小卫星常用数据总线技术

小卫星常用数据总线技术来源：中国航天2007年第2期作者：赵剑尤政张高飞发表时间：2010-07-0810:39:36从20世纪80年代开始，微电子技术的发展使得制造较高功能密度的小卫星(重量500kg)成为可能，许多国家开展了相关研究。近几年来，随着微纳米技术的发展，小卫星有了更广阔的发展空间。与大卫星相比，小卫星具有成本低、重量轻、体积小、性能高、功耗低、研制周期短等特点。小卫星由卫星平台与有效载荷两部分组成。平台是有效载荷的服务系统，有效载荷是完成特定飞行任务的设备或仪器。卫星平台又可分为星载计算机、电源、姿态与轨道控制、推进、测控、热控、结构与机构等分系统。以星载计算机为中心，各分系统、各有效载荷之间数据、指令等的通信要依靠数据总线来完成。本文研究的小卫星数据总线针对的是各分系统、各有效载荷(即主要模块)之间的数据通信，并不考虑分系统内部的数据通信方式，因此，小卫星数据总线功能类似于现场总线。一般来说，小卫星可有不止一条数据总线，比如一条用于传输测控数据信息，一条用于传输星载计算机对其余模块的控制指令。1、小卫星对数据总线的要求小卫星运行在复杂的空间环境中，数据总线作为各分系统之间的数据传输枢纽，不仅要求能实现数据传输功能，还要求有较强的空间环境适应能力，因此对数据总线有一些特殊的要求：(1)可靠性高小卫星运行的空间环境恶劣，太空粒子撞击、辐射、急剧热变化等都会影响电子系统的正常工作，因此要求数据总线具有很好的抗辐射性能，以保证数据传输的正确性，否则会影响控制过程的正常进行，从而影响小卫星的正常运行。(2)通信速率高随着微电子、微机械和轻型结构材料的发展及在小卫星上的应用，小卫星的功能不断增强，系统也越来越复杂，各分系统之间的通信也越来越多，因此数据总线要有较高的速率。(3)实时性好小卫星姿态控制对时间响应的要求决定了数据总线必须有较好的实时性。同时，星载计算机的主频不断提高，为了匹配星载计算机及应对复杂任务，数据总线除了要有高传输速率外，还要有一套有效的通信协议，确保数据传输的效率，从而满足实时性要求。(3)容错性好数据总线必须有较强的容错能力，否则一个节点(分系统或有效载荷)出现故障，可能会导致整个系统瘫痪。此外，在传输数据时要求有一定的错误检测机制，能够自我检错、纠错。(4)开发简单、成本低小卫星研制周期短、成本有限，因此选取的数据总线应尽可能具有简单的开发方式。在满足功能要求的前提下，应尽量选择成本低、体积小、质量轻、功耗低、灵活性较好的数据总线。2、常用数据总线介绍总的来说，数据总线分为串行、并行两大类。并行总线传输速度快，但是同步困难，接口相对复杂，一般用于设备内的简单数据传输，而不用作系统总线；串行总线一般接口较简单且适用于在距离较远的分系统间进行数据交换，因此在小卫星上应用较广。目前在小卫星领域较常用和较有应用前景的数据总线分成三类：第一类是专门为军事目的设计的数据总线，如MIL-STD—1553B、SpaceWire等；第二类是利用成熟的工业现场总线或商业总线，改造后应用到航空航天领域，如RS—232,RS-485,I2C、CAN、Ether—net、BITBUS、IEEE1394、USB、蓝牙等；第三类是比较新颖的，比如光纤通信总线等。下面将分别介绍。(1)MIL-STD-1553B总线MIL-STD—1553B于1978年由美国军方提出，作为美国空军电子分系统联网的标准总线。1553B总线是一种中央集权式的串行总线，其组成包括一个总线控制器，负责总线调度、管理；若干(最多31个)远置终端，用于连接有效载荷进行数据通信。它的总线传输速率为1Mb／s，总线传错字差错率小于10-7，可以通过奇偶校验的方式进行错误检测，具有很高的稳定性和可靠性，因此在航空航天中有着广泛的应用。不过，1553B总线价格昂贵，功耗较大，传输匹配严格(需要用匹配耦合器)，连线要求较高，这些都限制了它在小卫星领域的大规模应用。美国Leostar卫星平台采用了MIL-STD-1553B总线。