同步串行总线在通信卫星转发器中的应用

徐楠 李东 魏强 熊晓将

（1 中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）（2 中国航天科技集团公司，北京 100048）

1 引言

转发器是通信卫星有效载荷的重要组成部分，是完成通信卫星任务空间无线电中继的主要设备，用于实现对地球站发来的通信信号进行接收、放大、变频等处理，并经过功率放大后通过天线将信号转发至地面［1］。通信卫星转发器分系统有源设备主要包括行波管、线性通道放大器（Linear Channel Amplifier，LCAMP）、变频器、接收机、信标机等。其中，每个LCAMP 采集的遥测量包括行波管阳压、螺流、母线电流、挡位信息等，每个LCAMP 接收增益挡位设置、模式设置、静噪状态设置等遥控指令［1］。实现LCAMP 的遥控遥测信息传输方式有很多种，目前，国内通信卫星基本都采用点对点的方式，即每个遥测参数、每条遥控指令都通过一根单独的电缆进行传输，若将电路的回线包含在内，则实现一台LCAMP 需要几十根电缆，按一颗卫星50 台LCAMP的配置计算，则总共需要上千根电缆。随着载荷舱仪器布局空间受限、整星质量受限等问题的不断凸显，点对点式的遥测遥控传输方式已不能适应当前通信卫星转发器分系统扩容的需求，也就无法满足新型大容量通信卫星的发展需要［1-2］。

本文从提升我国通信卫星平台载荷承载能力的角度出发，通过采用同步串行总线的方式实现了转发器分系统LCAMP 测控数据的传输。首先，介绍国外主流通信卫星平台数据总线应用现状；其次，详细论述了转发器分系统不同总线架构的比较；再次，从总线的设计原则、总线类型的选择、总线数据架构、总线通信协议、接口电路等方面介绍了同步串行总线的设计；最后，介绍了同步串行总线的验证以及航天器上的应用和影响分析等。

2 总线技术在国外卫星平台中的应用现状

2.1 SpaceBus4000卫星平台总线技术应用

SpaceBus4000平台是法国Thales Alenia Space公司的主要平台，该卫星平台代表着21世纪初国际先进水平，采用了先进的Avionics 4000综合电子分系统，其设计的核心思想是由一个功能强大的卫星管理单元（Satellite Management Unit，SMU），又称中心计算单元，通过总线网络控制标准的平台与载荷接口单元，实现姿态轨道控制、数据管理、供配电等功能［3］，该平台数据总线架构如图1所示。

星载计算机通过采用5 条星载数据处理（On-Board Data Handling，OBDH）总线实现整个卫星测控数据传输与处理。OBDH 总线采用RS485电平进行数据传输，总线通信协议为异步模式，每条总线支持32个终端同时接入，总线共包含收发两路信号。如图1所示，星载计算机采用Bus 3总线实现通信舱北板所有载荷LCAMP 及信标机的数据传输与指令控制，采用Bus 5总线实现通信舱南板所有载荷LCAMP及TTC 应答机的数据传输与指令控制。作为终端设备，每个接入总线的设备都具有远置用户总线接口（Remote User Bus Interface，RUBI），该芯片是OBDH 总线专用的专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），其主要功能用于实现总线协议的解析、总线电平的转换、数据采集、指令译码等［3］。该ASIC 电路具有一定通用性，只要是带有RUBI接口的任何终端设备，均可以接入卫星平台综合电子数据网络，为卫星平台载荷容量的扩展提供了极大的便利性［3］。

2.2 Eurostar-3000卫星平台总线技术应用

Eurostar-3000平台是欧洲ASTRIUM 公司主流的卫星平台，其星载数据总线网络是根据美军标MIL-7-1750型航天器计算机单元的发展水平，在使用美军标MIL-STD-1553B数据总线的基础上建立起来的，星载数据自动处理方面得到了较大改进。卫星的遥测、指令和测距以及姿态测定控制分系统和卫星的总线管理都由卫星中心单元（Satellite Central Unit，SCU）来完成［4］，Eurostar-3000 平台卫星数据总线架构如图2所示。

与SpaceBus4000 平台相比，Eurostar-3000 平台采用了多级数据总线架构的方式，整个数据网络以一台SCU 为数据处理核心，1553B总线作为一级数据总线实现SCU 与各类总线终端设备的数据传输。其中，2 台模块化的载荷接口单元（Modular Payload Interface Unit，MPIU）作为一级数据总线终端设备，用于实现整星载荷所有设备的遥测采集与指令控制，每台MPIU 提供2～3 条低速串行总线（Low Speed Serial Bus，LSSB）接口，用于实现载荷舱LCAMP 测控数据的传输。LSSB 总线是Eurostar-3000卫星平台专用的低速数据总线，传输速率最大16.7kHz，总线采用RS485差分电平，总线共5路信号，数据传输采用同步传输协议，能够支持32个终端设备同时接入［4］。

