嵌入式系統在衛星通信設備中的運用分析

王洪良，申 響

（1.96946 部隊，北京 100085；2.河北神舟衛星通信股份有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

衛星通信系統作為一種可靠的、非視距的、不受地理限制的遠距離傳輸系統，具有其他通信方式無法比擬的優越性。衛星通信以衛星系統作為中繼，在地球站和衛星之間建立通信鏈路，實現話音、數據、圖像等信息的傳輸。衛星通信系統主要包括通信衛星系統和地面終端系統2 個部分。隨著現代化進程的加速，信息技術與現代工業生產日益融合，使傳統的工業生產模式發生了深刻的變化，也對通信產業提出了新的要求。隨著人們對信息技術的要求越來越高，而計算機軟硬件發展速度又很快，系統硬件和軟件之間的接口越來越復雜。為了適應這種變化，一些新技術應運而生，其中就包括嵌入式系統。其能夠實現計算機軟硬件之間良好的接口與協同工作，具有體積小、成本低、可靠性高等特點，被廣泛應用于工業控制等領域。

1 嵌入式系統

嵌入式系統是指專門設計用于嵌入硬件的計算機系統，如微處理器、存儲器、傳感器、鍵盤以及鼠標等，其主要特點是功能單一、使用范圍有限。

1.1 嵌入式處理器

嵌入式處理器是嵌入式系統的核心，是實現軟件和硬件集成的重要部件。嵌入式處理器包括微處理器和微控制器2 類。微控制器具有很強的應用能力，可以對微處理器進行管理。微控制器通常包括系統總線、地址總線、控制總線、存儲器總線以及中斷服務程序等模塊，這些模塊通過通信接口與其他模塊連接。微處理器的作用主要是對微控制器進行控制，使其能夠協調各個模塊的運行，同時能夠實現各種應用功能。內嵌式系統構成如圖1 所示。

圖1 內嵌式系統

在設計嵌入式系統時，需要選擇合適的微處理器，如嵌入式ARM 處理器，其具有體積小、功耗低、功能強大等特點。微處理器通常采用16 位或32 位的指令集結構，指令周期為2 ～8 μs，工作頻率為30 ～400 MHz，具有較高的主頻和較快的工作速度。微控制器以單片機為核心，具有較強的開發能力和通用性。

微控制器一般分為3 種類型：一是通用型微控制器，這種微控制器在硬件資源方面比較豐富；二是專用型微控制器，這種微控制器主要面向某一類特定的應用場合；三是專用型微型計算機。專用型微型計算機具有成本低、性能強等優點，在嵌入式系統中得到了廣泛應用。專用型微型計算機可以根據不同的應用需求設計硬件模塊和軟件模塊，使其能夠適應不同的系統要求[1]。為了提高嵌入式系統的運行效率和可靠性，需要對微處理器進行合理設計和優化。

1.2 嵌入式操作系統

嵌入式操作系統是指專門用于嵌入式系統的操作系統，一般分為實時嵌入式操作系統和非實時嵌入式操作系統2 種。實時嵌入式系統的特點是實時性高、響應速度快，但在成本和性能方面不占優勢；非實時嵌入式系統的特點是實時性低、響應速度慢，但成本相對較低、性能較高。衛星通信設備的應用場合不同，所使用的操作系統也不同。

在進行嵌入式系統設計時，必須充分考慮衛星通信設備的實際應用環境和要求，對所使用的操作系統進行優化處理。例如：在衛星通信設備中采用實時操作系統進行開發時，需要對軟件進行裁剪處理，將不需要的軟件進行刪除或壓縮；在對硬件進行優化處理時，需要充分利用系統資源和芯片資源；在對軟件進行裁剪處理時，需要根據系統性能和功能要求確定裁剪參數，使嵌入式系統的運行更穩定、更高效[2]。

2 嵌入式系統的基本組成

為了實現嵌入式系統功能，在衛星通信設備中，采用精簡指令計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）處理器處理任務，這樣可以最大限度降低系統資源的開銷。采用多任務操作系統管理用戶應用程序的啟動過程，有效控制資源分配，縮短開發周期，提高開發效率。在任務中引入中斷機制和定時器機制，可以在一定程度上提高系統資源的利用率，實現不同任務之間共享硬件資源等。由于嵌入式系統開發時間較長，而且不能充分利用各種硬件資源，在系統設計中加入了軟件調試工具，可以對系統進行調試、分析和優化。

為了提高嵌入式系統的可靠性，可以采用2 個以上的電源，同時對電源進行保護。對于衛星通信設備而言，為了保證信號的傳輸質量，一般采用時分多路復用（Time Division Multiplexing，TDM）技術實現星上處理單元和用戶終端的數據傳輸。衛星通信系統采用下行鏈路傳輸話音數據和視頻數據，上行鏈路傳輸圖像數據和話音數據，因此上行鏈路需要有一個專門用于上行鏈路的功能模塊實現相應功能[3]。

