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系統識別號 U0002-3108200513305100
中文論文名稱 微衛星電腦系統之即時功能與飛行軟體規劃
英文論文名稱 Real-time Function of On Board Computer and Flight Software Design In Microsatellite
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 李文強
研究生英文姓名 Wen-Chiang Lee
學號 692340713
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-07-25
論文頁數 97頁
口試委員 指導教授-洪祖昌
共同指導教授-林煥榮
委員-謝清志
委員-蔡添壽
委員-莊智清
委員-洪祖昌
委員-林煥榮
中文關鍵字 微衛星  μC/OS-II作業系統  衛星電腦  嵌入式系統  中斷  飛行軟體 
英文關鍵字 Microsatellite  μC/OS-II  Onboard computer  Embedded System  Interrupt  Flight Software 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本篇論文採用即時之μC/OS-II微核心作業系統,植入Motorola 32bit MPC555之微控制器,構成一嵌入式微衛星電腦系統,進而發展其即時功能,並利用電腦系統即時多工的特性,初步規劃出飛行軟體,使其具備衛星電腦初始化與自治運作、命令接收與處理,以及資料的儲存、處理與下傳等功能,並建立其運作模式下之健康狀態監測、安全模式、酬載拍照、GPS監測、遙測資料儲存等應用工作,以符合太空任務之需求。
本顆衛星主要的任務即拍攝氣象雲圖與電子郵件的發送服務,而本論文所要實現的,即為使衛星電腦能在短時間之內處理多項工作,並加入飛行軟體來監督衛星的運作,設計出飛行軟體在運行模式下所要的執行的工作,依據各工作重要的程度,規劃出執行時不同的優先順序與工作頻率。而本嵌入式系統設計之發展過程分為幾個階段,包括μC/OS-II微核心之研究、MPC555底層驅動軟體之發展、微核心作業系統植入MPC555主機板和衛星應用程式之發展。
英文摘要 In this thesis, one real-time OS, μC/OS-II, is ported on Motorola 32bit MPC555 to implement the computer system of the micro-satellite. Further we take advantage of embedded system’s feature “real-time ”and “multi-task” to perform the computer system and to scheme out the flight software primarily, including initialization and autonomous operation of onboard computer, command and data handling. Also establishing and performing several tasks of satellite operating to fit space mission requirement, these tasks do to monitor satellite and GPS status, handle telemetry data, capture photo, and process exception events.
The missions of the micro-satellite are the weather observation and amateur mailbox experiment. This thesis uses onboard computer to perform many tasks in a short time and according to the importance of the tasks, it designs priority and working rate of each task of the computer system in operating mode. This embedded system’s development process includes studying μC/OS-II core, programming the low level of OS driver, porting OS to MPC555 motherboard, and developing subsystem application software (task programming).
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VI
程式碼目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 3
第二章 衛星任務與電腦子系統 4
2.1 衛星任務 4
2.2 微衛星系統架構 5
2.3 嵌入式系統 8
2.3.1嵌入式處理器 9
2.3.2作業系統 13
2.4 衛星電腦子系統之設計 15
第三章 μC/OS-II即時多工作業系統 17
3.1 文件結構 17
3.2 工作狀態管理 18
3.3 工作就緒表 25
3.4 系統初始化與多工啟動 26
3.5 μC/OS-II之移植與測試 28
3.5.1 MPC555上之移植 28
3.5.2 開發環境的介紹 30
3.5.3 測試移植版本 33
第四章 衛星電腦即時功能之發展 44
4.1 中斷功能概述 44
4.2 MPC555之中斷系統 45
4.2.1 MPC555中斷流程 45
4.2.2 MPC555中斷架構 48
4.3中斷實作 56
4.3.1 例外處理表(Exception table) 58
4.3.2 週期性中斷計時器(PIT) 60
4.3.3 外部中斷(External interrupt) 60
4.3.4 佇列串列多通道模組中斷(QSMCM interrupt) 60
4.3.5 遞減器例外處理(Decrementer exception) 61
4.4中斷小結 62
第五章 飛行軟體規劃 64
5.1 飛行軟體需求定義 64
5.2 飛行軟體架構 65
5.3 應用工作介紹 69
5.3.1 起始工作(Start task) 71
5.3.2 健康狀態監測工作(Health monitor task) 72
5.3.3 安全模式工作(Safe-mode task) 74
5.3.4 酬載拍照工作(Capture task) 75
5.3.5 GPS監測工作(GPS monitor task) 76
5.3.6 遙測資料儲存工作(TM save task) 78
5.4 飛行軟體實驗 79
5.4.1 實驗流程設計 79
5.4.2 實驗模擬過程 80
第六章 總結與未來展望 86
附錄一:CodeWarrior IDE 5.5 程式燒錄步驟 88
參考文獻 95

