馮曉雪，朱振才，陳宏宇，常亮

（1.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心上海201203）

基于ZigBee技術的微納衛(wèi)星無線星地通信系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

馮曉雪1，2，朱振才2，陳宏宇2，常亮1，2

（1.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心上海201203）

基于ZigBee技術的微納衛(wèi)星無線星地通信系統(tǒng)具有體積小、重量輕、能耗低和成本低等優(yōu)點，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的衛(wèi)星地面有線通信系統(tǒng)，有著廣闊的應用前景。提出一種基于ZigBee技術的微納衛(wèi)星無線星地通信系統(tǒng)硬件應用方案，并對星上ZigBee無線模塊、星上CAN總線通信模塊和地面無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的結構和原理進行了詳細的闡述。文章提出的硬件設計方案可以實現(xiàn)多顆待測微納衛(wèi)星與地面監(jiān)測設備組網(wǎng)通信，進行批量化、智能化、高效率地面測試工作，有利于降低衛(wèi)星地面通信系統(tǒng)開發(fā)成本，可靠性高并且有較好的實用性。

微納衛(wèi)星；無線通信；地面測試

自20世紀80年代以來，隨著信息技術與小型化技術的飛速發(fā)展與應用，傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制技術出現(xiàn)了革命性的飛躍。其中一個重要發(fā)展趨勢是衛(wèi)星小型化［1］，并采取一箭多星的發(fā)射方式，提高運載資源利用率。

無論是衛(wèi)星研制過程中的單獨測試，還是裝星到運載火箭的發(fā)射前塔架測試，都需要星地通信系統(tǒng)為星務系統(tǒng)與地面監(jiān)測設備之間提供可靠的雙工通信鏈路，保證數(shù)據(jù)與指令可靠地傳輸。傳統(tǒng)方案采用八十到數(shù)百米電纜、各種機械手動和繼電器開關，各模塊放置分散，體積龐大，功能密度低［2］。若繼承傳統(tǒng)大衛(wèi)星測試方案，首先，現(xiàn)代微納衛(wèi)星進行批量化生產(chǎn)和測試，需在不同微納衛(wèi)星測試接口間進行多次手動插拔，對產(chǎn)品的安全性和通信的可靠性會造成不良影響，其次，對于意見多星發(fā)射，在發(fā)射前，每顆衛(wèi)星從運載整流罩內(nèi)引出測試電纜室不現(xiàn)實的。利用無線通信技術可以解決這一問題，以保證批量化衛(wèi)星測試安全穩(wěn)定地進行?？紤]到微納衛(wèi)星星務系統(tǒng)與地面監(jiān)測系統(tǒng)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率低，對功耗要求高，要求通信系統(tǒng)具有成本低、功耗小，可容納多設備等特點。利用ZigBee無線技術可以取代傳統(tǒng)的星地有線通信系統(tǒng)，簡化星箭接口。另外，ZigBee設備具有能量和鏈路質(zhì)量檢測能力，根據(jù)這些檢測結果，設備可自動調(diào)整設備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設備能量［3］。有利于地面通信系統(tǒng)通用化、規(guī)范化，降低衛(wèi)星地面通信系統(tǒng)開發(fā)成本。

1　系統(tǒng)綜述

文中以中科院某型號高光譜微納遙感衛(wèi)星為應用背景，結合任務要求，設計基于ZigBee技術的微納衛(wèi)星星地無線通信系統(tǒng)，以滿足各項功能與性能指標，并提高微納衛(wèi)星的測試效率［4］。

高光譜微納衛(wèi)星的星務綜合電子系統(tǒng)采用CAN總線將各個單機分系統(tǒng)連接在一起，地面測試階段需要無間斷監(jiān)聽CAN總線上指令與數(shù)據(jù)，獲得各個單機分系統(tǒng)的工作狀態(tài)與指令信息。為實現(xiàn)星地雙向通信，微納衛(wèi)星地面無線通信系統(tǒng)的硬件架構如圖1所示。主要包括星上CAN協(xié)議轉ZigBee模塊（簡稱星上模塊）和地面ZigBee轉串口模塊（簡稱地面模塊）兩個部分。其中，星上模塊的功能要求為：1）具備與星務系統(tǒng)CAN總線通信的能力［5］；2）實現(xiàn)CAN協(xié)議與ZigBee協(xié)議轉換；3）實現(xiàn)與地面模塊半雙工射頻可靠通信；4）地面模塊的功能要求為；5）具備與地面監(jiān)測系統(tǒng)的串口通信能力；6）實時監(jiān)測無線信道質(zhì)量和報警。

