遙感相機通信適配器的設(shè)計與實現(xiàn)

何欣 黃金澤 崔艷召

（北京空間機電研究所 北京 100094）

0 引言

目前我國在軌、在研遙感相機計算機控制系統(tǒng)的通信接口有多種類型，例如早期的存儲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。遙感相機的研制也都是針對所對應的衛(wèi)星平臺進行，所研制的遙感相機計算機控制系統(tǒng)通信接口與星務計算機控制系統(tǒng)的通信接口類型均一致，以保證二者間的正常通信。隨著遙感衛(wèi)星用戶及任務量的增多，對遙感相機的性能及研制時間都提出了更高的要求，為滿足用戶的進度需求，搭載符合用戶需求的已研制成型的遙感相機不失為一個好的解決辦法。但遙感相機的通信接口有多種形式，當衛(wèi)星平臺搭載已研制成型的遙感相機時，因遙感相機控制計算機通信接口與遙感衛(wèi)星星務計算機系統(tǒng)通信接口類型不一致，導致遙感相機與衛(wèi)星平臺無法連接。

通常，解決星務計算機系統(tǒng)與遙感相機計算機控制系統(tǒng)的通信接口類型不一致的方法有三種：

1）方案1：對遙感衛(wèi)星的星務計算機系統(tǒng)通信接口進行改造，使其與遙感相機計算機控制系統(tǒng)通信接口一致；

2）方案2：對已成型的遙感相機計算機控制系統(tǒng)通信接口進行改造，使其與遙感衛(wèi)星的星務計算機系統(tǒng)通信接口一致；

3）方案3：只按照遙感相機計算機控制系統(tǒng)與星務計算機系統(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，實現(xiàn)二者之間的通信。

前兩個方案需對已定型的衛(wèi)星平臺星務計算機系統(tǒng)或遙感相機計算機控制系統(tǒng)的軟、硬件進行重新設(shè)計，工程量巨大，研制周期較長，投入成本高。而方案3無需對已經(jīng)成型的產(chǎn)品進行修改，只需按衛(wèi)星平臺星務計算機通信接口和遙感相機控制計算機通信接口要求，研制一臺遙感相機通信適配器，利用遙感相機通信適配器完成星務計算機與遙感相機控制計算機間通信接口和通信格式的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)衛(wèi)星星務計算機與遙感相機控制計算機間的通信。此辦法省時、省力、性價比高。但這種通信適配器比普通計算機中的適配器要復雜的多，沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品可用。

本文介紹中國空間技術(shù)研究院首次通過遙感相機通信適配器，解決衛(wèi)星平臺星務計算機系統(tǒng)與遙感相機計算機控制系統(tǒng)間的通信接口類型不一致的實例，為今后解決此類問題提供新的思路。

1 方案設(shè)計

某型號衛(wèi)星平臺因任務需求，需搭載已成型的遙感相機。所搭載的遙感相機計算機控制系統(tǒng)的通信接口為“CAN總線通信”接口，而衛(wèi)星星務計算機系統(tǒng)的通信接口為“存儲器加載指令通信”接口，二者的通信接口類型不一致，需通過遙感相機通信適配器解決以上問題。圖1為用遙感相機適配器解決遙感相機控制計算機通信接口與遙感衛(wèi)星星務計算機系統(tǒng)通信接口類型不一致的方案示意圖。圖中，GATE為門控，CLK為時鐘，DATA為數(shù)據(jù)。

圖1 方案示意Fig. 1 Scheme diagram

1.1 設(shè)計要求

按型號任務要求，遙感相機通信適配器需具備以下功能：接收衛(wèi)星平臺經(jīng)“存儲器加載指令通信”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)，按遙感相機的數(shù)據(jù)約定格式，經(jīng)CAN總線發(fā)送至遙感相機。同時經(jīng)CAN總線通信接口，按遙感相機的數(shù)據(jù)約定格式發(fā)送遙測數(shù)據(jù)輪詢指令，并接收遙感相機通過 CAN總線通信接口上傳的遙測數(shù)據(jù)，之后將接收到的遙測數(shù)據(jù)按遙感相機數(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)串行遙測信號，通過存儲器加載指令通信接口，按要求上傳衛(wèi)星平臺；另一部分轉(zhuǎn)換為雙電平遙測信號，通過直接遙測通道上傳衛(wèi)星平臺。遙感相機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具有冗余備份，可通過指令進行切換，應具備功耗低、體積小、可靠性高等特性。

