0 引言

　　隨著航天事業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星所擔(dān)負(fù)的任務(wù)越來越復(fù)雜和多樣化，衛(wèi)星內(nèi)部有效載荷設(shè)備不斷增多，所需體積和重量不斷增加，如何降低衛(wèi)星本體的重量引起人們的關(guān)注。

　　上世紀(jì)90年代末，INTA提出了OWLs(Optical Wireless Links)星內(nèi)光無線總線的概念[1]，將LED（Light Emitting Diode）應(yīng)用于星內(nèi)通信總線，解決了衛(wèi)星通信測控線纜組件所占的重量、體積過大的問題,同時(shí)，在一定程度上可以解決某些設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛇_(dá)性問題。2000～2004年ESA進(jìn)行了飛行驗(yàn)證件的研制及地面驗(yàn)證試驗(yàn)，2004年發(fā)射應(yīng)用光無線通信技術(shù)的衛(wèi)星NANOSAT-01，驗(yàn)證了光無線通信在軌應(yīng)用可行性[2]。2007年發(fā)射的FOTON-M3衛(wèi)星[3]證實(shí)了星內(nèi)光無線CAN總線應(yīng)用的有效性，為之后星內(nèi)無線通信的研究奠定了基礎(chǔ)。2010年 INTA發(fā)射了全光通信試驗(yàn)衛(wèi)星OPTOS，作為OWLS研發(fā)的終期階段[4]。近年來，國內(nèi)包括上海微小衛(wèi)星工程中心、中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、大連理工大學(xué)等多家單位對星內(nèi)光無線通信進(jìn)行了相關(guān)的研究，如表1所示[5-8]。近幾年國內(nèi)外的地面LED光無線通信的發(fā)展情況如表2所示[9-14]。

　　本文選用可滿足星載要求的器件，采用盡可能降低系統(tǒng)功耗的短脈沖調(diào)制方法，利用紅外(820 nm～880 nm)LED和可見光(515 nm～535 nm)LED實(shí)現(xiàn)了光無線CAN通信系統(tǒng)。

1 星內(nèi)光無線通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　所實(shí)現(xiàn)LED光無線CAN通信系統(tǒng)構(gòu)成如圖1(a)所示。MCU發(fā)送的信號(hào)進(jìn)入CAN控制器，通過CAN控制器的TX端口發(fā)送信號(hào)到FPGA，經(jīng)過FPGA的調(diào)制，形成短脈沖信號(hào)，短脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)送電路中的LED發(fā)光；經(jīng)過漫反射后的光信號(hào)被接收電路的光電二極管(Photodiode，PD)接收，經(jīng)過后續(xù)接收電路中的接收、前置放大、濾波、多級放大等調(diào)理電路形成短脈沖信號(hào)；該信號(hào)再經(jīng)過FPGA的解調(diào)恢復(fù)到電平信號(hào)，經(jīng)過RX端口送到CAN控制器，經(jīng)過CAN控制器處理再發(fā)送到MCU。

　　LED光無線CAN通信系統(tǒng)主要MCU、CAN控制器、FPGA、發(fā)送接收電路和LED/PD等構(gòu)成。如圖1(b)有線CAN通信系統(tǒng)主要由MCU、CAN控制器、收發(fā)器和電纜四個(gè)部分組成。由圖1(a)LED光無線CAN通信系統(tǒng)構(gòu)成框圖(b)有線CAN通信系統(tǒng)構(gòu)成框圖，可知LED光無線CAN通信與有線CAN通信的區(qū)別主要為：

　　(1)信號(hào)傳輸介質(zhì)不同。有線CAN通信主要通過電纜傳輸差分信號(hào)實(shí)現(xiàn)CAN通信；LED無線CAN通信主要通過無線光信號(hào)實(shí)現(xiàn)CAN通信。

　　(2)收發(fā)器不同。有線CAN通信的收發(fā)器功能是通過特定的接口芯片實(shí)現(xiàn)的，提供對總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能；LED光無線CAN通信的收發(fā)器功能是由LED/PD等構(gòu)成的光發(fā)送電路和接收電路實(shí)現(xiàn)的。

