遙感相機(jī)通信適配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何欣 黃金澤 崔艷召

（北京空間機(jī)電研究所 北京 100094）

0 引言

目前我國(guó)在軌、在研遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通信接口有多種類(lèi)型，例如早期的存儲(chǔ)器加載指令通信接口，使用較多的CAN總線通信接口和1553B總線通信接口[1]等。遙感相機(jī)的研制也都是針對(duì)所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行，所研制的遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通信接口與星務(wù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通信接口類(lèi)型均一致，以保證二者間的正常通信。隨著遙感衛(wèi)星用戶及任務(wù)量的增多，對(duì)遙感相機(jī)的性能及研制時(shí)間都提出了更高的要求，為滿足用戶的進(jìn)度需求，搭載符合用戶需求的已研制成型的遙感相機(jī)不失為一個(gè)好的解決辦法。但遙感相機(jī)的通信接口有多種形式，當(dāng)衛(wèi)星平臺(tái)搭載已研制成型的遙感相機(jī)時(shí)，因遙感相機(jī)控制計(jì)算機(jī)通信接口與遙感衛(wèi)星星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信接口類(lèi)型不一致，導(dǎo)致遙感相機(jī)與衛(wèi)星平臺(tái)無(wú)法連接。

通常，解決星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通信接口類(lèi)型不一致的方法有三種：

1）方案1：對(duì)遙感衛(wèi)星的星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信接口進(jìn)行改造，使其與遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通信接口一致；

2）方案2：對(duì)已成型的遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通信接口進(jìn)行改造，使其與遙感衛(wèi)星的星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信接口一致；

3）方案3：只按照遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信接口的約定研制一種通信適配器，使其能夠完成通信接口和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)二者之間的通信。

前兩個(gè)方案需對(duì)已定型的衛(wèi)星平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，工程量巨大，研制周期較長(zhǎng)，投入成本高。而方案3無(wú)需對(duì)已經(jīng)成型的產(chǎn)品進(jìn)行修改，只需按衛(wèi)星平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)通信接口和遙感相機(jī)控制計(jì)算機(jī)通信接口要求，研制一臺(tái)遙感相機(jī)通信適配器，利用遙感相機(jī)通信適配器完成星務(wù)計(jì)算機(jī)與遙感相機(jī)控制計(jì)算機(jī)間通信接口和通信格式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星務(wù)計(jì)算機(jī)與遙感相機(jī)控制計(jì)算機(jī)間的通信。此辦法省時(shí)、省力、性價(jià)比高。但這種通信適配器比普通計(jì)算機(jī)中的適配器要復(fù)雜的多，沒(méi)有現(xiàn)成的產(chǎn)品可用。

本文介紹中國(guó)空間技術(shù)研究院首次通過(guò)遙感相機(jī)通信適配器，解決衛(wèi)星平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)間的通信接口類(lèi)型不一致的實(shí)例，為今后解決此類(lèi)問(wèn)題提供新的思路。

1 方案設(shè)計(jì)

某型號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)因任務(wù)需求，需搭載已成型的遙感相機(jī)。所搭載的遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通信接口為“CAN總線通信”接口，而衛(wèi)星星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信接口為“存儲(chǔ)器加載指令通信”接口，二者的通信接口類(lèi)型不一致，需通過(guò)遙感相機(jī)通信適配器解決以上問(wèn)題。圖1為用遙感相機(jī)適配器解決遙感相機(jī)控制計(jì)算機(jī)通信接口與遙感衛(wèi)星星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信接口類(lèi)型不一致的方案示意圖。圖中，GATE為門(mén)控，CLK為時(shí)鐘，DATA為數(shù)據(jù)。