圖1　微納衛(wèi)星星地無線通信系統(tǒng)架構圖

2　硬件設計

2.1星上CAN協(xié)議轉ZigBee模塊設計

星上CAN協(xié)議轉ZigBee模塊功能為監(jiān)聽星上CAN總線網(wǎng)絡狀態(tài)，連接星上系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡和ZigBee無線網(wǎng)絡，使星上CAN總線網(wǎng)絡與ZigBee網(wǎng)絡無縫、實時互聯(lián)。保證數(shù)據(jù)和指令可靠、穩(wěn)定低成本的雙向無線傳輸，模塊組成如圖2所示。

圖2　星上模塊組成框圖

本硬件方案的設計核心是微處理器芯片的選擇，對數(shù)據(jù)實現(xiàn)ZigBee協(xié)議和CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包轉換。設計采用了TI公司推出的CC2530片上系統(tǒng)芯片，將一個高性能的RF無線收發(fā)器和一個增強型的8051微處理器集成到一塊芯片上，并集成單片機、ADC、無線通信模塊，多個通用I/O接口，提高了單片機與無線通信模塊組合時的可靠性、靈活性和擴展性［6］，同時也減小了節(jié)點的體積與質(zhì)量。不僅如此，CC2530芯片具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗，使模塊使用壽命得以增強。CC2530的主要外圍電路如圖3所示。

晶振電路為CC2530芯片提供系統(tǒng)時鐘。ZigBee協(xié)議棧有兩種工作模式，睡眠和工作模式分別以低頻晶振Y2（32.768kHz）和高頻晶振Y1（32 MHz）為系統(tǒng)時鐘。低頻晶振是確保芯片睡眠時關閉部分內(nèi)部電路，減少芯片的功耗，并以極低的頻率工作。ZigBee協(xié)議棧工作模式時鐘頻率至少在CAN協(xié)議的時鐘頻率兩倍以上。

天線設置在PCB板的側面上，即板載天線，天線連接PCB板的發(fā)射機功放端。板載天線的設計方式使模塊結構更加小型化。

由于CC2530芯片沒有集成CAN控制器，本設計選用了帶有SPI接口的獨立CAN控制器MCP2515。MCP2515是Microchip公司推出的具有SPI接口的獨立CAN控制器。它完全支持CAN V2.0B技術規(guī)范，通信速率最高達1 Mbps，內(nèi)含3個發(fā)送緩沖器、2個接收緩沖器；SPI接口時鐘頻率最高可達10 MHz，方便與CC2530連接。支持休眠模式，休眠模式下待機電流低至A級。

圖3CC2530外圍電路圖

CC2530微控制器負責初始化MCP2515和控制MCP2515監(jiān)聽星務綜合電子系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡［7］以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，在CAN總線通信接口電路中，采用SN65HVD234作為CAN總線驅(qū)動器。由于MCP2515芯片有特定SPI讀寫時序，時序如圖4所示。所以配置主控芯片CC2530的GPIO口，模擬產(chǎn)生MCP2515所需SPI讀寫時序。

MCP2515的外圍CAN總線接口電路如圖5所示，省略了MCP2515和CC2530的接口部分。其中，在CAN總線收發(fā)器的CANH和CANL引腳與地之間連接的2個47 pF的電容目的是過濾CAN總線上高頻干擾。

2.2地面ZigBee轉RS232模塊設計

地面ZigBee轉RS232模塊主要實現(xiàn)與地面檢測系統(tǒng)前端機PC之間的實時可靠數(shù)據(jù)透明傳輸。地面測試系統(tǒng)接收到串口數(shù)據(jù)后對星務CAN數(shù)據(jù)包進行解析，發(fā)送到衛(wèi)星遙控遙測單機模塊進行處理。

該模塊主要由ZigBee無線射頻模塊、串口連接電路和電源組成，通過ZigBee協(xié)議實現(xiàn)對串口數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)經(jīng)過串口連接電路進行電平轉換。由主控芯片CC2530控制ZigBee射頻模塊進行無線發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是發(fā)送數(shù)據(jù)的逆過程。依據(jù)設計要求及設計的方法和思路，基于ZigBee協(xié)議的無線串口通信系統(tǒng)組成如圖6所示。