SpaceBus4000、Eurostar-3000卫星平台是当前国际上具有代表性的通信卫星平台，两者在载荷分系统数据传输上均利用总线技术实现通信舱载荷设备的测控数据传输。总线技术的应用能够最大程度地减少低频电缆网数量及质量，节省布局空间，大幅提升卫星平台的有效载荷承载能力，有利于卫星有效载荷设备的扩容［5］。

图2 Eurostar-3000卫星平台数据总线分布架构Fig.2 Eurostar-3000Data Bus distributed structure

3 同步串行总线设计

3.1 总线设计原则

由于本文设计的总线主要应用于高轨、长寿命通信卫星平台，因此，在借鉴工业成熟总线标准的同时，总线的设计过程中还应主要考虑以下几个方面：

（1）总线工作在卫星电磁兼容性（EMC）环境较为复杂和恶劣的载荷舱，总线在电路设计上应具有抗干扰措施，能够对外部的干扰进行有效抑制。

（2）总线上传输的数据为转发器分系统重要的遥测参数与指令控制数据，若遥测数据传输出现错误，则会导致地面参数监视异常，若指令数据传输出现错误，则会导致转发器分系统意外指令发送或者发送失败，因此，为增强总线传输的可靠性，总线在数据传输时应设计容错机制。

（3）总线上传输的遥测参数及指令数据对实时性的要求并不高，因此，在满足用户要求的前提下，总线传输速率不宜过高，为低速数据总线。

（4）为了实现总线接口电路和元器件的通用性，总线接口电路应尽量不依赖于专用的电平转换芯片，例如CAN 总线的电平转换芯片82C250，RS485总线的电平转换芯片DS96F174、DS96F175 等，电气特性的选择应尽量使用通信卫星平台常用的电平标准，如CMOS电平、晶体管逻辑电路电平（TTL）等。

3.2 总线类型选择

目前，工业领域各类型的总线应用非常广泛，按照总线传输方式区分有同步总线与异步总线，按照总线传输电路形式区分有并行总线与串行总线［6-8］。

相比于异步总线，同步总线由于具有时钟同步信号和握手控制信号，因此简化了总线数据接收和发送的逻辑。Eurostar-3000 平台的LSSB 总线为同步总线，总线上共包含5路信号，其中时钟信号是总线控制器与总线终端数据采样的基准源，总线上任意数据的读取与发送均基于总线时钟的上升沿和下降沿，5路信号之间的时序关系是实现总线数据通信的基础。因此，对于总线控制器与总线终端而言，两者只要保证好总线的时序特性就能保证总线数据正常的通信，而不需要复杂的握手协议。而SpaceBus4000平台的OBDH 总线为异步总线，总线上只包含收发两路信号，总线数据通信利用特定的起始码字实现双方通信的握手，总线控制器与总线终端利用相同的波特率对总线电平信号进行采样及控制数据逻辑，其协议解析过程较为复杂。综上所述，同步总线具有协议简洁、实时性强、占用软硬件资源少、系统开销小等优势，便于总线专用集成电路的开发，因此，本文所设计的总线为同步总线。

串行总线与并行总线相比具有连线少、易维修、成本低、适合远程传输等特点［9］。如SpaceBus4000平台的OBDH 总线，Eurostar-3000平台的LSSB总线，两种总线均采用了串行通信方式。采用串行总线进行数据通信，需要的信号路数少，能够达到优化卫星电缆数量的目的，本文所设计的总线采用串行方式。

3.3 总线数据架构

在通信卫星平台综合电子系统中，数据传输一般采用两级分布式总线架构。一级数据总线一般采用具有传输速率高、成熟度高的1553B 总线，用于实现星务计算机与各远置单元的高速数据传输。二级数据总线由远置单元输出，用于实现各远置单元和终端设备的数据通信，适用于对通信速率、实时性要求不高的终端用户。本文所提出的同步串行总线主要用于载荷舱转发器分系统单机测控数据的传输，对数据传输速率并不高，且总线网络主要分布在卫星的载荷舱，因此，从系统架构的角度考虑，利用卫星载荷舱的远置单元作为总线控制端以实现转发器分系统数据的传输与控制是较优的方案。本文提出的同步串行总线分布架构如图3所示，总线由一台总线控制器及多个终端载荷设备组成，其中，载荷舱远置单元为总线控制端，转发器分系统的载荷设备为总线的终端设备，总线控制端通过屏蔽电缆与各终端设备相连。