圖1 方案示意Fig. 1 Scheme diagram

1.1 設(shè)計(jì)要求

按型號(hào)任務(wù)要求，遙感相機(jī)通信適配器需具備以下功能：接收衛(wèi)星平臺(tái)經(jīng)“存儲(chǔ)器加載指令通信”接口發(fā)送的3字節(jié)指令數(shù)據(jù)和7組16字節(jié)衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)，并將接收到的指令數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，按遙感相機(jī)的數(shù)據(jù)約定格式，經(jīng)CAN總線發(fā)送至遙感相機(jī)。同時(shí)經(jīng)CAN總線通信接口，按遙感相機(jī)的數(shù)據(jù)約定格式發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)輪詢指令，并接收遙感相機(jī)通過(guò) CAN總線通信接口上傳的遙測(cè)數(shù)據(jù)，之后將接收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)按遙感相機(jī)數(shù)據(jù)格式約定分解為兩部分，一部分轉(zhuǎn)換為12組3字節(jié)串行遙測(cè)信號(hào)，通過(guò)存儲(chǔ)器加載指令通信接口，按要求上傳衛(wèi)星平臺(tái)；另一部分轉(zhuǎn)換為雙電平遙測(cè)信號(hào)，通過(guò)直接遙測(cè)通道上傳衛(wèi)星平臺(tái)。遙感相機(jī)通信適配器除上述描述的主要功能外，核心電路及二次電源應(yīng)具有冗余備份，可通過(guò)指令進(jìn)行切換，應(yīng)具備功耗低、體積小、可靠性高等特性。

圖2為衛(wèi)星平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)“存儲(chǔ)器加載指令通信”接口，分時(shí)下傳的數(shù)據(jù)波形圖。它們分別是：3字節(jié)（B0~B23bit）間接數(shù)據(jù)指令數(shù)據(jù)；由星上時(shí)間、全球定位系統(tǒng)（global position system，GPS）時(shí)間、GPS位置和速度數(shù)據(jù)、星敏數(shù)據(jù)組成的16字節(jié)（B0～B127bit）的輔助數(shù)據(jù)以及3字節(jié)（B0~B23bit）反映相機(jī)工作狀態(tài)的遙測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均由門(mén)控GATE、時(shí)鐘CLK和數(shù)據(jù)DATA三個(gè)接口信號(hào)組成，其中指令數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)的門(mén)控、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)三個(gè)接口信號(hào)，均由星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送，而遙測(cè)數(shù)據(jù)，只有門(mén)控和時(shí)鐘接口信號(hào)由星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送。

圖2 數(shù)據(jù)波形圖Fig. 2 Data waveform diagram

1.2 方案設(shè)計(jì)及選擇

遙感相機(jī)通信適配器由主電路和二次電源模塊組成，其主電路和二次電源模塊均具有冗余備份，可通過(guò)指令進(jìn)行切換。CAN通信總線按其遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通信接口要求，選用雙路冗余CAN總線接口設(shè)計(jì)，以提高總線通信的可靠性。

在遙感相機(jī)通信適配器主電路設(shè)計(jì)架構(gòu)的選擇上，選用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[2-5]，電路由微（計(jì)算機(jī)）控制器（micro controller unit，MCU）與CAN總線接口芯片及其他外圍芯片構(gòu)成[7-13]。與選用純硬件電路架構(gòu)設(shè)計(jì)相比，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)更方便、靈活，在體積、功耗和可靠性上都優(yōu)于純硬件電路架構(gòu)設(shè)計(jì)。在MCU的選擇上，8031系列、數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing，DSP）系列等單片機(jī)[14-15]均符合要求，但考慮到技術(shù)的繼承性，研發(fā)、調(diào)試、測(cè)試設(shè)備的支撐問(wèn)題，還是選用低功耗80C31BH單片機(jī)。

主電路按其功能劃分由3個(gè)部分組成：1）“存儲(chǔ)器加載指令通信”接口和串/并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分；2）中央處理器部分；3）CAN總線通信部分。根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案，圖3~4分別為主電路方案1和方案2工作原理框圖。

圖3 主電路方案1工作原理框圖Fig. 3 Scheme 1 working principle block diagram

圖4 主電路方案2工作原理框圖Fig. 4 Scheme 2 working principle block diagram

兩方案的不同點(diǎn)：

方案1：每幀16字節(jié)的輔助數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換部分，由16片8位串/并轉(zhuǎn)換電路一次完成16字節(jié)輔助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

