同步串行總線在通信衛星轉發器中的應用

徐楠 李東 魏強 熊曉將

（1 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094）（2 中國航天科技集團公司，北京 100048）

1 引言

轉發器是通信衛星有效載荷的重要組成部分，是完成通信衛星任務空間無線電中繼的主要設備，用于實現對地球站發來的通信信號進行接收、放大、變頻等處理，并經過功率放大后通過天線將信號轉發至地面［1］。通信衛星轉發器分系統有源設備主要包括行波管、線性通道放大器（Linear Channel Amplifier，LCAMP）、變頻器、接收機、信標機等。其中，每個LCAMP 采集的遙測量包括行波管陽壓、螺流、母線電流、擋位信息等，每個LCAMP 接收增益擋位設置、模式設置、靜噪狀態設置等遙控指令［1］。實現LCAMP 的遙控遙測信息傳輸方式有很多種，目前，國內通信衛星基本都采用點對點的方式，即每個遙測參數、每條遙控指令都通過一根單獨的電纜進行傳輸，若將電路的回線包含在內，則實現一臺LCAMP 需要幾十根電纜，按一顆衛星50 臺LCAMP的配置計算，則總共需要上千根電纜。隨著載荷艙儀器布局空間受限、整星質量受限等問題的不斷凸顯，點對點式的遙測遙控傳輸方式已不能適應當前通信衛星轉發器分系統擴容的需求，也就無法滿足新型大容量通信衛星的發展需要［1-2］。

本文從提升我國通信衛星平臺載荷承載能力的角度出發，通過采用同步串行總線的方式實現了轉發器分系統LCAMP 測控數據的傳輸。首先，介紹國外主流通信衛星平臺數據總線應用現狀；其次，詳細論述了轉發器分系統不同總線架構的比較；再次，從總線的設計原則、總線類型的選擇、總線數據架構、總線通信協議、接口電路等方面介紹了同步串行總線的設計；最后，介紹了同步串行總線的驗證以及航天器上的應用和影響分析等。

2 總線技術在國外衛星平臺中的應用現狀

2.1 SpaceBus4000衛星平臺總線技術應用

SpaceBus4000平臺是法國Thales Alenia Space公司的主要平臺，該衛星平臺代表著21世紀初國際先進水平，采用了先進的Avionics 4000綜合電子分系統，其設計的核心思想是由一個功能強大的衛星管理單元（Satellite Management Unit，SMU），又稱中心計算單元，通過總線網絡控制標準的平臺與載荷接口單元，實現姿態軌道控制、數據管理、供配電等功能［3］，該平臺數據總線架構如圖1所示。

星載計算機通過采用5 條星載數據處理（On-Board Data Handling，OBDH）總線實現整個衛星測控數據傳輸與處理。OBDH 總線采用RS485電平進行數據傳輸，總線通信協議為異步模式，每條總線支持32個終端同時接入，總線共包含收發兩路信號。如圖1所示，星載計算機采用Bus 3總線實現通信艙北板所有載荷LCAMP 及信標機的數據傳輸與指令控制，采用Bus 5總線實現通信艙南板所有載荷LCAMP及TTC 應答機的數據傳輸與指令控制。作為終端設備，每個接入總線的設備都具有遠置用戶總線接口（Remote User Bus Interface，RUBI），該芯片是OBDH 總線專用的專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），其主要功能用于實現總線協議的解析、總線電平的轉換、數據采集、指令譯碼等［3］。該ASIC 電路具有一定通用性，只要是帶有RUBI接口的任何終端設備，均可以接入衛星平臺綜合電子數據網絡，為衛星平臺載荷容量的擴展提供了極大的便利性［3］。

2.2 Eurostar-3000衛星平臺總線技術應用

Eurostar-3000平臺是歐洲ASTRIUM 公司主流的衛星平臺，其星載數據總線網絡是根據美軍標MIL-7-1750型航天器計算機單元的發展水平，在使用美軍標MIL-STD-1553B數據總線的基礎上建立起來的，星載數據自動處理方面得到了較大改進。衛星的遙測、指令和測距以及姿態測定控制分系統和衛星的總線管理都由衛星中心單元（Satellite Central Unit，SCU）來完成［4］，Eurostar-3000 平臺衛星數據總線架構如圖2所示。

