一种空间相机的数据通信系统设计

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。实践证明，在严格的时序逻辑下，FPGA能够控制CAN总线稳定正确地对相机数据进行收发。

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。显著的优点使得CAN总线成为国际上应用最广泛的现场总线标准之一 [1]。

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

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。FGPA主控制器负责执行应用的功能，例如对空间CCD相机控制命令的发送、读取图像数据等。它通过对CAN控制器的编程控制CAN总线的工作方式、工作状态以及数据的发送和接收。

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

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]。

在接口设计中，有几点需要注意：(1)SJA1000的INT端口是开漏输出，所以在使用时应该加上拉电阻，不然电平一直为低，无法实现中断方式。(2)电平信号AD0~AD7必须按顺序连接在总线收发器74ALVC164245的一个8位端口上，不可分开。

3 通信系统软件设计

3.1 系统流程设计

CAN总线通信模块的控制主要包括三大部分：CAN总线节点初始化、报文发送和报文接收。主流程如图3所示。

来源：电子技术应用