CN101854279B - 一种适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信的系统，包括一为整个系统提供电源的电源管理模块，用于控制双向总线收发器、CAN总线控制器和A/D采集模块的中央控制单元，用于进行芯片电平转换的双向总线收发器，支持CAN总线技术规范的CAN总线控制器，与物理总线直接电相连的CAN总线收发器，CAN总线控制器与CAN总线收发器通过两条数据收发线实现数据通信；还包括用于采集模拟量数据转换为数字量数据输入给中央控制单元的A/D采集模块，以及进行模拟量滤波的输入接口滤波电路。A/D采集模块用于星上模拟量采集，采集动态范围与以往相比明显提高，而功耗更低。该系统实现星上数字量、模拟量的采集与通信，可扩展性好，可靠性高。

Description

一种适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信系统

技术领域

本发明涉及一种星上数据采集及通信装置，特别涉及一种适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信系统。

背景技术

小卫星是指重量小于1000公斤的卫星，轨道大多位于1000公里以内的空间区域。小卫星不仅应用在通信、遥感、天文等各个方面。它还适用于进行新技术试验，并且易于在不同的轨道上组成卫星星座，从而实现单颗卫星无法实现的功能。由于小卫星具有成本低廉，发射周期短，机动灵活、便于更新和应用广泛等优点，正在受到世界上越来越多国家的广泛关注。

目前，小卫星上最常用和最有前途的总线之一是控制器局域网(Controller AreaNetwork，以下简称CAN)总线。小卫星数据采集及通信，包括数字量采集和模拟量采集。小卫星的数字量通过CAN总线接口传输，模拟量通过A/D模块采集。目前，公开发表的文章和专利，对于星上数据采集及通信装置的研究，大多针对某一载荷，或者其它总线接口，而不是针对具有CAN总线接口的小卫星数据采集及通信装置的研究。

CAN总线是目前国际上应用最广泛的现场总线之一，也是最有发展前途的现场总线之一。这是由于CAN总线具有很多航天应用的特点：CAN总线具有低成本，高抗电磁干扰性，高总线利用率，很远的数据传输距离(长达10km)，高速的数据传输速率(高达1Mbps)，可靠的错误处理和检错机制，可自动重发，通信灵活，节点在错误严重的情况下自动退出总线等功能和特点。我国发射的航天“清华一号”，“纳星一号”等多颗小卫星都采用了主从两套CAN总线作为星上数据总线。Surrey大学卫星技术公司(SSTL)也多次使用CAN总线作为多颗小卫星总线，并且取得了飞行成功。

随着微电子技术的飞速发展及空间任务对高性能需求的日益增强，现有的宇航级抗辐射器件已经远远不能满足目前空间飞行器高性能系统的需求，使得高性能商用器件Commercial-Off-The-Shelf(COTS)在空间的应用成为可能。本装置的A/D采集模块采用了一片军温级商用器件AD7890，这也是NASA推荐的可用于航天的COTS器件之一。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的宇航级抗辐射器件已经远远不能满足目前空间飞行器高性能系统的需求，从而提供一种使用军温级商用器件(包括A/D采集芯片，CAN总线控制器)制作的、特别适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信的系统，该系统可实现数字量、模拟量的采集与通信。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信的系统，包括：

电源管理模块1，为整个系统中各模块提供电源，通过DC-DC变换，输出2.5V和3.3V的电压，给中央控制单元2以及双向总线收发器3供电；

中央控制单元2，用于控制双向总线收发器3、CAN总线控制器4和A/D采集模块6；双向总线收发器3，用于进行芯片电平转换，实现3.3V I/O接口与5V TTL接口之间的电平匹配；

CAN总线控制器4，支持CAN总线技术规范2.0A、和2.0B，能发送和接收标准帧和扩展帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能；

CAN总线收发器5与物理总线(CANH和CANL)直接电相连，将CAN总线控制器产生的数字信号转换为适合于在总线上发送的信号，完成对总线的差动发送和接收；所述的CAN总线控制器模块4与所述的CAN总线收发模块5之间通过两条数据收发线RXD和TXD实现数据通信；

A/D采集模块6，将模拟量转换为数字量输入给中央控制单元2，每路数据由1位起始位、3位通道标识位以及12位转换结果数据位组成；所述的A/D采集模块6有8路模拟量输入端VIN1-VIN8，所有的输入端共用一个公共端，8路模拟量通过输入接口滤波电路7进入A/D采集模块6的输入端；中央控制单元2通过提供A/D采集模块6的控制信号和时钟信号，选择转换通道，实现分时多路采集；

