CN103281214B - 一种基于单片机的星上can总线监视系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的星上CAN总线监视系统，包括单片机控制器、总线接口模块、时间模块、电源模块和存储模块。本发明采用锂电池供电，与现有设计相比，无市电干扰，提高测试中的安全性、稳定性；电源模块系统采用双冗余设计，根据需要自动实现供电电池的热切换，不会因更换电池导致数据监视的中断，丢失数据流信息；本发明自带高稳定时间模块，计时精度达0.1ms，确保记录的总线数据的时间准确性，使测试人员分析数据更加快捷；本发明的存储模块采用双冗余SD卡设计，可实现数据存储的热切换，便于实时查询CAN总线数据。

Description

一种基于单片机的星上CAN总线监视系统

技术领域

本发明涉及一种CAN总线监视系统，尤其涉及一种基于单片机系统的星上CAN总线监视系统，属于一种应用于卫星数据总线网络的数据流监视系统。

背景技术

卫星数据总线系统，是卫星各分系统之间进行信息交换的通路。在国内的小卫星设计中，星上总线系统采用CAN总线网络。在卫星测试环节，途经总线的数据流信息，在分析并定位系统故障、查找隐患等方面具有不可替代的作用。总线监视系统因此应运而生。目前，在小卫星各级测试中，所用的总线监视系统都是采用CAN转接盒+电脑的方式实现。系统组成如图1所示，该系统通过CAN转接盒获取星上CAN总线网络的数据，并将数据传送至电脑进行记录保存。此监视方法在实际应用中，具有如下问题：

（1）若采用工控机记录保存CAN总线数据流，存在将市电干扰引入到星上CAN总线网络的可能，降低星上网络数据流传输的可靠性，市电作为强电，也不利于总线安全。若采用笔记本电池供电，又因电池续航能力有限，需频繁更换电池，造成总线数据流信息的丢失。

（2）在小卫星的不同测试环节，要求不同的测试环境，需根据条件更换测试场地，无论采用工控机或是笔记本电脑方式，都存在携带、搬运不便的问题。

（3）采用电脑记录总线数据，由于电脑操作系统设计不优先考虑时间，导致记录的总线数据流时间仅有秒级精度，无法对总线应答时间、帧间隔等毫秒级参数进行分析处理。这给测试人员检查总线数据流信息并分析故障带来了不便。

综上所述，现有的小卫星总线监视系统不仅干扰大、有安全隐患、记录数据不完整，还具有携带不便等困难，不适于在小卫星测试过程中的深入应用。

随着小卫星技术的不断发展，小卫星设计日趋复杂，对小卫星的测试工作也越来越深入、测试内容也越来越复杂。设计一套符合小卫星测试需求的星上总线监视系统，具有重大的现实意义。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供了一种基于单片机的星上CAN总线监视系统，该系统解决了目前小卫星测试过程中的总线数据流监视的问题，提高了CAN总线监视系统的数据完整性、便携性，降低了小卫星测试过程中市电对星上网络的干扰，提高了小卫星测试过程中的安全性、稳定性。

本发明的技术解决方案：一种基于单片机的星上CAN总线监视系统，包括单片机控制器、总线接口模块、时间模块、电源模块和存储模块；

所述单片机控制器，通过中断方式监视星上CAN总线数据，当星上CAN总线有数据流产生，通过总线接口模块响应星上CAN总线的中断，读取星上CAN总线上的数据流，同时读取时间模块的时间，将读取的星上CAN总线数据流打上时标后记录到存储模块中；单片机控制器实时监视电源模块中两个工作电源的供电状态，根据两个工作电源的供电状态控制切换工作电源；

所述总线接口模块，由CAN总线控制器和CAN总线接口驱动器组成用于接收总线数据；

所述时间模块，产生读取星上CAN总线数据流的时间；

所述存储模块，采用双备份模式，用于记录星上CAN总线数据流；

所述电源模块，采用双备份模式为单片机控制器持续供电。

所述存储模块包括两个双冗余备份的SDV600存储器、地址选择器和手动切换开关，两个SDV600存储器通过地址选择器与单片机控制器相连接，手动切换开关手动控制两个SDV600存储器的切换。

