衛星終端電路優化設計研究

摘? 要：針對民用天通衛星通信功耗高、體積大、設計成本和維護成本高等問題，設計了一款小型化、低功耗的衛星通信終端電路。該衛星通信終端電路能夠解決山區、海洋等地域通信難、通信數據量受限，以及國產衛星特殊應用等問題。電路采用模塊化設計，適用于多種不同類型的移動通信終端或數據采集終端。實際驗證表明所設計的電路具有良好的工程實踐意義。

關鍵詞：低功耗;衛星通信;電路設計;傳感采集

中圖分類號：TN927? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）05-0082-05

Research on Optimization Design of Satellite Terminal Circuit

RAO Minjie

（The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Guangzhou? 510310，China）

Abstract：Aiming at the problems of high power consumption，large volume，high design cost and maintenance cost of civil Tiantong satellite communication，a miniaturized and low power satellite communication terminal circuit is designed. It can solve the problems of communication difficulties，limited communication data，and special applications of domestic satellites in mountainous areas，oceans and other regions. The circuit adopts modular design，which is suitable for various types of mobile communication terminals or data acquisition terminals. The practical verification shows that the designed circuit has good engineering practice significance.

Keywords：low power consumption;satellite communication;circuit design;sensor acquisition

0? 引? 言

在國內現有的衛星通信領域，較為常見的有銥星、海事衛星、天通衛星。銥星是美國銥星公司研發的全球衛星通信系統。海事衛星組織原是一個提供全球范圍衛星移動通信服務的政府間合作機構，即國際移動衛星組織，國內習慣將其簡稱為海事衛星[1]。天通衛星是我國自主可控的通信衛星，主要是滿足國內衛星通信的應用，且不受他國限制，天通衛星已廣泛應用于國內各個領域。銥星和海事衛星二次開發難度大，可擴展應用較少，收費較高，且不是我國自主可控的衛星通信系統，不適用于一些特殊場景。而天通衛星[2]使用的基帶處理器為國產芯片，使用的操作系統為安卓或Linux，有利于應用開發設計。

天通衛星常用的基帶處理器電路[3，4]設計功耗高、成本高、維護難度大，該處理器的應用需要安卓或Linux操作系統的支持，處理器的大部分運算能力都用于對操作系統的適配或其他應用后臺程序的運行上，而且系統的流暢性不佳，對于無人值守、傳感采集等應用無異于一種資源浪費。

本次設計針對天通基帶處理器的電路簡化、功耗優化進行論述。針對國內衛星通信的無人值守、傳感采集等應用，設計一款功耗低、電路簡單、成本低廉、維護簡便、可用于不同場景的硬件電路，滿足于國內各種無人值守、傳感采集等應用場景。

1? 電路組成

圖1為電路組成結構框圖。電路由處理器、衛星通信模塊、電源/充放電管理和其他外設組成。為最大限度地降低功耗，提高移動電源的使用效率，所有外設電路都采用可關斷電源設計，或可配置休眠/喚醒模式。處理器通過衛星通信模塊的休眠/喚醒控制將衛星通信模塊的平均功耗降至最低。衛星通信模塊主要實現與衛星的數據通信。電源、充電管理器用于整個電路設計的供電，充電管理器主要應用于需要單獨使用電池的終端設備。

2? 處理器選型

2.1? 基帶處理器性能分析

天通衛星常用的基帶處理器為大唐聯芯的LC1860，該芯片由AP側、CP側、GPU等組成。AP側由Cortex-A7四核處理器+單核A7處理器組成，CP側由A7+X1643+XC4210組成，GPU使用的是雙核MaliT628。由該基帶處理器組成的最小系統需要電源管理器和eMCP存儲器同時使用，最小系統待機功耗約為4.2 V@5 mA。該基帶處理器具有強大的數據和影像處理能力，滿足手持、車載類終端應用需求，但對于不需要影像處理和數據運算的應用就顯得有些浪費資源，同時基帶處理器配套的外圍電路存在價格昂貴、待機功耗高等缺點。使用該基帶處理器硬件外圍電路如圖2所示。

基帶處理器選擇ST公司的STM32F407VGT6芯片，該芯片基于ARM Cortex-M4內核設計，最小系統由處理器和外部時鐘簡單的外部電路構成。且在休眠狀態，使用外部25 MHz時鐘時，最小系統待機功耗約為3.3 V@500 uA，具有高效可靠的特性，廣泛應用于消費電子和工業控制領域。該芯片有100個引腳，且封裝簡單，便于硬件設計開發，對板疊層沒有特殊要求，生產加工難度低，生產周期短。最高主頻168 MHz，內置1 MB片內FLASH、192 KB的SRAM，性能穩定，功耗低，接口資源豐富，適用于不同場景的擴展應用，滿足設計需求。

處理器及其外設如圖3所示。處理器核心部分由STM32芯片、晶振、復位電路、SWD下載接口和系統電源組成最小系統。處理器運行過程中產生的重要數據通過EEPROM保存，EEPROM選擇大小為128 KB的AR24C128芯片，通過I2C總線與處理器連接。