输入接口滤波电路7，对输入的模拟量信号进行滤波；共有8路，在每路模拟量输入端与接地端分别接入两个起滤波作用的独石电容。

在上述的技术方案中，还包括2路高速光电耦合器，所述的高速光电耦合器在系统中用来增强系统的抗干扰能力(如图1a所示)；CAN收发模块82C250的TXD(发送数据输入端)和RXD(接收数据输出端)可通过高速光电耦合器6N137构成的隔离电路相连(如图1a所示)，又可直接与控制器模块SJA1000的TXO(发送数据输出端)和RXO(接收数据输入端)连接(如图1b所示)，82C250的发送数据输入端与第二个6N137的输出口OT端相连，接收数据输出端与第一个6N137的输入口-IN端相连。

在上述的技术方案中，所述的电源管理模块1具有完成5V电压到2.5V，完成5V电压到和3.3V电压之间的转换，由M.S.Kennedy公司的电源芯片构成。

在上述的技术方案中，所述的中央控制单元2采用Xilinx辐射加固的FPGA(可靠性高，适合宇航级应用)；所述的FPGA的接口电平经过双向总线收发模块与CAN总线控制器4相连。

在上述的技术方案中，双向总线收发器3需采用宇航级标准或者军温级且有成功飞行经验的器件，这里采用AEROFLEX公司研制的宇航级器件。

在上述的技术方案中，所述的CAN总线控制器4和CAN总线收发器5采用工业级的芯片。Surrey大学研究证实，工业级的CAN总线控制器和CAN总线收发器在经受10Krad辐照后，性能无明显下降，适宜小卫星的应用。

在上述的技术方案中，所选用的A/D采集模块6是NASA(美国国家航空航天局)推荐的可用于宇航级飞行任务的军温级商用A/D芯片。它与一般的宇航级A/D相比较，具有模拟量输入动态范围大(避免使用输入端电平转换电路)，转换通道数多(避免使用输入端多路开关)，功耗低(最大50mW，休眠状态下75uW)的特点。

在上述的技术方案中，所述的独石电容分别为0.1uF和10uF的(独石电容体积小，相对温度变化率小)。

本发明的数字量采集功能是通过CAN总线控制器和CAN总线收发模块(CAN接口模块)实现的，由于CAN总线具有双向的数据收发功能，因此本系统还具有数据通信的功能。CAN总线数据的采集和通信，是按照CAN总线协议进行的，CAN总线协议通信格式中有四种帧格式：数据帧、远程帧、差错帧和超载帧。其中数据帧和远程帧的发送需要在控制器的控制下进行，而差错帧和超载帧的发送是在错误发生和超载发生时自动进行的。因此一般只考虑前两个帧的结构。CAN总线协议数据帧结构如表1所示，其中数据场最多不超过8个字节，如果数据超过8个字节，将采用第二个帧进行发送。除数据场外，其它各结构均由CAN总线控制器自动进行添加。而在数据接收时，同样由CAN总线控制器对该帧进行提取，获取其中数据，然后通知中央控制单元2进行数据提取。

表1CAN数据帧结构表

帧起始

仲裁场

控制场

数据场

CRC场

ACK场

帧结束

本发明的模拟量采集功能是通过A/D采集模块6实现的。A/D采集模块有8路模拟量输入端VIN1-VIN8，所有的输入端共用一个公共端，8路模拟量分别经过电容滤波，进入A/D模块的输入端。中央控制单元2通过提供A/D采集模块6的控制信号和时钟信号，选择转换通道，实现分时多路采集。

本发明的优点在于：

本发明采用FPGA作为核心控制单元，FPGA是星上广泛使用的控制单元，Xilinx等公司研制的宇航级FPGA具有抗辐射、耐高低温、低功耗和速度快等特点。因此本发明没有采用传统的单片机控制的通信方式，而研制了基于FPGA的CAN总线通信模块，更适宜小卫星的应用，也缩小了PCB尺寸，具有很高的可靠性。

本发明的系统中由于FPGA的可编程特性，更加便于系统硬件日后的升级和扩展。

本发明不仅具有数据采集的功能，还具有数据发送的功能，具有双向的数据通信功能。

本发明的A/D采集模块具有多路模拟量采集的功能，可对某一路或几路进行单独采集，也可进行八路的循环采集。模拟量输入范围大(-10V~10V)，功耗低(最大50mW，休眠状态下75uW)。