與SpaceBus4000 平臺相比，Eurostar-3000 平臺采用了多級數據總線架構的方式，整個數據網絡以一臺SCU 為數據處理核心，1553B總線作為一級數據總線實現SCU 與各類總線終端設備的數據傳輸。其中，2 臺模塊化的載荷接口單元（Modular Payload Interface Unit，MPIU）作為一級數據總線終端設備，用于實現整星載荷所有設備的遙測采集與指令控制，每臺MPIU 提供2～3 條低速串行總線（Low Speed Serial Bus，LSSB）接口，用于實現載荷艙LCAMP 測控數據的傳輸。LSSB 總線是Eurostar-3000衛星平臺專用的低速數據總線，傳輸速率最大16.7kHz，總線采用RS485差分電平，總線共5路信號，數據傳輸采用同步傳輸協議，能夠支持32個終端設備同時接入［4］。

SpaceBus4000、Eurostar-3000衛星平臺是當前國際上具有代表性的通信衛星平臺，兩者在載荷分系統數據傳輸上均利用總線技術實現通信艙載荷設備的測控數據傳輸。總線技術的應用能夠最大程度地減少低頻電纜網數量及質量，節省布局空間，大幅提升衛星平臺的有效載荷承載能力，有利于衛星有效載荷設備的擴容［5］。

圖2 Eurostar-3000衛星平臺數據總線分布架構Fig.2 Eurostar-3000Data Bus distributed structure

3 同步串行總線設計

3.1 總線設計原則

由于本文設計的總線主要應用于高軌、長壽命通信衛星平臺，因此，在借鑒工業成熟總線標準的同時，總線的設計過程中還應主要考慮以下幾個方面：

（1）總線工作在衛星電磁兼容性（EMC）環境較為復雜和惡劣的載荷艙，總線在電路設計上應具有抗干擾措施，能夠對外部的干擾進行有效抑制。

（2）總線上傳輸的數據為轉發器分系統重要的遙測參數與指令控制數據，若遙測數據傳輸出現錯誤，則會導致地面參數監視異常，若指令數據傳輸出現錯誤，則會導致轉發器分系統意外指令發送或者發送失敗，因此，為增強總線傳輸的可靠性，總線在數據傳輸時應設計容錯機制。

（3）總線上傳輸的遙測參數及指令數據對實時性的要求并不高，因此，在滿足用戶要求的前提下，總線傳輸速率不宜過高，為低速數據總線。

（4）為了實現總線接口電路和元器件的通用性，總線接口電路應盡量不依賴于專用的電平轉換芯片，例如CAN 總線的電平轉換芯片82C250，RS485總線的電平轉換芯片DS96F174、DS96F175 等，電氣特性的選擇應盡量使用通信衛星平臺常用的電平標準，如CMOS電平、晶體管邏輯電路電平（TTL）等。

3.2 總線類型選擇

目前，工業領域各類型的總線應用非常廣泛，按照總線傳輸方式區分有同步總線與異步總線，按照總線傳輸電路形式區分有并行總線與串行總線［6-8］。

相比于異步總線，同步總線由于具有時鐘同步信號和握手控制信號，因此簡化了總線數據接收和發送的邏輯。Eurostar-3000 平臺的LSSB 總線為同步總線，總線上共包含5路信號，其中時鐘信號是總線控制器與總線終端數據采樣的基準源，總線上任意數據的讀取與發送均基于總線時鐘的上升沿和下降沿，5路信號之間的時序關系是實現總線數據通信的基礎。因此，對于總線控制器與總線終端而言，兩者只要保證好總線的時序特性就能保證總線數據正常的通信，而不需要復雜的握手協議。而SpaceBus4000平臺的OBDH 總線為異步總線，總線上只包含收發兩路信號，總線數據通信利用特定的起始碼字實現雙方通信的握手，總線控制器與總線終端利用相同的波特率對總線電平信號進行采樣及控制數據邏輯，其協議解析過程較為復雜。綜上所述，同步總線具有協議簡潔、實時性強、占用軟硬件資源少、系統開銷小等優勢，便于總線專用集成電路的開發，因此，本文所設計的總線為同步總線。

串行總線與并行總線相比具有連線少、易維修、成本低、適合遠程傳輸等特點［9］。如SpaceBus4000平臺的OBDH 總線，Eurostar-3000平臺的LSSB總線，兩種總線均采用了串行通信方式。采用串行總線進行數據通信，需要的信號路數少，能夠達到優化衛星電纜數量的目的，本文所設計的總線采用串行方式。