芯片CC2530的P0.2和P0.3是串口通信接口。該模塊連接RS232電平轉換收發(fā)器，實現(xiàn)與PC機的有線數(shù)據(jù)通信，最高波特率為115 200 bps。

圖6　地面轉換模塊結構圖

2.3方案測試總結

與此硬件方案匹配的軟件開發(fā)環(huán)境為IAR8.2.0，集成了GCC編譯器，通過CC Debugger JTAG口對CC2530進行下載與調(diào)試。ZigBee協(xié)議棧版本為ZStack-CC2530-2.5.1a。

模塊若距離地面高度1～2m，傳輸距離可達到100～200m。當模塊距離地面較近或者靠近金屬屏蔽物，天線發(fā)出的電磁波被等勢體大幅衰減，傳輸距離降至10～20m。系統(tǒng)采用3.3V供電電壓，其他測試參數(shù)典型值為，發(fā)射功率3.5 dBm，平均電流27 mA，發(fā)射峰值電流53 mA。

考慮到微納衛(wèi)星塔架測試階段，衛(wèi)星需要安裝在金屬整流罩內(nèi)，整流罩需要根據(jù)ZigBee模塊上的板載天線輻射角度為其預留合適尺寸的天窗，會對無線信號強度造成一定影響。

圖4SP2輸入輸出時序圖

圖5CAN總線通信模塊電路圖

3　結束語

文中的設計創(chuàng)新點在于提出了基于ZigBee技術的微納衛(wèi)星無線星地通信方案，與傳統(tǒng)的脫插電纜有線方案相比，實現(xiàn)衛(wèi)星與地面設備無測試電纜的信息聯(lián)系，有效解決一箭多星數(shù)據(jù)信道路數(shù)受限問題，本設計通過SPI總線，連接無線模塊和CAN總線網(wǎng)絡模塊，電路設計簡單，降低微納衛(wèi)星發(fā)射成本，有利于實現(xiàn)安全的批量化微納衛(wèi)星測試。

［1］林來興.現(xiàn)代小衛(wèi)星與納衛(wèi)星技術發(fā)展（2）［J］.國際太空.2002（9）：27.

［2］黃艷華.微小衛(wèi)星地面綜合測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.長春：吉林大學，2007.

［3］王銳華，益曉新，于全.ZigBee與Bluetooth的比較及共存分析［J］.測控技術.2005（6）.2

［4］王志勇.構建基于小衛(wèi)星的自動化綜合測試系統(tǒng)［D］.西安：西安電子科技大學，2006.

［5］張弛，基于ZigBee和CAN總線的無線網(wǎng)關設計［D］.天津：天津大學，2010.

［6］CC253x System-on-Chip Solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4 andZigBeeApplicationsUser'sGuide［S］.Texas:Texas Instruments，Inc，2009.

［7］童亮.基于CAN總線的車用智能傳感器系統(tǒng)設計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（1）:90-92.

The hardware design and realization of wireless satellite-ground communication system based on ZigBee technology for nano-satellites

FENG Xiao-xue1，2，ZHU Zhen-cai2，CHEN Hong-yu2，CHANG Liang1，2
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information technology，Chinese Academy of Science，Shanghai 200050；2.Shanghai Engineering Center for Micro-satellite，Shanghai 201203）

Wireless satellite-groundcommunication system based on ZigBee technology has the advantages of low weight and volume，low energy consumption，low cost，and it can replace conventional wire ground communication system with cable，whichhas a wide prospect of application nano-satellites.We put forward the hardware design schemeofnano satellite's wireless communication system，and expatiate on the structure and principle of ZigBee wireless moduleand CAN-bus communication moduleon the satellite，wireless data transmission module on the ground.The hardware design scheme proposed in this paper can realize network communication between satellites and ground test system.It is proved that the system helps the intellectualization and networking of ground testing forsatellites and shortening their design cycle.It has very well practicability.

nano-satellite；wireless communication；ground test

TN99

A

1674－6236（2016）17-0135-04

2015-09-07稿件編號：201509050

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA04040201）

馮曉雪（1992—），女，山東臨清人，碩士研究生。研究方向：微納衛(wèi)星通信技術。