本发明的系统，降低了功耗和重量，缩小了体积，特别适宜空间使用。

附图说明

图1a是本发明的系统组成示意图

图1b是本发明的系统组成示意图

图2是本发明的系统中FPGA(中央控制单元2采用Xilinx辐射加固的FPGA)内部控制逻辑示意图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参考图1b，制作一适用于采用CAN总线的小卫星的CAN总线通信装置，由电源管理模块1、用于进行芯片时序控制的中央控制单元2、用于芯片电平转换的双向总线收发器3、完成CAN总线数据通信的CAN总线控制器4、与物理总线相连的CAN总线数据收发器5、A/D采集模块6和对输入的模拟量信号进行滤波的输入接口滤波电路7组成；采用Xilinx的辐射加固FPGA作为中央控制单元，完成CAN总线控制器的寄存器初始化，并采用查询方式，产生地址锁存信号，片选信号，读使能信号和写使能信号，模拟双向地址数据复用总线的读写时序，实现数据的接收和发送。中央控制单元2通过控制A/D采集模块6，产生启动信号、接收帧同步信号、传输帧同步信号以及时钟信号，实现多通道模拟量的采集。

其中，电源管理模块1采用MSK5102-2.5H以及MSK5102-3.3H，该电源管理模块1把公用设备供电电压5V，转换为2.5V和3.3V的电压供给FPGA。电源管理模块1的输出端2.5V和3.3V分别接FPGA的Vint(内核电压)，Vcco(Bank电压)，GND端为整个设备的接地端。

CAN总线控制器4，CAN总线收发器5，A/D采集模块6的供电使用未经转换的公用设备供电电压5V。

用于进行芯片时序控制的中央控制单元2采用Xilinx公司抗辐射加固的FPGA，其型号为XQVR-1000，其工作时钟为40MHZ，由晶振输出端连至FPGA的GCLK引脚上。FPGA与双向总线收发器直接电连接。

双向总线收发器3采用了AEROFLEX公司的双向三态总线收发器54ACS164245，它具有抗辐射特色，闭锁阈值和耐辐射计量分别达120MeV和300Krad，因而是适用于航天领域的器件。

CAN总线控制器4采用Philips公司的SJA1000作为CAN总线控制器芯片；

CAN总线收发器5选用Philips公司的82C250；

A/D采集模块6采用ADI公司的AD7890-10(军温级)芯片完成星上的模拟量采集。这是一个8通道12位、输入电压范围为±10V的A/D采集芯片。AD7890-10是NASA推荐的可用于航天的COTS器件之一。

如图1a和1b所示，FPGA的两个引脚与双向总线收发器的方向选择端口DIR1、DIR2线相连；而输出使能端口OE1和OE2端接地，使双向总线收发器的输出总为使能态。双向总线收发器54ACS164245，可以当作16位或者两个8位双向总线收发器使用，本设计将其当作后者。

双向总线收发器3分别有A口和B口两个端口，根据DIR1和DIR2所接信号电平的高低，可以选择数据是由A口流向B口，还是B口流向A口。FPGA控制信号DIR1为高电平时，第一个8位双向总线收发器的数据从A口流向B口，其A口管脚与FPGA的4根信号管脚连接，B口管脚与CAN总线控制器的4条控制信号线：ALE、CS、RD、WR连接；DIR2控制第二个8位双向总线收发器的数据流向，当DIR2所接信号电平为高时，数据由A口流向B口，此为向CAN总线控制器发送数据状态；当DIR2所接信号电平为低时，数据由B口流向A口，此为从CAN总线控制器接收数据状态。因此，第二个8位双向总线收发器的A口连接FPGA的8根信号线，B口与CAN总线控制器的8条双向数据地址复用线AD0-AD7连接。

CAN总线控制器4与CAN总线收发器5之间通过两条数据收发线RXD和TXD实现数据通信。如果采用高速光电耦合器6N137，则CAN总线收发器82C250的TXD(发送数据输入端)和RXD(接收数据输出端)端可通过6N137构成的隔离电路相连(如图1a所示)，又可直接与CAN总线控制器SJA1000的TX0(发送数据输出端)和RX0(接收数据输入端)连接(如图1b所示)，82C250的发送数据输入端与第二路6N137的输出口OT端相连，接收数据输出端与第一路6N137的输入口-IN端相连。