　　所實(shí)現(xiàn)光無線CAN通信系統(tǒng)的MCU采用了C8051F040，通過C8051F040 內(nèi)部的CAN控制器實(shí)現(xiàn)對CAN通信系統(tǒng)的控制。采用了ACTEL公司基于Flash Pro ASIC Plus系列中具有60萬門的APA600，該系統(tǒng)FPGA具有高容量、高性能和低功耗等特點(diǎn)。

　　1.1 光發(fā)送電路

　　MCU（C8051F040）內(nèi)部的CAN控制器通過TX引腳發(fā)送信號(hào)，經(jīng)過FPGA的雙邊沿檢測調(diào)制產(chǎn)生了短脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)芯片DS75452驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

　　如圖3所示，F(xiàn)PGA_IN為MCU發(fā)送給FPGA的輸入信號(hào)，經(jīng)過FPGA的調(diào)制，輸出FPGA_OUT。FPGA_OUT輸入到DS75452中，輸出信號(hào)為LED_DRIVER。如圖2所示的電路圖，當(dāng)LED_DRIVER為高電平時(shí)，LED截止，不發(fā)光；當(dāng)LED_DRIVER為低電平時(shí)，LED導(dǎo)通發(fā)光，通過LED的“亮”和“滅”來實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)傳輸。

　　1.2 光接收電路

　　光接收電路的主要任務(wù)是以最小的附加噪聲和失真恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔?。所設(shè)計(jì)的光接收電路如圖4所示，光電探測器PD將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱電信號(hào)，經(jīng)過前置放大電路放大、有源濾波電路濾波和多級放大、比較器限幅，恢復(fù)出短脈沖信號(hào)，輸出給FPGA進(jìn)行解調(diào)。接收系統(tǒng)中PD、放大器的選擇主要考慮了星載可行性、高頻特性、噪聲特性、輸入阻抗特性等方面。

　　如圖5所示，信號(hào)1為發(fā)送端輸入到FPGA的源信號(hào)，信號(hào)2是經(jīng)過光漫反射傳輸后由光接收電路處理和FPGA解調(diào)恢復(fù)出來的信號(hào)，信號(hào)3是經(jīng)過前置放大、有源濾波、多級放大恢復(fù)出來的脈沖信號(hào)，信號(hào)4是信號(hào)3被比較限幅之后的信號(hào)。信號(hào)4輸入到FPGA進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，輸出信號(hào)2。

2 星內(nèi)光無線CAN通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件的設(shè)計(jì)主要包括CAN通信程序設(shè)計(jì)、FPGA信號(hào)處理程序設(shè)計(jì)，分別采用C語言實(shí)現(xiàn)與Verilog語言實(shí)現(xiàn)。

　　2.1 CAN通信程序設(shè)計(jì)

　　C8051F040器件中的CAN控制器是Bosch全功能CAN模塊的完全實(shí)現(xiàn)，完全符合CAN2.0B。C8051F040通過特殊功能寄存器直接訪問CAN控制器中的CAN控制寄存器(CANOCN)、CAN測試寄存器(CANOTST)和CAN狀態(tài)寄存器(CANOSAT)，所有其他寄存器都是通過間接的訪問完成的。

　　C8051F040的CAN通信程序設(shè)計(jì)主要包括主程序初始化和中斷服務(wù)程序。如圖6流程圖所示，主程序初始化主要包括I/O配置、清除消息RAM、發(fā)送接收函數(shù)初始化、開啟CAN中斷使能、CAN初始化、開中斷等。經(jīng)過主程序初始化，當(dāng)中斷到來時(shí)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，先讀取狀態(tài)寄存器，若為接收中斷，重置狀態(tài)寄存器，執(zhí)行接收函數(shù)；若為發(fā)送中斷，重置狀態(tài)寄存器，執(zhí)行發(fā)送函數(shù)；若為錯(cuò)誤中斷，重置狀態(tài)寄存器，執(zhí)行錯(cuò)誤中斷處理，返回主程序。