图3 同步串行总线分布架构Fig.3 Synchronousserial bus distributed structure

为实现总线传输的可靠性，满足通信卫星在轨长寿命的要求，在同步串行总线架构的设计上需要考虑冗余备份。如图3所示，总线控制端为冗余设计，其包含了主备两份电路，每份电路都具备A、B两个通道，A、B通道分别连接至同步串行总线的主份和备份。与总线控制端相同，总线终端也采用冗余设计，总线终端的主份接口和备份接口分别连接至同步串行总线的主份和备份，当总线上主份接口出现故障时，总线可切换至备份接口以确保数据正常传输。冗余设计消除了单点故障失效模式，提升了总线的可靠度。

3.4 总线通信协议

通信协议是总线数据可靠传输的保证与前提。为简化总线协议的复杂度，提升总线传输的可靠性，本文应用的同步串行总线工作模式设计为半双工，指令数据与遥测数据独立传输，同一时刻总线上只能传输指令数据或遥测数据两者之一。总线信号包含：时钟信号、指令门控信号、遥测门控信号、指令数据、遥测数据共五路信号。时钟信号用于完成总线数据传输的同步，时钟信号为收发共用，由总线控制端输出；指令门控信号用于使能总线上传输的指令数据，由总线控制端输出，当总线控制端输出串行命令数据时，该信号为高电平；遥测门控信号用于使能总线上传输的遥测数据，由总线控制端输出，当总线控制端从终端读取遥测数据时，该信号为高电平［9］。总控控制器与总线终端信号接口连接关系如图4所示。

图4 总线控制器与总线终端连接关系Fig.4 Connectionbetween bus controller and remote terminals

总线的通信机制设计为应答响应方式，总线的每次通信行为均由总线控制端发起，终端设备不具有自主向总线控制端发送请求命令的权限，终端设备仅根据指令数据中的地址信息来区分指令数据的有效性。

对于总线控制端而言，其输出信号共4路，包括时钟信号、指令数据、遥测门控信号、指令门控信号，输入信号为遥测信号。总线控制器突发式的向各个终端设备发送指令数据，并周期性的轮询访问总线上的各终端设备，并获取各终端设备返回的遥测数据，将接收到的各总线终端的遥测数据汇集后进行组帧，将组帧后的遥测数据传输至星务计算机，总线控制端工作流程如图5所示。总线控制端每次向总线终端传输的指令数据由两个字节组成，指令内容包含地址信息、指令类型信息、指令数据内容、校验和等。总线控制端输出总线指令数据时，总线上指令门控信号维持为高电平，遥测门控信号维持为低电平。只有当指令使能信号和遥测使能信号同时有效时，总线指令数据才被认为是有效的［9］。

总线终端是总线上各服务节点，总线终端大部分时间处于待命状态，仅当识别到总线控制端发送的请求命令时才处于活跃状态。对于总线终端而言，其输入信号共4路，包括时钟信号、指令数据、遥测门控信号、指令门控信号，输出信号为遥测信号。总线终端周期性的控制采集电路完成对终端自身各类遥测参数的采集，采集的遥测参数类型包含模拟量、温度量、数字量等。当总线控制端请求发送遥测数据时，总线终端按照总线通信协议将遥测数据传输至总线控制端；总线终端突发式的接收来自总线控制端的指令数据，并根据总线协议对指令数据进行有效性判断，当指令数据有效性校验错误时，则逻辑电路丢弃该错误数据，并将错误状态保存至缓存区用于遥测下传［9］。总线终端工作流程如图6所示。

图5 总线控制器工作流程图Fig.5 Flow chart ofbus controller working

图6 总线终端工作流程图Fig.6 Flow chartof remote terminal working

总线终端每次向总线控制端返回的遥测数据长度固定，以两个字节为最小传输单元。总线控制端接收终端遥测数据时，总线上指令使能信号维持为低电平，遥测使能信号维持为高电平，且指令使能信号在遥测使能信号置高之前变为低电平，只有当指令使能信号和遥测使能信号同时有效时，总线遥测数据才被认为是有效的，遥测数据要先于在时钟上升沿［9］。

3.5 总线接口电路的选择

总线接口电路属于总线通信的物理层范畴，接口电路主要用于实现总线电平信号的驱动、匹配、发送与接收，总线接口电路设计的优劣决定了总线通信的质量。按照总线设计的基本原则，本文所设计的同步串行总线接口电路基于TTL 标准，包含发送电路和接收电路两部分。