圖目錄
圖2-1 微衛星系統架構圖 6
圖2-2 MPC555內部模組方塊圖 12
圖2-3 嵌入式衛星電腦系統架構 16
圖3-1 μC/OS-II的文件結構 17
圖3-2 μC/OS-II工作狀態轉換圖 20
圖3-3 μC/OS-II工作就緒表 25
圖3-4 找出進入就緒態最高優先權工作 26
圖3-5 μC/OS-II多工的運作 27
圖3-6 衛星電腦系統之開發環境 30
圖3-7 CodeWarrior開發環境的視窗界面 32
圖3-8 程式開發流程 34
圖3-9 CodeWarrior環境下程式開發流程 34
圖3-10 示波器測試MPIOSM pin-5取樣圖(一) 37
圖3-11 移植測試步驟(2)之流程圖 37
圖3-12 示波器測試MPIOSM pin-5取樣圖(二) 39
圖3-13 移植測試步驟(3)之流程圖 40
圖3-14 示波器測試MPIOSM pin-5取樣圖(三) 42
圖3-15 移植測試步驟(4)之流程圖 43
圖4-1 中斷之於強取式核心 45
圖4-2 MPC555中斷概要流程 46
圖4-3 例外處理表示意圖 48
圖4-4 MPC555中斷架構方塊圖 49
圖4-5 External I/O devices 中斷源方塊圖 50
圖4-6 Internal I/O devices 中斷源方塊圖 51
圖4-7 USIU中斷源方塊圖 52
圖4-8 SIPEND與SIMASK暫存器位元定義之中斷等級 53
圖4-9 中斷源連結至處理器核心 55
圖4-10 MPC555中斷系統圖 55
圖4-11 μC/OS-Ⅱ下中斷服務常式流程 57
圖4-12 雙映射原理示意圖 59
圖4-13 以CodeWarrior記憶體觀測視窗觀察0x900位址 59
圖4-14 中斷程式流程- 0x500偏移位址 62
圖4-15 中斷程式流程- 0x900偏移位址 63
圖5-1 飛行軟體架構 66
圖5-2 飛行軟體模式切換方塊圖 67
圖5-3 飛行軟體運作模式下之三個層次 68
圖5-4 起始工作流程 71
圖5-5 健康狀態監測工作流程 73
圖5-6 安全模式工作流程 74
圖5-7 酬載拍照工作流程 75
圖5-8 GPS監測工作流程 77
圖5-9 遙測資料儲存工作流程 78
圖5-10 模擬衛星軌道運行 79
圖5-11 地面站軟體展現實驗結果(一) 81
圖5-12 地面站軟體展現實驗結果(二) 82
圖5-13 地面站軟體展現實驗結果(三) 82
圖5-14 地面站軟體展現實驗結果(四) 83
圖5-15 地面站軟體展現實驗結果(五) 84
圖5-16 地面站軟體展現實驗結果(六) 84

表目錄
表1-1 衛星依重量的分類 2
表2-1 衛星之軌道參數 4
表4-1 MPC555之Exception table 48
表4-2 UIMB中斷等級轉換 52
表4-3 中斷碼代表之中斷等級 54
表4-4 各中斷源之整理 63
表5-1 應用工作簡介 70
表5-2 地面站命令功能 80

程式碼目錄
程式碼3-1 μC/OS-II工作的型式 19
程式碼3-2 μC/OS-II的空閒工作 22
程式碼3-3 μC/OS-II工作控制區塊 23
程式碼3-4 μC/OS-II初始化和啟動 28
程式碼3-5 TEST.C最簡化 35
程式碼3-6 修改TEST.C中main()函數 36
程式碼3-7 修改OSTaskIdleHook()函數 36
程式碼3-8 在TEST.C中建立TestTask工作 38
程式碼3-9 修改TestTask工作 40
程式碼4-1 ExceptionTable.asm部份內容 58
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