统设计领域虽然具有全面的设计建造规范管理，但没有成熟的、完整的设计方法真正贯彻这些规范的现状，以嵌入式空间遥感相机控制器的设计过程为例， 提出了一种采用自顶向下的嵌入式航天系统设计方法。在该设计方法中，系统的研究了嵌入式航天电子产品设计的系统分析过程，硬件设计过程、软件设计过程和系统整合迭代过程，取得了如下创新性工作成果。 在空间相机控制器系统设计过程中， 通过扩展与航天产品设计规范相适应的UML 工程子集的方法将 UML 模型描述语言引入到了的航天系统设计过程中，从而在克服了目前采用自然语言进行系统描述所带来的描述语义不准确和系统需求与实际设计没有可追溯性等问题的同时， 还使电子学系统设计在真正意义上与航天系统建造规范相紧密的结合在一起。 根据航天产品可靠性要求中的 FMEA 分析、 FTA 分析、 EMC 分析、 抗闩锁分析、防潜在电路分析和单粒子防护方法的各自特点， 将它们有机的应用于嵌入式空间遥感相机控制器的设计过程中， 从而打破了传统的只在系统详细设计后才应用各种可靠性、安全性分析的做法，从系统设计根源和系统结构上消除可靠性和安全性隐患，取得了事半功倍的效果。通过本论文的研究发现在系统结构设计上采用安全性和可靠性分析手段进行设计可使系统安全性和可靠性得到极大的提高。 在软件设计过程中，采用了基于 QP 这一轻量级的、事件触发式的和基于 UML状态机的嵌入式实时操作系统的设计模式。从软件需求分析，设计，直到到编码的全部设计过程采用图形化描述和半自动化的源代码生成方式， 克服了传统的软件设计方法的可追溯性、对应性差，各设计步骤自由隐含状态多，系统安全性、可靠性差的瓶颈问题。 通过本文的空间遥感相机控制器的软件设计实践证明该方法可以节省大量的设计周期和仅通过一轮迭代设计就准确的完成了对绝大多数软件需求的编码。 在系统整合过程中解决了软硬件整合性能测试的高精度和客观性的难题，所有的系统工作模式测试、 单项功能测试和系统可调度性测试均可以精确到微秒量级，准确的反映了系统实际运行状态，成功的完成了系统整合评估。 关键词关键词：航天嵌入式系统设计；可追溯性；安全性和可靠性；半自动化；高精度； 客观性；Design Method and Implement of Embedded Aerospace Remote Sensing Camera Controller By: Hui. Liu Directed by: Prof. Yongfei. Guo Abstract Nowadays, in the aerospace electronic system safety and reliability area, a series of design criterions have been built to guide the design process. But there are no opposite parts in the system design area to fulfill them. In order to change this condition, in this thesis an embedded object-oriented design process , by which an embedded aerospace remote sensing camera controller is designed to demonstrate the micro design process of the macro aerospace building process, is introduced. This micro process has the following characteristics. Firstly, in this process, UML profiles are created to guide the analysis and design works, which resolves the problem of traceable links between requirements and design elements and improves modeling description accuracy level. Secondly, in this process, a high reliable and safety camera controller structure is achieved by combining all the safety and reliable requirements, which have been included in the aerospace system design criterions and not yet, such as FMEA, FTA, EMC, anti-latching up, IA and AEA. Thirdly, in this process, a software design pattern, which is based on QP(a practical UML statecharts for embedded systems programming platform ), is introduced in details. By this design pattern all the risks, which traditional signal processing oriented pattern must face on, are eliminated. Also by this pattern, the source codes can be generated semi-automatically and visibly. Lastly, in this process, a realtime tracing system is used to trace the running system without interrupting and outputs the readable application and kernel information with fine scaled timestamps, which makes the measurement of system performance much more elaborate with a real-time fashion. Key words: aerospace embedded system; traceable links between requirements and design elements; safety and reliability system; semi-automatic software design; 目录 目录 摘摘 要要.I Abstract.III 第第 1 章章 绪论绪论 .1 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 . 1 1.2 相关领域的研究现状相关领域的研究现状 . 2 1.2.1 系统描述工具. 2 1.2.2 系统分析技术现状. 3 1.2.3 系统设计技术现状. 4 1.3 论文的主要研究内容和论文结构安排论文的主要研究内容和论文结构安排. 5 1.3.1 论文工作的主要内容. 5 1.3.2 论文的结构安排. 6 第第 2 章章 相机控制器系统分析相机控制器系统分析.9 2.1 系统描述工具及分析模型系统描述工具及分析模型 . 9 2.1.1 航天系统分析阶段的工作过程. 9 2.1.2 符合航天系统分析阶段规范的工程子集介绍. 10 2.2 空间遥感相机电子学系统拓扑结构空间遥感相机电子学系统拓扑结构. 17 2.2.1 拓扑结构描述方法. 17 2.2.2 相机控制器外围拓扑结构. 18 2.3 相机控制器系统功能性任务及需求相机控制器系统功能性任务及需求. 20 2.4 系统安全性需求和可靠性需求分析系统安全性需求和可靠性需求分析. 26 2.4.1 FMEA