3.3 總線數據架構

在通信衛星平臺綜合電子系統中，數據傳輸一般采用兩級分布式總線架構。一級數據總線一般采用具有傳輸速率高、成熟度高的1553B 總線，用于實現星務計算機與各遠置單元的高速數據傳輸。二級數據總線由遠置單元輸出，用于實現各遠置單元和終端設備的數據通信，適用于對通信速率、實時性要求不高的終端用戶。本文所提出的同步串行總線主要用于載荷艙轉發器分系統單機測控數據的傳輸，對數據傳輸速率并不高，且總線網絡主要分布在衛星的載荷艙，因此，從系統架構的角度考慮，利用衛星載荷艙的遠置單元作為總線控制端以實現轉發器分系統數據的傳輸與控制是較優的方案。本文提出的同步串行總線分布架構如圖3所示，總線由一臺總線控制器及多個終端載荷設備組成，其中，載荷艙遠置單元為總線控制端，轉發器分系統的載荷設備為總線的終端設備，總線控制端通過屏蔽電纜與各終端設備相連。

圖3 同步串行總線分布架構Fig.3 Synchronousserial bus distributed structure

為實現總線傳輸的可靠性，滿足通信衛星在軌長壽命的要求，在同步串行總線架構的設計上需要考慮冗余備份。如圖3所示，總線控制端為冗余設計，其包含了主備兩份電路，每份電路都具備A、B兩個通道，A、B通道分別連接至同步串行總線的主份和備份。與總線控制端相同，總線終端也采用冗余設計，總線終端的主份接口和備份接口分別連接至同步串行總線的主份和備份，當總線上主份接口出現故障時，總線可切換至備份接口以確保數據正常傳輸。冗余設計消除了單點故障失效模式，提升了總線的可靠度。

3.4 總線通信協議

通信協議是總線數據可靠傳輸的保證與前提。為簡化總線協議的復雜度，提升總線傳輸的可靠性，本文應用的同步串行總線工作模式設計為半雙工，指令數據與遙測數據獨立傳輸，同一時刻總線上只能傳輸指令數據或遙測數據兩者之一。總線信號包含：時鐘信號、指令門控信號、遙測門控信號、指令數據、遙測數據共五路信號。時鐘信號用于完成總線數據傳輸的同步，時鐘信號為收發共用，由總線控制端輸出；指令門控信號用于使能總線上傳輸的指令數據，由總線控制端輸出，當總線控制端輸出串行命令數據時，該信號為高電平；遙測門控信號用于使能總線上傳輸的遙測數據，由總線控制端輸出，當總線控制端從終端讀取遙測數據時，該信號為高電平［9］。總控控制器與總線終端信號接口連接關系如圖4所示。

圖4 總線控制器與總線終端連接關系Fig.4 Connectionbetween bus controller and remote terminals

總線的通信機制設計為應答響應方式，總線的每次通信行為均由總線控制端發起，終端設備不具有自主向總線控制端發送請求命令的權限，終端設備僅根據指令數據中的地址信息來區分指令數據的有效性。

對于總線控制端而言，其輸出信號共4路，包括時鐘信號、指令數據、遙測門控信號、指令門控信號，輸入信號為遙測信號。總線控制器突發式的向各個終端設備發送指令數據，并周期性的輪詢訪問總線上的各終端設備，并獲取各終端設備返回的遙測數據，將接收到的各總線終端的遙測數據匯集后進行組幀，將組幀后的遙測數據傳輸至星務計算機，總線控制端工作流程如圖5所示。總線控制端每次向總線終端傳輸的指令數據由兩個字節組成，指令內容包含地址信息、指令類型信息、指令數據內容、校驗和等。總線控制端輸出總線指令數據時，總線上指令門控信號維持為高電平，遙測門控信號維持為低電平。只有當指令使能信號和遙測使能信號同時有效時，總線指令數據才被認為是有效的［9］。