所述电源模块包括两个冗余备份的锂电池、三个电阻、两个二极管、两个开关、三端稳压器和电量检测单元，每个锂电池与一个二极管、一个开关和一个电阻构成一个串联电路，两个串联电路的一端通过电量检测单元接单片机控制器，另一端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端通过三端稳压器接单片机控制器，三端稳压器的输出端作为电源模块的输出端，单片机控制器根据电量检测单元对两个锂电池电量的检测结果控制两个开关的打开或闭合。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明的所有模块可集成在一个80mm*60mm*10mm的包装内，采用单片机控制整个系统的工作，脱机使用，测试中不需携带电脑设备，更加符和便携性的设计要求；

（2）本发明采用锂电池供电，与现有设计相比，无市电干扰，提高测试中的安全性、稳定性；电源模块系统采用双冗余设计，根据需要自动实现供电电池的热切换，不会因更换电池导致数据监视的中断，丢失数据流信息；

（3）本发明自带高稳定时间模块，计时精度达0.1ms，确保记录的总线数据的时间准确性，使测试人员分析数据更加快捷；

（4）本发明的存储模块采用双冗余SD卡设计，可实现数据存储的热切换，便于实时查询CAN总线数据。

附图说明

图1为传统星上CAN总线监视系统的组成示意图；

图2为本发明的组成结构示意图；

图3为本发明的状态迁移图；

图4为本发明状态2的实现流程图；

图5为本发明状态3的实现流程图；

图6为本发明总线接口模块的结构组成图；

图7为本发明时间模块的结构组成图；

图8为本发明高精度时间的生成流程图；

图9为本发明存储模块的组成结构示意图；

图10为本发明电源模块的结构结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明组成主要包括单片机控制器、总线接口模块、时间模块、电源模块和存储模块。其中电源模块、存储模块采用双冗余备份设计，可根据需要进行更换，具有热拔插特点。系统工作时，单片机控制器调度整个监视系统的工作，通过中断方式监视星上CAN总线数据，当星上CAN总线有数据流产生，通过总线接口模块响应星上CAN总线的中断，读取星上CAN总线上的数据流，同时读取时间模块的时间，将读取的星上CAN总线数据流打上时标后记录到存储模块中；单片机控制器实时监视电源模块中两个工作电源的供电状态，根据两个工作电源的供电状态控制切换工作电源。

如图3所示，本发明具有4个工作状态，功能分别如下：

状态1为初始化状态，系统加电后，进入状态1，对监视系统进行初始化处理，包括开中断、标志复位、时间同步等，状态1完成后，进入状态2；

状态2为循环状态，如图4所示，在此种状态下，监视系统循环检查电源模块的电量、存储模块状态等，并适时进行切换；监视系统循环检查单片机控制器的缓冲区，并将缓冲区内的数据存入存储模块中；若状态2中产生中断，进入状态3或状态4。

状态3为CAN总线中断状态，如图5所示，监视系统响应CAN总线中断，首先读取时间模块时间值，将CAN总线数据加入时间标后，存入单片机控制器缓冲区中，执行结束后，挂起中断，返回状态2。

状态4为时间模块中断状态，监视系统响应时间模块中断，累计秒加1，清零计数寄存器，归零毫秒值。执行结束后，挂起中断，返回状态2。

如图6所示，本文的CAN总线接口模块采用SJA1000+82C250构架设计。在小卫星总线通信系统中，此构架一直沿用至今，具有极高的稳定性、可靠性，是一种应用成熟的CAN总线接口电路设计方案。在本发明的设计中，CAN总线接口模块连接如图6所示，SJA1000用作CAN总线控制器，82C250用作CAN总线接口驱动器，AD0～7为地址/数据复用线，用于CAN数据流传输；ALE用于实现地址锁存；CS与单片机控制器IO口相连，用于实现芯片使能控制；RD、WR为读写控制线，用于实现对SJA1000的读写操作；INT用于实现中断触发；TX0、RX0与TXD、RXD相连；CANH、CANL接口连接到星上CAN总线网络。

