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一種空間相機的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計[圖]

發(fā)布: 2011-11-28 19:29 | 作者: | 來源: | 字體: 小中大

相關(guān)專題：芯片

摘要：在空間相機數(shù)據(jù)采集應用中，為了滿足電路板體積重量以及可擴展性的要求，利用FPGA作為主控芯片，控制相機進行數(shù)據(jù)采集和傳輸。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA替代了傳統(tǒng)的單片機作為CAN總線的主控制器，并給出了詳細的硬件電路設(shè)計方法。在對CAN協(xié)議控制器SJA1000進行功能及時序分析后，利用硬件語言對其通信流程進行設(shè)計。實踐證明，在嚴格的時序邏輯下，F(xiàn)PGA能夠控制CAN總線穩(wěn)定正確地對相機數(shù)據(jù)進行收發(fā)。

CAN總線是由ISO定義的串行通信總線,主要用于各種過程檢測及控制。它是一種多主總線，具有高位速率和高抗電磁干擾性,而且能夠檢測出傳輸中產(chǎn)生的任何錯誤。顯著的優(yōu)點使得CAN總線成為國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線標準之一 [1]。

由于其優(yōu)良的性能及獨特的設(shè)計，CAN總線已被廣泛地應用于各種分布式控制系統(tǒng)中。特別是由于CAN總線具有抗干擾性強、高數(shù)據(jù)傳輸率、低成本等優(yōu)點，在小衛(wèi)星和微小衛(wèi)星中得到了越來越廣泛的應用。在衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)控制傳輸中也會應用，如空間相機數(shù)據(jù)通信方面。

1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

一般來說，每個CAN模塊能夠被分成三個不同的功能塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。CAN總線收發(fā)器提供CAN協(xié)議控制器與物理總線之間的接口，控制從CAN 控制器到總線物理層或相反的邏輯電平信號。它的性能決定了總線接口、總線終端、總線長度和節(jié)點數(shù)，是影響整個總線網(wǎng)絡(luò)通信性能的關(guān)鍵因素之一。CAN控制器執(zhí)行在CAN 規(guī)范里規(guī)定的CAN協(xié)議，它通常用于報文緩沖和驗收濾波，對外具有與主控制器和總線收發(fā)器的接口。FGPA主控制器負責執(zhí)行應用的功能，例如對空間CCD相機控制命令的發(fā)送、讀取圖像數(shù)據(jù)等。它通過對CAN控制器的編程控制CAN總線的工作方式、工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

在本項目的特殊環(huán)境要求下，使用FPGA作為主控芯片，控制空間相機進行數(shù)據(jù)采集與傳輸，并通過CAN總線進行數(shù)據(jù)收發(fā)。較之傳統(tǒng)設(shè)計使用的單片機，F(xiàn)PGA能夠在速度和體積上有更好的適應性。FPGA一方面減少了電路板的復雜程度，縮短了實現(xiàn)周期，另一方面是FPGA具有豐富的資源、超高的性能和靈活的可編程性[3]，提高了整個設(shè)備的可靠性，大大增強了電路板設(shè)計的靈活性和可擴展性。

2 通信系統(tǒng)接口設(shè)計

電路設(shè)計如圖2所示。SJA1000的AD0~AD7地址數(shù)據(jù)復用端口、ALE地址鎖存端口、讀使能信號RD、寫使能信號WR、片選CS端口, 均通過雙向總線收發(fā)器74ALVC164245與FPGA的I/O口相連[4]。這是因為FPGA的3.3 V的LVTTL電平不支持SJA1000的5 V TTL電平，所以利用雙向總線收發(fā)器實現(xiàn)兩器件信號的電平轉(zhuǎn)換。SJA1000的中斷輸出信號INT連入FPGA，這樣CAN通信就可以采用中斷或查詢兩種方式。RST端口的電路實現(xiàn)SJA1000的上電自動復位功能。MODE模式選擇端接+5 V，設(shè)置SJA1000控制器為Intel模式。SJA1000的時鐘晶振采用16 MHz,頻率調(diào)整電容取15 pF。設(shè)計中CAN總線的終端電阻取120Ω[5]。CAN 驅(qū)動器PCA82C250的RS腳為工作模式選擇位，接地工作于高速模式，接高工作于待機模式。系統(tǒng)通過電阻R將芯片設(shè)定于斜率控制模式，電阻值為47 kΩ，這時CAN總線應工作于低速模式，可提高CAN總線抵抗射頻干擾的能力。在這種情況下，可直接使用非屏蔽雙絞線作為總線[6]。