总线发送电路由通用的NPN 型三极管串联组成，能够满足低频信号的传输要求，主要用于指令发送信号的驱动与放大，利用三极管输出截止与饱和特性实现总线高低逻辑电平的输出［6-7］。

总线接收电路主要用于对接收信号电平的匹配和整形，是基于比较器所搭建的迟滞电路，通过采用迟滞比较器对总线上接收的信号进行整形，使信号的上升沿和下降沿变得更陡，满足后级逻辑电路接收的要求。为了提升比较器抗噪声干扰，引入反馈电路，使得比较器输入信号在判别门限电压一定范围内波动时，不会导致比较器输出逻辑的改变，本文设计的总线接收门限为2.4 V，迟滞窗口宽度为±0.45V，使得接收电路在判别门限附近能够抑制电压峰峰值Vpp为0.9V 的干扰源。比较器阈值电压的差值越大，电路的抗干扰能力越强，但灵敏度也随之下降［7］。同时，在比较器电路输入处，设计了由电阻电容组成的低通滤波器，能够有效滤除总线上的高频干扰分量［7，9］。总线接收电路原理如图7所示。

图7 总线接收电路原理示意Fig.7 Bus receiver schematic diagram

4 总线验证与应用

根据第3节的原理设计，本文利用单片机系统、现场可编程门阵列（FPGA）等电路，设计出了总线控制端和总线终端的验证电路，通过单片机、FPGA软件完成对总线控制端和总线终端的行为模拟、工作流程模拟。总线控制端与总线终端验证电路如图8所示。

图8 总线控制端和总线终端验证电路Fig.8 Bus controller and bus remote terminal verification circuit

通过屏蔽电缆将总线控制端电路与30个总线终端电路相连，总线控制端轮询的依次对每个终端电路进行访问，取回终端电路中预存的测试数据，并随机发送总线数据，通过示波器监测总线上的指令数据与遥测数据。利用原理验证电路完成了对总线通信时序、总线传输稳定性、总线带载能力的验证，在24h老练试验过程中，总线在工作速率50kHz的情况下，总线控制端与总线终端的数据通信稳定，总线通信协议能够满足设计要求。

同步串行总线已在某民用通信卫星转发器分系统上得以应用，卫星通过两条同步串行总线共实现整星56路LCAMP的遥测遥控数据传输，每条总线各接入28个终端设备。该同步串行总线的应用，大幅地减少了通信舱电缆的数量，使卫星质量减少约25kg，有效地提升了卫星平台有效载荷承载能力。

5 总线技术应用的影响分析

当前通信卫星发展迅速，卫星用户对卫星的通信容量要求也越来越高，卫星平台采用总线式的标准接口有利于转发器的扩容，增加若干个具备总线接口的终端对于整个卫星平台而言代价很小，同时，总线技术的应用也为通信舱仪器电缆布局带来了极大便利，卫星平台电缆网的质量也得到了大幅优化。本文提出的同步串行总线采用标准的TTL 电平和通用的通信协议，可以推广至转发器分系统的更多单机，与SpaceBus4000平台相仿，星载计算机通过串行总线同时还能实现载荷舱信标机、测控应答机等的数据传输，只要满足总线电气规范及总线通信协议的单机，均可以作为终端设备接入总线，进一步实现载荷舱电缆网数量的精简，提升卫星集成度［9］。

但作为一种新型的技术，在卫星应用时也存在一定的技术风险。同步串行总线将几台或几十台设备连接至一起，如果总线某一处发生断路故障，则总线控制器将失去对从断路点开始的所有终端设备的控制，因此，在系统设计时必须考虑总线电路、总线接口、总线电缆的冗余设计。如果总线某一处发生对结构地短路故障，则总线控制器将失去对总线上所有终端设备的控制，为了保证正常使用，则需要将总线进行冗余切换，必要时还需要对总线进行电气隔离。为实现总线终端的小型化，总线终端最终的逻辑控制电路一般都采用专门定制的ASIC 芯片，其功能复杂，且存在数模混合电路，因此，工艺复杂度高，芯片的系统验证工作也具有一定难度［10］。

6 结束语

本文根据大容量通信卫星的需求，提出了一种适用于转发器分系统单机测控数据传输的同步串行总线，并已在某卫星通信舱上采用，有效地减少了电缆数量，提升了卫星平台的载干比，降低了卫星发射成本，从而提高了卫星的经济效益。针对新技术应用存在的风险，应加强对总线接口可靠性设计、总线通信协议的容错机制的研究，进一步提升总线通信的可靠性。同时，对总线终端所采用ASIC 芯片应加强验证，充分关注在各类环境试验条件下ASIC芯片的功能与性能。

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