如图7所示，时间模块采用SD2003设计，SD2003支持I2C总线接口，可输出年、月、日，时、分、秒，年误差低于2分钟。具有两个方波输出引脚，可输出频率1Hz～32768Hz的方波。在本发明的设计中，SD2003的SDA、SCK作为IIC串行总线接口，直接与单片机控制器的I/O端口相连，实现与单片机的信息流交换。INT1、INT0端口方波输出设置为10000Hz和1Hz，分别与单片机处理器的计数器接口（T0）、外部触发中断接口INT.x相连。如图8所示，计数器用于记录累计毫秒值，外部触发用于记录累计秒值，SD2003每整秒触发一次中断，触发后累计秒加1，并清空计数器寄存器（此时寄存器数值为10000），使其重新计数。从而实现0.1ms的计时精度。

如图9所示，存储模块采用SDV600模块设计，支持串口通信，支持bin格式存储数据，可支持8Ｇ的SD存储卡。所述存储模块包括两个双冗余备份的SDV600存储器、地址选择器和手动切换开关，两个SDV600存储器通过地址选择器与单片机控制器相连接，手动切换开关手动控制两个SDV600存储器的切换。在本文的设计中，为实现数据的实时查询功能，存储模块采用双冗余备份设计，带有手动切换键，需查寻当前数据时，手动切换至另一SD卡，取下当前SD卡，查寻总线数据。当当前SD卡存储容量不足时，系统也可自动切换至另一SD卡，并给出报警信号，提示当前无备用SD卡。

如图10所示，在电源模块设计中，系统采用锂电池供电，锂电池容量1300mAh。为保证系统的持续供电能力，供电模块采用双冗余备份设计，电池系统支持热拔插。所述电源模块包括两个冗余备份的锂电池、三个电阻、两个二极管、两个开关、三端稳压器和电量检测单元，每个锂电池与一个二极管、一个开关和一个电阻构成一个串联电路，两个串联电路的一端通过电量检测单元接单片机控制器，另一端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端通过三端稳压器接单片机控制器，三端稳压器的输出端作为电源模块的输出端，单片机控制器根据电量检测单元对两个锂电池电量的检测结果控制两个开关的打开或闭合。监视系统开机后，默认选用锂电池A供电，开关KA闭合，电量检测单元定时检测电池A电量，如电池A电量低于设定阈值，单片机控制器控制接通开关KB，锂电池A、B同时供电，待Ｂ电池供电稳定后，单片机控制器控制切断电池Ａ供电，给出电池电量不足警报，此时，手动取下电量不足电池进行充电，并更换新电池。从而实现锂电池可持续供电功能。经计算，本套系统的满功率电流低于50mA，以锂电池1300mAh的容量计算，每块电池的理论续航能力高于20小时，远远大于笔记本的4小时，大大降低了频繁更换电池的麻烦。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种基于单片机的星上CAN总线监视系统，其特征在于包括：单片机控制器、总线接口模块、时间模块、电源模块和存储模块；

所述单片机控制器，通过中断方式监视星上CAN总线数据，当星上CAN总线有数据流产生，通过总线接口模块响应星上CAN总线的中断，读取星上CAN总线上的数据流，同时读取时间模块的时间，将读取的星上CAN总线数据流打上时标后记录到存储模块中；单片机控制器实时监视电源模块中两个工作电源的供电状态，根据两个工作电源的供电状态控制切换工作电源；

所述总线接口模块，由CAN总线控制器和CAN总线接口驱动器组成用于接收总线数据；

所述时间模块，产生读取星上CAN总线数据流的时间；

所述存储模块，采用双备份模式，用于记录星上CAN总线数据流；

所述电源模块，采用双备份模式为单片机控制器持续供电；

所述电源模块包括两个冗余备份的锂电池、三个电阻、两个二极管、两个开关、三端稳压器和电量检测单元，每个锂电池与一个二极管、一个开关和一个电阻构成一个串联电路，两个串联电路的一端通过电量检测单元接单片机控制器，另一端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端通过三端稳压器接单片机控制器，三端稳压器的输出端作为电源模块的输出端，单片机控制器根据电量检测单元对两个锂电池电量的检测结果控制两个开关的打开或闭合。

2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的星上CAN总线监视系统，其特征在于：所述存储模块包括两个双冗余备份的SDV600存储器、地址选择器和手动切换开关，两个SDV600存储器通过地址选择器与单片机控制器相连接，手动切换开关手动控制两个SDV600存储器的切换。