天通衛星通信終端，作為數據采集轉發終端使用，不需要人機交互，可通過SDIO擴展本地存儲，外接RS232可連接其他數據采集器，處理器對接收到的數據打包處理后經天通衛星通信模塊轉發出去。天通衛星通信單條信息長度可達140字節，發送間隔最短3秒一條，可替代傳統民用北斗短報文通信。

2.2? 分析對比

2.2.1? 從設計難度分析

LC1860使用的是BGA封裝，具有579個管腳，管腳間距為0.4 mm，設計硬件電路難度大，需要使用8層以上盲埋孔工藝設計，同時盲埋孔生產加工難度大，且生產周期長。軟件設計需要基于安卓或Linux操作系統進行開發。而STM32F407VGT6是LQFP封裝，具有100個管腳，封裝簡單，便于硬件設計開發，對板疊層沒有特殊要求，生產加工難度低，生產周期短。對比表如表1所示。

通過對比得知，使用STM32F407VGT6替代LC1860會大大降低設計難度和生產加工難度。

2.2.2? 從功耗分析

LC1860最小系統待機功耗約為4.2 V@5 mA，其中LC1860基帶芯片運行時需要電源管理器和eMCP存儲器配合使用，其他外圍電路除外。而STM32F407VGT6最小系統待機功耗約為3.3 V@500 uA，其他外圍電路除外。

使用STM32替代原LC1860處理器，可降低外圍電路設計難度，減少系統運行功耗，使衛星通信的使用模塊化、簡單化。常用的LC1860衛星通信電路設計需要配套電源管理芯片、多核高性能AP/CP處理器、DDR芯片、Flash芯片等外圍電路，保證安卓或Linux操作系統的運行。增加外圍電路及高性能處理器的使用，大大縮短了對于無人值守、數據傳感采集等方面的使用時間。而采用單STM32處理器可提高終端的待機時間，減少不必要的損耗。

2.2.3? 從實用性分析

LC1860處理器設計之初是為滿足安卓操作系統的使用，但由于目前各種APP運行對處理器的要求越來越高，而LC1860是一款接近10年前生產的處理器，雖然尚且滿足市面上大多數應用程序的運行要求，但流暢度極低、反應速度較慢、卡頓情況嚴重、用戶體驗差，從而在LC1860這款基帶處理器上使用高清顯示、高清拍攝功能的可能性幾乎為零，該處理器已經不能滿足于大家對安卓機的使用要求。而天通衛星除支持電話、短信業務外，數據業務只有9.6 kbps，且目前暫未對商用開放。

綜上所述，衛星通信終端只實現單獨的電話、短信業務更合適，而LC1860處理器雖然能滿足衛星通信業務的所有要求，但是又顯得有些雞肋，而衛星通信終端大部分都是應用在偏遠地區，對終端能耗的要求高，對通信質量要求高，其他功能則無關緊要。

而STM32F407VGT6不依賴安卓或Linux操作系統，運行效率高、可靠性高，只需簡單的電路配合衛星通信模塊就可以使用衛星電話、短信業務。其較低的待機功耗能滿足偏遠地區對能耗的要求，從實際使用方面來看，其能滿足天通衛星通信業務的通信要求，用戶操作簡單，更符合當前天通衛星通信業務的實際需求。

2.2.4? 成本

LC1860是一款SOC處理器，市面上供貨渠道少，芯片價格在百元左右，同時需要配合一款專用的電源管理芯片（價格也在百元左右）以及eMCP芯片等，LC1860最小系統芯片成本將近400元。而STM32F407VGT6屬于市面常見的單片機類器件，價格在50元以內，最小系統價格不會超過80元。

LC1860設計生產成本極高，由于其芯片的封裝特性，需要滿足使用盲埋孔工藝，疊層不低于8層等限定條件，加工難度大，一般的PCB加工廠不具備加工條件，SMT同樣由于芯片封裝特性，芯片焊接成功率很難達到100%。而STM32F407VGT6單片機在結構允許的條件下，使用2層PCB疊層就可以完成，且無特殊的設計要求，加工難度低，市面上的PCB加工廠都能完成，焊接難度低，生產成本低。成本對比如表2所示。

3? 衛星通信模塊電路設計

天通衛星通信模塊采用的是高速串行擴展總線標準PCIE連接，其連接關系如圖4所示，對外接口由電源接口、休眠/喚醒控制、通信串口、I2S音頻接口、USB加載接口、標準SIM卡接口，以及其他控制I/O等組成。

衛星通信模塊電源輸入范圍為3.6 V～4.2 V，為保證模塊在有電池供電的情況下始終處于高性能通信模式，輸入電壓選擇4.2 V。模塊需預留USB接口以供模塊系統升級使用，選通用Micro USB連接器性價比高。標準SIM卡接口，衛星電話卡插入可選擇彈出式、推拉式、翻蓋式等不同結構形式的連接器，根據終端使用形式選擇。

