一种空间相机的数据通信系统设计

2011-06-03 20:40:23来源: 互联网

在空间相机数据采集应用中,为了满足电路板体积重量以及可扩展性的要求,利用FPGA作为主控芯片,控制相机进行数据采集和传输。在数据通信系统中,FPGA替代了传统的单片机作为CAN总线的主控制器,并给出了详细的硬件电路设计方法。在对CAN协议控制器SJA1000进行功能及时序分析后,利用硬件语言对其通信流程进行设计。实践证明,在严格的时序逻辑下,FPGA能够控制CAN总线稳定正确地对相机数据进行收发。

CAN总线是由ISO定义的串行通信总线,主要用于各种过程检测及控制。它是一种多主总线,具有高位速率和高抗电磁干扰性,而且能够检测出传输中产生的任何错误。显著的优点使得CAN总线成为国际上应用最广泛的现场总线标准之一 [1]。

由于其优良的性能及独特的设计,CAN总线已被广泛地应用于各种分布式控制系统中。特别是由于CAN总线具有抗干扰性强、高数据传输率、低成本等优点,在小卫星和微小卫星中得到了越来越广泛的应用。在卫星有效载荷数据控制传输中也会应用,如空间相机数据通信方面。

1 数据通信系统

一般来说,每个CAN模块能够被分成三个不同的功能块,其结构如图1所示[2]。CAN总线收发器提供CAN协议控制器与物理总线之间的接口,控制从CAN 控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号。它的性能决定了总线接口、总线终端、总线长度和节点数,是影响整个总线网络通信性能的关键因素之一。CAN控制器执行在CAN 规范里规定的CAN协议,它通常用于报文缓冲和验收滤波,对外具有与主控制器和总线收发器的接口。FGPA主控制器负责执行应用的功能,例如对空间CCD相机控制命令的发送、读取图像数据等。它通过对CAN控制器的编程控制CAN总线的工作方式、工作状态以及数据的发送和接收。

 

在本项目的特殊环境要求下,使用FPGA作为主控芯片,控制空间相机进行数据采集与传输,并通过CAN总线进行数据收发。较之传统设计使用的单片机,FPGA能够在速度和体积上有更好的适应性。FPGA一方面减少了电路板的复杂程度,缩短了实现周期,另一方面是FPGA具有丰富的资源、超高的性能和灵活的可编程性[3],提高了整个设备的可靠性,大大增强了电路板设计的灵活性和可扩展性。

2 通信系统接口设计

电路设计如图2所示。SJA1000的AD0~AD7地址数据复用端口、ALE地址锁存端口、读使能信号RD、写使能信号WR、片选CS端口, 均通过双向总线收发器74ALVC164245与FPGA的I/O口相连[4]。这是因为FPGA的3.3 V的LVTTL电平不支持SJA1000的5 V TTL电平,所以利用双向总线收发器实现两器件信号的电平转换。SJA1000的中断输出信号INT连入FPGA,这样CAN通信就可以采用中断或查询两种方式。RST端口的电路实现SJA1000的上电自动复位功能。MODE模式选择端接+5 V,设置SJA1000控制器为Intel模式。SJA1000的时钟晶振采用16 MHz,频率调整电容取15 pF。设计中CAN总线的终端电阻取120Ω[5]。CAN 驱动器PCA82C250的RS脚为工作模式选择位,接地工作于高速模式,接高工作于待机模式。系统通过电阻R将芯片设定于斜率控制模式,电阻值为47 kΩ,这时CAN总线应工作于低速模式,可提高CAN总线抵抗射频干扰的能力。在这种情况下,可直接使用非屏蔽双绞线作为总线[6]。

 

在接口设计中,有几点需要注意:(1)SJA1000的INT端口是开漏输出,所以在使用时应该加上拉电阻,不然电平一直为低,无法实现中断方式。(2)电平信号AD0~AD7必须按顺序连接在总线收发器74ALVC164245的一个8位端口上,不可分开。

3 通信系统软件设计

3.1 系统流程设计

CAN总线通信模块的控制主要包括三大部分:CAN总线节点初始化、报文发送和报文接收。主流程如图3所示。


[1] [2]

关键字:FPGA  空间相机  CAN总线

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0603/article_6005.html
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