Leostar平台由美国轨道科学公司为美国空军标准技术实验计划(STEP)研制，至目前为止支持了6颗卫星任务。(2)SpaceWire总线SpaceWire总线是欧洲空间局(ESA)为航天应用而设计的一种高速、可升级、低功耗、低成本的串行总线。它是一种全双工点对点通信或通过路由开关形成大的通信网络的总线。该总线通信速率可达1Gb／s，支持高级协议，有非常灵活的拓扑结构，容错能力较强，具有很好的性能与可靠性。SpaceWire总线协议相对简单，实现起来不太复杂，连线少，易于控制，因此开发相对简单，适用于较高级任务(特别是有高速数据传输要求)的小卫星系统。在作为数据总线时，SpaceWire一般采用主从网络结构。虽然这种方式在一定程度上影响了传输效率，但由于其极高的传输能力，SpaceWire仍具有较好的实时性。到目前为止，SpaceWire总线已成功地应用在ESA的“火星快车”和SMART-1月球探测器上。在小卫星领域，该总线也具有很好的应用前景。(3)RS-232总线RS-232标准最初由美国电子工业协会(EIA)于1962年发布，是个人计算机与通信工业中应用最广泛的串行接口之一。RS-232是一种低速率、短距离的串行通信标准，为点对点通信而设计。如果加上多路开关，它可以成为一对多的数据总线，不过RS-232只能作为次要数据总线，实现较简单的功能。2000年6月28日发射的航天清华1号小卫星采用RS-232总线传输控制指令。该卫星共采用了3套数据总线，RS-232是其中一套。(4)RS-485总线RS-485标准由美国电子工业协会于1983年制定并发布，是RS-232标准的改进和扩展。RS-485结构简单，通信速率较高，传输距离远。在各个行业的数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，基于RS-485总线的通信方法得到了广泛的应用。但是，RS-485固有的一些缺点使得它只能应用在要求不太高的简单小卫星系统中：RS—485总线采用主从式结构，除控制节点外的其余节点只能在控制节点的查询下工作，因此效率很低，对较复杂任务的小卫星，不能满足数据总线实时性的要求：RS-485标准只对电气特性做出了规定，而不涉及接插件、电缆、通信协议，因此RS-485并不是完整的标准总线，这会增加小卫星的研制负担，同时增大了风险性；RS-485若使用不当，会出现诸如噪声干扰、总线冲突、通信电路失控、误码率高等问题，并且它也没有错误检测机制，一旦主节点出现故障，整个系统会瘫痪。RS-485总线在多颗卫星上得到应用，我国的实践5号就采用了该总线。(5)BITBUS总线BITBUS总线是英特尔公司为在分布式控制系统中进行通信传输而设计的一种串行总线结构，其物理层采用RS—485规范。虽然与RS-485总线相比有所改进，但BITBUS总线同样具有传输效率低、不能满足实时性和没有错误检测机制、不能保证可靠性等缺点。另外，BITBUS的系统软件只提供了PL／M语言格式的调用方式，给高层通信软件开发带来了麻烦，不符合小卫星开发简单的要求。因此，BIT－BUS，总线也只能应用在要求不太高的简单小卫星系统中。(6)I2C总线I2C总线是飞利浦公司开发的一种双向两线多主机总线，能方便地实现芯片间的数据传输与控制。通过两线缓冲接口、内部控制与状态寄存器，它可以方便地完成多机间的非主从或主从通信。基于I2C总线的多机通信电路结构简单，程序编写方便，易于实现系统软硬件的模块化和标准化。另外，I2C是一种芯片量级的数据总线，与设备量级的数据总线不同，因此在纳型卫星中有着广阔的应用前景。基于美国大学纳卫星计划的“绿宝石”星座由2颗相同的卫星组成，分别由斯坦福大学和圣塔克拉拉大学研制。每个航天器为六边形，大约宽45cm，高30cm，重量15kg，采用12C同步串行总线作为数据总线，同时也是为了验证VC总线技术空间应用的可行性。