　　C8051F040有64 KB的Flash程序存儲(chǔ)器空間、256 B片內(nèi)RAM和4 KB片內(nèi)XRAM。其中，片內(nèi)256 B RAM為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，片內(nèi)4 KB的XRAM作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）可以訪問。

　　文章利用CAN控制器把一個(gè)節(jié)點(diǎn)XRAM的數(shù)據(jù)讀取出來，再通過光無線CAN通信發(fā)送到另一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的XRAM中。相關(guān)的寄存器按照如下設(shè)置：

　　EMI0CF=0x00; EMI0TC=0x2c;

　　PRTSEL=0;//選擇底端口

　　EMD2=0;//工作在地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式

　　EMD1-0=00;//只用內(nèi)部存儲(chǔ)器

　　EALE11-0=00;//ALE脈沖寬度選擇一個(gè)SYSCLK周期

　　EAS1-0=00;//EMIF地址建立時(shí)間為0個(gè)周期

　　EWR3-0=1011;//WR和/RD選擇12個(gè)SYSTEM，

　　EAH1-0EMIF 地址保持時(shí)間位為0個(gè)SYSTEM

　　發(fā)送和接收數(shù)據(jù)數(shù)組定義格式為：

　　xdata uchar rdata[8];//接收數(shù)據(jù)

　　xdata uchar sdata[8] ={0x00,0x11,0x22,0x33,0x44,0x55,0x66,0x77};//發(fā)送數(shù)據(jù)

　　2.2 FPGA程序設(shè)計(jì)

　　FPGA程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采用固定寬度的窄脈沖來指示CAN總線信號(hào)的邊緣，接收端接收脈沖并恢復(fù)CAN總線信號(hào)，不同于OOK調(diào)制，也不同于PPM調(diào)制方式。

　　調(diào)制信號(hào)過程為：在信號(hào)的“上升沿”、“下降沿”分別生成一個(gè)短脈沖信號(hào)，也即用雙邊沿檢測的方法來檢測每一個(gè)上升沿和下降沿。雙邊沿檢測的Verilog程序設(shè)計(jì)原理為：設(shè)置一個(gè)D觸發(fā)器，如果當(dāng)前時(shí)刻采到的樣本與上一個(gè)時(shí)刻采到的樣本不一致，則邊沿有變化，否則沒有。如果檢測到有變化，那么輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖剿掷m(xù)的時(shí)間為所實(shí)現(xiàn)通信速率設(shè)定的時(shí)間，如圖7所示信號(hào)1是輸入FPGA的電平信號(hào)，經(jīng)過雙邊沿檢測，形成短脈沖信號(hào)2。部分代碼如圖8所示。

　　信號(hào)的解調(diào)是通過電平翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。電平翻轉(zhuǎn)的Verilog程序設(shè)計(jì)原理為：檢測輸入信號(hào)的上升沿，如果此時(shí)刻為1，并且上一時(shí)刻為0，那么檢測到一個(gè)上升沿，輸出電平翻轉(zhuǎn)，檢測到上升沿次數(shù)等于電平翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如圖7所示，信號(hào)3為FPGA信號(hào)解調(diào)的輸入信號(hào)，每次檢測到短脈沖的上升沿，那么輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)4，其中信號(hào)1為使得LED發(fā)光的源信號(hào)，信號(hào)4為經(jīng)過FPGA恢復(fù)出來的信號(hào)。FPGA解調(diào)信號(hào)代碼如圖9所示。

3 星內(nèi)光無線通信系統(tǒng)驗(yàn)證

　　驗(yàn)證過程采用兩套電路板搭建了基于LED的光無線CAN通信系統(tǒng)，過程中分別采用了紅外和可見LED，在設(shè)備漫反射通信設(shè)備間距為0.5 m。通信速率最高設(shè)定為100 kb/s。圖10為發(fā)送節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)各單次發(fā)送和接收的8 B數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

　　本文描述了基于紅外或可見LED的光無線CAN通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證情況。最終所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可進(jìn)行設(shè)備間距為0.5 m時(shí)的漫反射方式通信，所試驗(yàn)最高通信速率為100 kb/s。

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