3 衛星通信設備應用嵌入式系統的可行性分析

在設計通信接口時，需要充分考慮設備的通用性和擴展性，選用通用接口電路，既能滿足不同設備間的通信需求，又能實現多種設備間的通信。由于設備本身采用低功耗技術，并且沒有使用專用芯片，在選擇接口電路時可以采用通用的標準接口。例如，將4 線串行通信接口作為標準通信接口，4 個控制信號線由信號調理電路完成。該設計方案能夠使系統具備很強的兼容性和可擴展性。

為實現數據的快速傳輸和交換，系統選用RS-485 作為通信標準。由于采用了RS-485 標準接口，與其他標準相比具有更快的數據傳輸速度、更低的延時以及更好的抗干擾性等優點。在系統設計中采用了串行通信方式，將所有信號線集成在一個8 位的RS-485 芯片中。RS-485 芯片使用時需外接2 根信號線，需要將其封裝在一個電路板中，從而使其體積更加小巧。另外，由于該芯片采用了標準的串行通信接口和8 位數據傳輸方式，系統可以根據實際需要進行定制。嵌入式衛星通信設備控制系統構成如圖2 所示。

圖2 嵌入式衛星通信設備控制系統構成

任務調度器是一種操作系統，主要用于實現多個任務之間的協調和調度。通常情況下，任務調度器還分為輪詢調度器和固定優先級調度器。輪詢調度器是一種最基本的任務調度器，在工業控制系統中被廣統泛使用。固定優先級調度器是一種復雜的任務調度器，主要應用于操作系統，在嵌入式系統也可以使用。

4 嵌入式系統在數字衛星通信設備中的優勢

數字衛星通信設備是一種應用軟件和硬件相結合的設備，其控制系統以嵌入式系統為核心。在數字衛星通信設備中，嵌入式系統的應用優勢主要體現在以下幾個方面。

（1）嵌入式系統的模塊化結構有利于提高數據處理能力。傳統的數字衛星通信設備雖然具有較高的靈活性，但處理能力有限，需要對多個模塊進行設計和加工。嵌入式系統在設計過程中采用模塊化結構，能夠很好地解決數據處理問題。

（2）嵌入式系統在衛星通信設備中的應用可以減少系統的成本。嵌入式系統的應用可以幫助實現高速、精準的衛星通信，也可以實現在衛星上進行數據處理、網絡連接和管理。嵌入式系統在衛星通信設備中的應用可以幫助企業實現高效的衛星通信，提高企業的效率和競爭力。

（3）嵌入式系統能夠滿足數字衛星通信設備對信息處理速度、響應速度等方面的需求[4]。目前，數字衛星通信設備對信息處理速度和響應時間要求很高，而嵌入式系統具有很強的運算能力和控制能力，能夠滿足數字衛星通信的需求[5]。

5 嵌入式系統在衛星通信中發展

隨著嵌入式技術的迅速發展，其應用領域也越來越廣泛。尤其是在工業控制領域，嵌入式系統在實際應用中具有許多傳統計算機系統無法比擬的優點，如可靠性高、實時性強、智能化程度高、可擴展性強、系統集成度高以及功耗低等。嵌入式系統以其良好的實時性和可靠性，正逐步取代傳統的通用計算機系統。隨著互聯網技術的發展，嵌入式系統將更加廣泛地應用于各種行業，成為其重要的組成部分。

芯片是嵌入式系統最基本的組成部分，目前我國自主研發的芯片還很少。為了實現我國自主研發的嵌入式系統與國際接軌，需要從芯片入手。在軟件方面，國內嵌入式軟件發展與國際相比差距較大。在硬件方面，我國許多硬件開發平臺不夠完善，如國產處理器、可編程邏輯器件等都存在很大差距。因此，應該充分利用我國已有的技術優勢，積極研發國產嵌入式系統軟件平臺和開發工具。除此之外，目前市場上各種嵌入式系統軟件開發工具很多，但開發人員卻不多。要想使我國自主研發的嵌入式系統軟件在市場上占有一席之地，就必須要培養大量優秀的嵌入式系統開發人員。

6 結 論

嵌入式系統在衛星通信設備中的應用，使得衛星通信設備具有較強的靈活性和可靠性，為數字衛星通信系統的發展提供了有利條件。隨著衛星通信技術的發展，未來對衛星通信設備的要求將越來越高，因此必須不斷提高嵌入式系統的性能。在衛星通信設備中應用嵌入式系統，可以將計算機技術和通信技術進行有機結合，從而更好地滿足用戶需求。為了實現對嵌入式系統在衛星通信設備中應用的有效控制，還需要對嵌入式系統進行不斷優化和完善。要想實現這一目標，就需要充分發揮軟件開發人員的作用，提高其自主創新能力，從而為用戶提供更加優質和完善的服務。