空间相机在数据通信系统应用
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2020-10-22
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空间相机在数据通信系统应用空间相机在数据通信系统应用
摘 要： 在空间相机数据采集应用中，为了满足电路板体积重量以及可扩展性的要求，利用FPGA作为主控芯
片，控制相机进行数据采集和传输。在数据通信系统中，FPGA替代了传统的单片机作为CAN总线的主控制器，
并给出了详细的硬件电路设计方法。在对CAN协议控制器SJA1000进行功能及时序分析后，利用硬件语言对其
通信流程进行设计。 CAN总线是由ISO定义的串行通信总线，主要用于各种过程检测及控制。它是一种多
主总线，具有高位速率和高抗电磁干扰性，而且能够检测出传输中产生的任何错误。显着的优点使得CAN总线
成为国际上应用最广泛的现场总线标准之一 . CAN是控制器局域网络的简称，是由研发和生产
摘 摘 要：要： 在空间相机数据采集应用中，为了满足电路板体积重量以及可扩展性的要求，利用FPGA作为主控芯片，控制相
机进行数据采集和传输。在数据通信系统中，FPGA替代了传统的单片机作为CAN总线的主控制器，并给出了详细的硬件电路
设计方法。在对CAN协议控制器SJA1000进行功能及时序分析后，利用硬件语言对其通信流程进行设计。
CAN总线是由ISO定义的串行通信总线，主要用于各种过程检测及控制。它是一种多主总线，具有高位速率和高抗电磁干
扰性，而且能够检测出传输中产生的任何错误。显着的优点使得CAN总线成为国际上应用最广泛的现场总线标准之一 .
CAN是控制器局域网络的简称，是由研发和生产汽车电子产品着称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准
（ISO118?8）。是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式
工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有
的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业
环境
由于其优良的性能及独特的设计，CAN总线已被广泛地应用于各种分布式控制系统中。特别是由于CAN总线具有抗干扰
性强、高数据传输率、低成本等优点，在小卫星和微小卫星中得到了越来越广泛的应用。在卫星有效载荷数据控制传输中也会
应用，如空间相机数据通信方面。
1 数据通信系统数据通信系统
数据通信系统计算机网络中，数据通信系统的任务是：把数据源计算机所产生的数据迅速、可靠、准确地传输到数据宿
（目的）计算机或专用外设。从计算机网络技术的组成部分来看，一个完整的数据通信系统，一般有以下几个部分组成：数据
终端设备，通信控制器，通信信道，信号变换器。
一般来说，每个CAN模块能够被分成三个不同的功能块，其结构如图1所示[2].CAN总线收发器提供CAN协议控制器与物
理总线之间的接口，控制从CAN 控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号。它的性能决定了总线接口、总线终端、总线长
度和节点数，是影响整个总线网络通信性能的关键因素之一。CAN控制器执行在CAN 规范里规定的CAN协议，它通常用于报
文缓冲和验收滤波，对外具有与主控制器和总线收发器的接口。
在本项目的特殊环境要求下，使用FPGA作为主控芯片，控制空间相机进行数据采集与传输，并通过CAN总线进行数据收
发。较之传统设计使用的单片机，FPGA能够在速度和体积上有更好的适应性。FPGA一方面减少了电路板的复杂程度，缩短
了实现周期，另一方面是FPGA具有丰富的资源、超高的性能和灵活的可编程性[3],提高了整个设备的可靠性，大大增强了电
路板设计的灵活性和可扩展性。
2 通信系统接口设计通信系统接口设计
通信接口是指中央处理器和标准通信子系统之间的接口。 如：RS232接口。RS232接口就是串口，电脑机箱后方的9芯插
座，旁边一般有 "|O|O|" 样标识。
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路
少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个
标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。
电路设计如图2所示。SJA1000的AD0~AD7地址数据复用端口、ALE地址锁存端口、读使能信号RD、写使能信号WR、
片选CS端口， 均通过双向总线收发器74ALVC164245与FPGA的I/O口相连[4].这是因为FPGA的3.3 V的LVTTL电平不支持
SJA1000的5 V TTL电平，所以利用双向总线收发器实现两器件信号的电平转换。SJA1000的中断输出信号INT连入FPGA,这
样CAN通信就可以采用中断或查询两种方式。RST端口的电路实现SJA1000的上电自动复位功能。MODE模式选择端接+5 V,
设置SJA1000控制器为Intel模式。SJA1000的时钟晶振采用16 MHz,频率调整电容取15 pF.设计中CAN总线的终端电阻取
120Ω[5].CAN 驱动器PCA82C250的RS脚为工作模式选择位，接地工作于高速模式，接高工作于待机模式。系统通过电阻R将
芯片设定于斜率控制模式， 电阻值为47 kΩ，这时CAN总线应工作于低速模式，可提高CAN总线抵抗射频干扰的能力。在这
种情况下，可直接使用非屏蔽双绞线作为总线[6].
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