總線終端是總線上各服務節點，總線終端大部分時間處于待命狀態，僅當識別到總線控制端發送的請求命令時才處于活躍狀態。對于總線終端而言，其輸入信號共4路，包括時鐘信號、指令數據、遙測門控信號、指令門控信號，輸出信號為遙測信號。總線終端周期性的控制采集電路完成對終端自身各類遙測參數的采集，采集的遙測參數類型包含模擬量、溫度量、數字量等。當總線控制端請求發送遙測數據時，總線終端按照總線通信協議將遙測數據傳輸至總線控制端；總線終端突發式的接收來自總線控制端的指令數據，并根據總線協議對指令數據進行有效性判斷，當指令數據有效性校驗錯誤時，則邏輯電路丟棄該錯誤數據，并將錯誤狀態保存至緩存區用于遙測下傳［9］。總線終端工作流程如圖6所示。

圖5 總線控制器工作流程圖Fig.5 Flow chart ofbus controller working

圖6 總線終端工作流程圖Fig.6 Flow chartof remote terminal working

總線終端每次向總線控制端返回的遙測數據長度固定，以兩個字節為最小傳輸單元。總線控制端接收終端遙測數據時，總線上指令使能信號維持為低電平，遙測使能信號維持為高電平，且指令使能信號在遙測使能信號置高之前變為低電平，只有當指令使能信號和遙測使能信號同時有效時，總線遙測數據才被認為是有效的，遙測數據要先于在時鐘上升沿［9］。

3.5 總線接口電路的選擇

總線接口電路屬于總線通信的物理層范疇，接口電路主要用于實現總線電平信號的驅動、匹配、發送與接收，總線接口電路設計的優劣決定了總線通信的質量。按照總線設計的基本原則，本文所設計的同步串行總線接口電路基于TTL 標準，包含發送電路和接收電路兩部分。

總線發送電路由通用的NPN 型三極管串聯組成，能夠滿足低頻信號的傳輸要求，主要用于指令發送信號的驅動與放大，利用三極管輸出截止與飽和特性實現總線高低邏輯電平的輸出［6-7］。

總線接收電路主要用于對接收信號電平的匹配和整形，是基于比較器所搭建的遲滯電路，通過采用遲滯比較器對總線上接收的信號進行整形，使信號的上升沿和下降沿變得更陡，滿足后級邏輯電路接收的要求。為了提升比較器抗噪聲干擾，引入反饋電路，使得比較器輸入信號在判別門限電壓一定范圍內波動時，不會導致比較器輸出邏輯的改變，本文設計的總線接收門限為2.4 V，遲滯窗口寬度為±0.45V，使得接收電路在判別門限附近能夠抑制電壓峰峰值Vpp為0.9V 的干擾源。比較器閾值電壓的差值越大，電路的抗干擾能力越強，但靈敏度也隨之下降［7］。同時，在比較器電路輸入處，設計了由電阻電容組成的低通濾波器，能夠有效濾除總線上的高頻干擾分量［7，9］。總線接收電路原理如圖7所示。

圖7 總線接收電路原理示意Fig.7 Bus receiver schematic diagram

4 總線驗證與應用

根據第3節的原理設計，本文利用單片機系統、現場可編程門陣列（FPGA）等電路，設計出了總線控制端和總線終端的驗證電路，通過單片機、FPGA軟件完成對總線控制端和總線終端的行為模擬、工作流程模擬。總線控制端與總線終端驗證電路如圖8所示。

圖8 總線控制端和總線終端驗證電路Fig.8 Bus controller and bus remote terminal verification circuit

通過屏蔽電纜將總線控制端電路與30個總線終端電路相連，總線控制端輪詢的依次對每個終端電路進行訪問，取回終端電路中預存的測試數據，并隨機發送總線數據，通過示波器監測總線上的指令數據與遙測數據。利用原理驗證電路完成了對總線通信時序、總線傳輸穩定性、總線帶載能力的驗證，在24h老練試驗過程中，總線在工作速率50kHz的情況下，總線控制端與總線終端的數據通信穩定，總線通信協議能夠滿足設計要求。

同步串行總線已在某民用通信衛星轉發器分系統上得以應用，衛星通過兩條同步串行總線共實現整星56路LCAMP的遙測遙控數據傳輸，每條總線各接入28個終端設備。該同步串行總線的應用，大幅地減少了通信艙電纜的數量，使衛星質量減少約25kg，有效地提升了衛星平臺有效載荷承載能力。