CAN总线收发器5的CANH和CANL引脚与CAN物理总线之间各串联一个起限流作用的5Ω电阻，在CANH和CANL引脚上分别并联30pF的独石电容，滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射，其电源端与地之间并联0.1uF的去耦电容。8C250的RS引脚(斜率电阻输入端)接47K电阻后接地，这降低了射频干扰，由于使用了82C250的集成的收发器电路，CAN总线控制器SJA1000使用了旁路功能，此时SJA1000的RX1引脚接地。

A/D采集模块6采用AD7890-10(军温级)芯片。电路的8路模拟输入端由多路开关根据3位通道地址选择，多路切换时按先开后合方式操作。REF OUT/REF IN是参考电压输出/输入端。既可使用外部参考电压，又可使用内部参考电压。本设计使用内部参考电压，此时在该端和模拟地之间接入一只0.1μF的瓷片电容。AD7890的SMODE接高电平，使芯片工作在外时钟模式下。Cext引脚的电容值决定了AD7890开始启动的内部延时脉冲，根据实际情况，这里在Cext引脚和接地端之间接入了120pF的电容。SCLK、TFS、RFS、DATAIN引脚分别是AD7890的时钟输入端、传输帧同步信号，接收帧同步信号和数据输入端。AD7890接口电平标准为5V TTL。由于这四条信号线是由FPGA发出，而FPGA端口3.3V LVCMOS电平标准的信号可以驱动5V TTL电平标准的芯片，因此，这四条信号线可以直接与AD7890相连。DATAOUT管脚是AD7890的转换数据输出端，由于它是5V TTL电平标准的，因此与FPGA模块连接时，必须经过电平转换。如图1所示，这里把DATAOUT端连接至双向总线收发器B口空闲的管脚上，从A口与其相对应的管脚连接到FPGA的信号引脚上。

输入接口滤波电路7，对输入的模拟量信号进行滤波；共有8路，对每路模拟量输入端与接地端分别接入两个起滤波作用的独石电容。所述的独石电容分别为0.1uF和10uF的(独石电容体积小，相对温度变化率小)。

在系统中可以设置用来增强系统的抗干扰能力的2路高速光电耦合器(如图1a)，CAN收发器5的发送数据输入端和接收数据输出端通过高速光电耦合器构成的隔离电路相连或直接与CAN总线控制器4的接收数据输出端和发送数据输入端连接；CAN总线收发器5的发送数据输入端与第二路高速光电耦合器的输出口OT端相连，接收数据输出端与第一路高速光电耦合器的输入口-IN端相连。

也可以不设置高速光电耦合器，因为它会增加CAN总线有效回路信号的传输延迟时间，导致通信速率或距离减少；由于所采用的CAN收发器本身具备瞬间抗干扰、降低射频干扰(RFI)以及实现热防护的能力，它的电流限制电路还提供了对总线的进一步保护，也可以不必须设置高速光电耦合器；所以如果现场传输距离近、电磁干扰小，可以不采用光电隔离，以使系统达到最大的通信速率或距离(如图1b所示)。

本实施例的中央控制单元2采用Xilinx的辐射加固FPGA，具有进行芯片时序控制的功能，对FPGA的编程是本领域技术人员可以实施的，本实施例对FPGA的编程采用下述方式，FPGA对SJA1000的顶层控制模块如图2所示。SJA1000的CONTROL_MODULE是控制的核心模块，初始上电时，FPGA接到复位信号，即对SJA1000内部寄存器初始化。ROM中存储着初始化寄存器的地址和数据。FIFO_RD、FIFO_WR分别是FPGA内部对CAN总线的接收、发送缓存。CONTROL_MODULE从ROM中读取地址，锁存地址信号，然后拉低写控制信号WR，打开写允许，把数据写到复用总线上，完成对相应地址的寄存器赋值。初始化过程包括依次对时钟分频器、验收码寄存器、屏蔽寄存器、总线时序寄存器、输出控制寄存器的寻址和赋值。以上寄存器初始化完成后，返回空闲状态。图2中计数器COUNTER的作用是通过使地址加1，指向ROM中下一个数据