方案2：每幀16字節(jié)輔助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換上，用1片位轉(zhuǎn)換電路完成1字節(jié)的數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換，通過(guò)中央處理器（central processing unit，CPU）定時(shí)/計(jì)數(shù)0（T0）口對(duì)輔助數(shù)據(jù)時(shí)鐘（CLK2）的計(jì)數(shù)，判斷1字節(jié)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換完成，讀取轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)。CPU經(jīng)16次上述讀取，完成16字節(jié)的輔助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

方案2的設(shè)計(jì)減少硬件轉(zhuǎn)換電路和地址擴(kuò)展電路的使用數(shù)量，降低了電路功耗，減少了電路尺寸，提高電路了的可靠性，遙感相機(jī)通信適配器主電路選用方案2設(shè)計(jì)。

2 軟件設(shè)計(jì)

通信適配器軟件使用MCS51匯編語(yǔ)言編程，程序由主程序和3個(gè)中斷程序，即外中斷0（INT0）中斷程序、計(jì)數(shù)（T0）中斷程序和定時(shí)（T1）中斷程序組成，程序流程圖見(jiàn)圖5~6所示。在中斷程序設(shè)計(jì)上，根據(jù)星務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分時(shí)通信的時(shí)序特點(diǎn)和間隔時(shí)間要求，做到快進(jìn)快出；對(duì)指令數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成也只做標(biāo)志字，數(shù)據(jù)的處理都安排在主程序中進(jìn)行。輔助數(shù)據(jù)的讀取進(jìn)行3取2的數(shù)據(jù)比對(duì)和糾錯(cuò)設(shè)計(jì)，糾錯(cuò)設(shè)計(jì)是在主程序中設(shè)置輔助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間閘門(mén)，防止因輔助數(shù)據(jù)傳送時(shí)丟數(shù)而造成的輔助數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤。為了便于檢測(cè)通信適配器的工作狀況，將通信適配器軟件的上電自檢、數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送等工作狀態(tài)參數(shù)，加入相機(jī)直接遙測(cè)數(shù)據(jù)上傳星務(wù)計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信適配器運(yùn)行情況。

圖5 主程序流程Fig. 5 Main program flowing diagram

3 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證產(chǎn)品性能指標(biāo)是否符合技術(shù)要求，除完成了有關(guān)鑒定級(jí)環(huán)境試驗(yàn)（加速度試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、熱循環(huán)老煉試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)）外，還做了遙感相機(jī)通信適配器與遙感衛(wèi)星計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間接口匹配試驗(yàn)；遙感相機(jī)通信適配器與遙感相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)間通信接口匹配試驗(yàn)，以及遙感相機(jī)通信適配器單機(jī)的通信試驗(yàn)。圖7為遙感相機(jī)通信適配器地面單機(jī)通信實(shí)驗(yàn)的測(cè)試框圖。衛(wèi)星地面模擬裝置模擬衛(wèi)星平臺(tái)工作狀態(tài)發(fā)送指令數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)和接收遙測(cè)數(shù)據(jù)；相機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬裝置接收指令數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)和上傳遙測(cè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)兩裝置將發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)分類(lèi)存入本裝置，試驗(yàn)結(jié)束后將兩裝置存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。試驗(yàn)傳輸數(shù)據(jù)量達(dá)Gbit級(jí)，均未出現(xiàn)因相機(jī)通信適配器導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)正確達(dá)率 100%。同時(shí)遙感相機(jī)通信適配器與相機(jī)分系統(tǒng)還參與整星的各項(xiàng)試驗(yàn)，在這些試驗(yàn)中通信適配器均工作正常。試驗(yàn)結(jié)果證明，通信適配器功能、性能均符合技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了利用遙感相機(jī)通信適配器，解決存儲(chǔ)器加載指令通信接口的衛(wèi)星平臺(tái)搭載 CAN總線通信接口的遙感相機(jī)通信接口類(lèi)型不一致的方法，此方法也得到了在軌飛行的充分驗(yàn)證。提供了解決衛(wèi)星平臺(tái)與遙感相機(jī)之間通信接口類(lèi)型不一致的新途徑，為今后解決此類(lèi)問(wèn)題做了成功的實(shí)踐。

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