衛星通信模塊對外串口、I2S、I/O等接口的電平信號為1.8 V，而STM32F407的接口電平信號為3.3 V，需要增加雙向電平轉換TXS0108EPWR，該電平轉換芯片待機電流約為2 uA。STM32F407通過串口向衛星通信模塊傳輸控制、數據等信息。衛星通信模塊有休眠/喚醒設置，配合需求使用可降低整個電路設計的待機功耗。

4? 電源、充電管理電路優化設計

衛星通信終端電源、充電管理電路設計如圖5所示，電源由4部分組成，分別是充電管理器BQ24170、單節鋰電池、升降壓TPS63020、降壓電源LMZ10501。其中BQ24170是1.6 MHz同步開關模式鋰離子和鋰聚合物獨立電池充電器，具有過壓保護配置功能，支持單節、兩節、三節鋰離子電池充電，充電電流最大可達到4 A，效率高達95%，在圖5電路設計中適配輸出為3 V～5.5 V，BQ24170可滿足多種類型的終端供電需求。升降壓TPS63020是一款高效率升降壓轉換器，轉換效率高達96%，輸出電流最大為4 A，靜態電流小于50 uA，內部集成過壓、過溫保護，可根據單節鋰電池放電特性智能適配電源正常狀態輸出，圖5電路設計中TPS63020[5]穩定輸出4.2 V。由于天通衛星通信模塊工作電壓為4.2 V，而STM32系列單片機和其他大部分外圍電路供電為3.3 V，所以經過升降壓TPS63020穩壓后還需經過降壓3.3 V處理。LMMZ20501是一款簡易的降壓電源[6]，3 MHz固定開關頻率，靜態電流為72 uA，輸出電流可達1 A，效率高達94%，且輸出電壓文波低，該電源芯片不需要外部電感，只需要分壓電阻和少量的陶瓷電容，滿足單片機及其外圍電路的電源要求。為避免因鋰電池過度放電和過度充電[7]而對電池造成損害，將電池放電截止電壓設置為3 V，放電截止電壓設置為4.2 V。

5? 電路功耗優化設計

衛星通信終端可分為三個工作狀態，分別為關機狀態、待機狀態、數據傳輸狀態。作為衛星通信數據采集終端，系統大部分時間處于待機狀態，只保持系統在網狀態，在單傳送應用情況下，也可關閉衛星通信模塊及其外圍電路。

采集終端需要長期在網的情況下，處理器和衛星通信模塊都處于休眠狀態，當有數據需要通過衛星通信模塊發送出去或者在衛星通信模塊接收信號時，系統將喚醒處于休眠狀態的處理器和衛星通信模塊。在單傳送應用情況下，終端可以只保留處理器的上電狀態，且處于待機休眠模式，其他電路全部斷電，當需要向外傳輸數據時，系統激活，同時衛星通信模塊上電并入網。

電路中的功耗分為兩個部分，分別為動態功耗和靜態功耗。動態功耗主要來自電容的充放電和短路電流，靜態功耗主要來自漏電流包括PN結反向電流和亞閾值電流以及穿透電流。電容充電的開關電容電流功耗約占總功耗的70%，其他功耗約占30%[8]。從三個方面進行電路優化從而降低電路功耗損失：

（1）在滿足設計要求的前提下減少大封裝、大容值電容的使用。

（2）上電可控。除處理器以外的其他外設電路，使用COMS開關電路進行上電控制。COMS開關管靜態功耗理想狀態下功耗為0，在實際電路使用中，其反向PN結電流和MOS管的閾值電流對整個電路的功耗可忽略不計，對于低功耗電路中的使用有較為不錯的效果。

（3）減少電路電壓分級。盡量使用相同電壓的外圍器件，減少電源轉換中產生的損耗。

6? 電路優化設計

衛星通信終端電路設計中包括電源、SIM卡、USB加載、顯示屏、其他對外通信接口。這些對外接口在不同的使用環境下，需要考慮電源浪涌抑制[9]、ESD防護[10]，EMI電磁兼容防護[11，12]，增加保護器件、信號抑制器件、濾波電路等。在PCB中注意將數/模電路分開布局，走線阻抗控制等方面優化電路設計，增加電路穩定性、可靠性。

7? 結? 論

基于低功耗衛星通信終端的電路優化設計，可提高無人值守、傳感采集等應用的使用效率，降低了天通衛星通信的使用成本，實現了硬件層面的模塊化，操作簡單、可靠，可以解決偏遠地區通信難、通信數據量受限，以及特殊場景應用等問題。并可以通過修改電路結構滿足不同類型的終端需求，目前已在消防、野外數據采集、位置信息實時匯報等使用場景做過實驗測試，并取得了滿意的效果。

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作者簡介：饒敏杰（1988.11—），男，漢族，湖北武漢人，硬件工程師，初級工程師，本科，研究方向：集成電路。