圖2為衛(wèi)星平臺星務計算機系統(tǒng)經(jīng)“存儲器加載指令通信”接口，分時下傳的數(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)；由星上時間、全球定位系統(tǒng)（global position system，GPS）時間、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）反映相機工作狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均由門控GATE、時鐘CLK和數(shù)據(jù)DATA三個接口信號組成，其中指令數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)的門控、時鐘和數(shù)據(jù)三個接口信號，均由星務計算機系統(tǒng)發(fā)送，而遙測數(shù)據(jù)，只有門控和時鐘接口信號由星務計算機系統(tǒng)發(fā)送。

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

1.2 方案設(shè)計及選擇

遙感相機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，可通過指令進行切換。CAN通信總線按其遙感相機計算機控制系統(tǒng)通信接口要求，選用雙路冗余CAN總線接口設(shè)計，以提高總線通信的可靠性。

在遙感相機通信適配器主電路設(shè)計架構(gòu)的選擇上，選用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計[2-5]，電路由微（計算機）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)計相比，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計更方便、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。在MCU的選擇上，8031系列、數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）系列等單片機[14-15]均符合要求，但考慮到技術(shù)的繼承性，研發(fā)、調(diào)試、測試設(shè)備的支撐問題，還是選用低功耗80C31BH單片機。

主電路按其功能劃分由3個部分組成：1）“存儲器加載指令通信”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)任務需求設(shè)計了兩個方案，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：

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，通過中央處理器（central processing unit，CPU）定時/計數(shù)0（T0）口對輔助數(shù)據(jù)時鐘（CLK2）的計數(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)計減少硬件轉(zhuǎn)換電路和地址擴展電路的使用數(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，遙感相機通信適配器主電路選用方案2設(shè)計。

2 軟件設(shè)計

通信適配器軟件使用MCS51匯編語言編程，程序由主程序和3個中斷程序，即外中斷0（INT0）中斷程序、計數(shù)（T0）中斷程序和定時（T1）中斷程序組成，程序流程圖見圖5~6所示。在中斷程序設(shè)計上，根據(jù)星務計算機系統(tǒng)分時通信的時序特點和間隔時間要求，做到快進快出；對指令數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成也只做標志字，數(shù)據(jù)的處理都安排在主程序中進行。輔助數(shù)據(jù)的讀取進行3取2的數(shù)據(jù)比對和糾錯設(shè)計，糾錯設(shè)計是在主程序中設(shè)置輔助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間閘門，防止因輔助數(shù)據(jù)傳送時丟數(shù)而造成的輔助數(shù)據(jù)接收錯誤。為了便于檢測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)，加入相機直接遙測數(shù)據(jù)上傳星務計算機，實時監(jiān)測通信適配器運行情況。

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

3 測試驗證

為了驗證產(chǎn)品性能指標是否符合技術(shù)要求，除完成了有關(guān)鑒定級環(huán)境試驗（加速度試驗、振動試驗、沖擊試驗、熱循環(huán)老煉試驗、熱真空試驗）外，還做了遙感相機通信適配器與遙感衛(wèi)星計算機系統(tǒng)間接口匹配試驗；遙感相機通信適配器與遙感相機計算機控制系統(tǒng)間通信接口匹配試驗，以及遙感相機通信適配器單機的通信試驗。圖7為遙感相機通信適配器地面單機通信實驗的測試框圖。衛(wèi)星地面模擬裝置模擬衛(wèi)星平臺工作狀態(tài)發(fā)送指令數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)和接收遙測數(shù)據(jù)；相機計算機控制系統(tǒng)模擬裝置接收指令數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)和上傳遙測數(shù)據(jù)。試驗時兩裝置將發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)分類存入本裝置，試驗結(jié)束后將兩裝置存儲的數(shù)據(jù)進行比對。試驗傳輸數(shù)據(jù)量達Gbit級，均未出現(xiàn)因相機通信適配器導致的數(shù)據(jù)傳輸錯誤，數(shù)據(jù)正確達率 100%。同時遙感相機通信適配器與相機分系統(tǒng)還參與整星的各項試驗，在這些試驗中通信適配器均工作正常。試驗結(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

本文介紹了利用遙感相機通信適配器，解決存儲器加載指令通信接口的衛(wèi)星平臺搭載 CAN總線通信接口的遙感相機通信接口類型不一致的方法，此方法也得到了在軌飛行的充分驗證。提供了解決衛(wèi)星平臺與遙感相機之間通信接口類型不一致的新途徑，為今后解決此類問題做了成功的實踐。

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