(7)CAN总线CAN总线是上个世纪80年代初德国博世公司为解决现代汽车中众多测控仪器间的数据通信而开发的网络通信协议。CAN总线具有以下特点：可靠性高，其剩余错误概率为10-11量级：多主局部网络结构，任何节点都可以主动发送，省去了主从结构需要的查询工作，提高了总线的利用效率，满足小卫星系统的实时性要求，同时某节点的故障不会影响其余节点，且采用无损结构的逐位仲裁，提高了系统的可靠性；传输速率较高(1Mb/s)，网上节点个数不受限制，实际可达110个；CAN协议废除了传统的站地址编码，采用对通信数据块进行编码的方式，最多可定义211或229个不同数据块，借助接收滤波可使不同节点同时接收到相同数据，这对较复杂的小卫星系统很有用；CAN总线采用CRC检验方式，提供错误处理功能，保证数据通信的可靠性；CAN总线价格相对便宜，开发简单，有许多成熟的模块可以使用。1999年发射的英国萨里大学的UoSAT-12、前面提到过的航天清华1号、2004年4月18日发射的纳星1号都采用了主从两套CAN总线的数据总线，其核心思想为总线备份、出错切换。(8)Ethernet总线Ethernet(以太网)是施乐、数字设备和英特尔三家公司于上个世纪80年代初开发并提出的，后经IEEE修改，成为IEEE802．3标准。Ethernet是办公、商业领域最常用的通信网络之一，具有价格低、多种传输介质可选、高速率(10Mb／s、100Mb／s、1000Mb／s或更高)、易于组网等优点。另外。基于TCP／IP的Ethernet是一种开放式通信网络，很容易实现不同厂商设备之间的互联。不过，Etherent存在传输实时性、可靠性较差，缺乏应用层协议等缺点，这在一定程度上限制了Etherent在小卫星领域的应用。航天清华1号采用了Ethernet作为星载计算机与对地成像系统(EIS)传输大批量数据的总线。(9)光纤数据总线国内已展开了小卫星上以光纤为传输介质、采用1773A通信协议的光纤数据总线的研究。光纤数据总线具有以下优点：传输速率高，单通道传输速率可达到20Mb／s；具有很强的抗干扰能力，提高了信号输出的信噪比，从而提高了数据传输的可靠性；各分系统间没有电信号的连接，减少了相互之间的耦合干扰，形成了分系统之间的完全隔离(对数据传输)。光纤数据总线拓扑结构可以采用集中式、分布冗余式两种方式。光纤数据总线在硬件上需要增加光收发器、光耦合器等光电元件，但是相对于其它以电信号为基础的数据总线，它具有不可比拟的优点。因此，经过改进和完善，光纤数据总线能更好地在小卫星上得到应用。(10)其他除了上述几种数据总线外，还有一些在工业、商业上应用比较成功的总线，如IEEE1394总线、USB总线等，通过改变工艺，都有可能应用在小卫星上，不过相对较为复杂。IEEE1394支持高速应用，速率可达50400Mb／s，网络拓扑为树型结构，最多可以连接63台设备，支持实时传输。IEEE1394作为商业总线已经非常成熟，然而应用于小卫星仍需进一步研究，而且由于技术复杂，其开发难度较大。USB2.0通信速率可达480Mb／s，但必须互联为菊花链结构、非对称、异步，且需要集线器作为容错方案，管理较复杂，同样有待研究。另外，对于某些模块，比如装在太阳翼上的太阳敏感器，由于距离星载计算机很远，而且连线不方便，可以采用蓝牙等无线设备构成无线网络。这也是目前比较新颖的研究方向。3、常用数据总线比较前面介绍了目前小卫星上较常用和较有应用前景的几种数据总线的优缺点。经过比较，我们可以看到：(1)随着小卫星系统复杂性的提高，SpaceWire、Ethernet、光纤数据总线、IEEE1394、USB等高速数据总线(百兆每秒量级)会得到更广泛的应用。(2)MILSTD-1553B、SpaceWire等军用总线具有极高的可靠性、稳定性，不过由于价格和保密等原因，不是普通用户能使用的，但对于有特殊可靠性要求的小卫星具有很高的应用价值。(3)RS-232、RS-485、BIT—BUS等较简单的数据总线已不能满足日益复杂的小卫星数据总线任务要求，