5 總線技術應用的影響分析

當前通信衛星發展迅速，衛星用戶對衛星的通信容量要求也越來越高，衛星平臺采用總線式的標準接口有利于轉發器的擴容，增加若干個具備總線接口的終端對于整個衛星平臺而言代價很小，同時，總線技術的應用也為通信艙儀器電纜布局帶來了極大便利，衛星平臺電纜網的質量也得到了大幅優化。本文提出的同步串行總線采用標準的TTL 電平和通用的通信協議，可以推廣至轉發器分系統的更多單機，與SpaceBus4000平臺相仿，星載計算機通過串行總線同時還能實現載荷艙信標機、測控應答機等的數據傳輸，只要滿足總線電氣規范及總線通信協議的單機，均可以作為終端設備接入總線，進一步實現載荷艙電纜網數量的精簡，提升衛星集成度［9］。

但作為一種新型的技術，在衛星應用時也存在一定的技術風險。同步串行總線將幾臺或幾十臺設備連接至一起，如果總線某一處發生斷路故障，則總線控制器將失去對從斷路點開始的所有終端設備的控制，因此，在系統設計時必須考慮總線電路、總線接口、總線電纜的冗余設計。如果總線某一處發生對結構地短路故障，則總線控制器將失去對總線上所有終端設備的控制，為了保證正常使用，則需要將總線進行冗余切換，必要時還需要對總線進行電氣隔離。為實現總線終端的小型化，總線終端最終的邏輯控制電路一般都采用專門定制的ASIC 芯片，其功能復雜，且存在數模混合電路，因此，工藝復雜度高，芯片的系統驗證工作也具有一定難度［10］。

6 結束語

本文根據大容量通信衛星的需求，提出了一種適用于轉發器分系統單機測控數據傳輸的同步串行總線，并已在某衛星通信艙上采用，有效地減少了電纜數量，提升了衛星平臺的載干比，降低了衛星發射成本，從而提高了衛星的經濟效益。針對新技術應用存在的風險，應加強對總線接口可靠性設計、總線通信協議的容錯機制的研究，進一步提升總線通信的可靠性。同時，對總線終端所采用ASIC 芯片應加強驗證，充分關注在各類環境試驗條件下ASIC芯片的功能與性能。

（References）

［1］陳宜元.衛星工程系列叢書-通信衛星有效載荷技術［M］.北京：宇航出版社，2007 Chen Yiyuan.Satellite engineering-communication satellite payload technology［M］.Beijing：Astronautics Press，2007（in Chinese）

［2］閔長寧.21世紀通信衛星的發展和新技術［C］／／衛星通信新業務新技術學術研討會論文集.北京：中國通信學會，2006：10-16 Min Changning.Evolution and new technical of communication satellite in 21th-century［C］／／Conference on New Technology Used in Satellite Communication.Beijing：China Communication Academy，2006：10-16（in Chinese）

［3］Jean-Marie Pasquet.SPACEBUS 4000avionics：key features and first flight return，AIAA 2006-5301［R］.Washington D.C.：AIAA，2006

［4］O Gérard，G Berger.Eurostar E3000in-flight experience，AIAA 2006-5380［R］.Washington D.C.：AIAA，2006

［5］Jae-dong Choi，Jong-seok Park，Koon-ho Yang.A study for payload interface design of GEO satellite［C］／／Telecommunications Energy Conference.New York：IEEE，2009

［6］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2004 Tong Shibai，Hua Chengying.Foundation of analog circuit［M］.Beijing：Higher Education Press，2004 （in Chinese）

［7］周壁玉.電路分析基礎［M］.北京：航空工業出版社，2003 Zhou Biyu.Basis of circuit analysis［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2003（in Chinese）

［8］姚成虎，王磊.同步串行擴展總線接口在單片機測控系統中的應用［J］.工業儀表與自動化裝置，2004（2）：44-46 Yao Chenghu，Wang Lei.The application of a synchronous serial expanded bus interface to a single-chip computer-based measurement and control system ［J］.Industrial Instrumentation ＆ Automation，2004（2）：44-46（in Chinese）

［9］徐楠.一種用于有效載荷分系統數據傳輸的總線：中國，ZL201120326416.4［P］.2012-05-09 Serial Bus used in payload subsystem data transmission：China，ZL201120326416.4［P］.2012-05-09（in Chinese）

［10］沈理.SOC／ASIC 設計、驗證和測試方法學［M］.廣州：中山大學出版社，2006 Shen Li.SOC／ASIC design，verification and test methodology［M］.Guangzhou：Zhongshan University Press，2006（in Chinese）