当读控制信号有效，即CONTROL_RD信号有效时，如果SJA1000的接收缓冲区状态标志位(RBS)为1，即接收缓冲区中有数据，从SJA1000的接收缓冲区中读取数据，放到内部FIFO_RD上缓存，读完接收缓冲区就释放该区。当CONTROL_MODULE的发送控制信号CONTROL_MR有效时，如果SJA1000的发送缓冲区状态标志位(TBS)为1，即发送缓冲区释放，它读取缓存在内部FIFO_WR上的数据，并产生SJA1000要求的写时序，写到发送缓冲区中，然后启动发送命令。设计中FPGA内部的FIFO和ROM采用IP核实现，模块CONTROL_MODULE、计数器COUNTER用VHDL语言编写实现。ALE、CS、RD和WR是FPGA对SJA1000的控制信号，DIR1和DIR2分别是双向总线收发器的两组方向选择控制信号。

当A/D转换控制信号有效，即CONTROL_AD信号有效时，FPGA启动对A/D芯片的控制操作。首先对AD7890内部寄存器写入控制字，之后产生A/D启动信号CONVST＝1，并产生用于读写数据的串行时钟信号SCLK，转换过程开始。转换结束后从芯片的DATAOUT引脚读出16位串行数据，并进行串并转换，把结果写入FIFO_AD中。这样就完成了一路通道的一次模拟量的采集。每采集完一个通道，则FPGA对AD7890的控制寄存器重新初始化，指向下一通道，如此循环往复，完成多路模拟量的分时采集。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (6)

1.一种适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信系统，包括:

电源管理模块（1），为整个系统中各模块提供电源，通过DC-DC变换，输出2.5V和3.3V的电压，给中央控制单元（2）以及双向总线收发器（3）供电；

中央控制单元（2）采用Xilinx公司抗辐射加固的FPGA,型号为XQVR-1000，用于控制双向总线收发器（3）和CAN总线控制器（4），模拟CAN总线时序；

双向总线收发器（3）采用AEROFLEX公司的双向三态总线收发器54ACS16425，用于进行芯片电平转换，实现3.3V I/O接口与5V TTL接口之间的电平匹配；

CAN总线控制器（4），支持CAN总线技术规范2.0A、和2.0B，能发送和接收标准帧和扩展帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能；

CAN总线收发器（5）与物理总线直接电相连，将CAN总线控制器产生的数字信号转换为适合于在总线上发送的信号，完成对总线的差动发送和接收；所述的CAN总线控制器（4）与所述的CAN总线收发器（5）之间通过两条数据收发线RXD和TXD实现数据通信；

A/D采集模块（6）采用ADI公司的AD7890-10军温级芯片完成模拟量采集，采集模拟量数据，转换为数字量数据输入给中央控制单元（2），每路数据由1位起始位、3位通道标识位以及12位转换结果数据位组成；所述的A/D采集模块（6）有8路模拟量输入端VIN1-VIN8，所有的输入端共用一个公共端，8路模拟量通过输入接口滤波电路（7）进入A/D采集模块（6）的输入端；中央控制单元（2）通过提供A/D采集模块（6）的控制信号和时钟信号，选择转换通道，实现分时多路采集；

输入接口滤波电路（7），对输入的模拟量信号进行滤波；共有8路，对每路模拟量输入端与地端分别并联两个起滤波作用的独石电容。

2.按权利要求1所述的适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信系统，其特征在于，还包括用来增强系统的抗干扰能力的2路高速光电耦合器，所述的CAN总线收发器（5）的发送数据输入端和接收数据输出端通过所述的高速光电耦合器构成的隔离电路相连或直接与CAN总线控制器（4）的发送数据输出端和接收数据输入端连接；CAN总线收发器（5）的发送数据输入端与第二路高速光电耦合器的输出口OT端相连，接收数据输出端与第一路高速光电耦合器的输入口-IN端相连。

3.按权利要求1所述的适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信系统，其特征在于，所述的电源管理模块（1）完成5V电压到2.5V，完成5V电压到和3.3V电压之间的转换，由M.S.Kennedy公司的MSK102-2.5H及MSK102-3.3H电源芯片构成。

4.按权利要求1所述的适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信的系统，其特征在于，所述的中央控制单元（2）经过双向总线收发器（3）与CAN总线控制器（4）相连。

5.按权利要求1所述的适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信系统，其特征在于，所述的CAN总线控制器（4）和CAN总线收发器（5）采用工业级的芯片。

6.按权利要求1所述的适用于小卫星控制器局域网的数据采集及通信系统，其特征在于，所述的独石电容分别为0.1uF和10uF的。

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