基于LED的星內光無線CAN通信系統的設計

杜 蓉，李慧軍，劉瑞鵬，賈文遠

（1.中國科學院大學，北京100190；2.中國科學院空間科學與應用研究中心，北京100190）

基于LED的星內光無線CAN通信系統的設計

杜 蓉1，2，李慧軍2，劉瑞鵬2，賈文遠1，2

（1.中國科學院大學，北京100190；2.中國科學院空間科學與應用研究中心，北京100190）

描述了一個利用LED實現的星內光無線CAN通信系統。通過光收發電路代替有線CAN通信的收發器部分，實現了基于LED的光無線CAN通信。所實現系統在器件選用、功耗等方面盡可能考慮了在軌應用可行性。實驗結果表明，所實現基于LED的星內光無線CAN通信系統在漫反射通信狀態設備間距離為0.5 m時，通信速率最高可達100 kb/s，可應用于衛星內部特定載荷之間的 CAN通信。

LED；無線通信；CAN；星內

0 引言

隨著航天事業的發展和科學技術的進步，衛星所擔負的任務越來越復雜和多樣化，衛星內部有效載荷設備不斷增多，所需體積和重量不斷增加，如何降低衛星本體的重量引起人們的關注。

上世紀90年代末，INTA提出了OWLs(Optical Wireless Links)星內光無線總線的概念[1]，將 LED（Light Emitting Diode）應用于星內通信總線，解決了衛星通信測控線纜組件所占的重量、體積過大的問題,同時，在一定程度上可以解決某些設備數據傳輸的可達性問題。2000～2004年ESA進行了飛行驗證件的研制及地面驗證試驗，2004年發射應用光無線通信技術的衛星NANOSAT-01，驗證了光無線通信在軌應用可行性[2]。2007年發射的FOTONM3衛星[3]證實了星內光無線 CAN總線應用的有效性，為之后星內無線通信的研究奠定了基礎。2010年 INTA發射了全光通信試驗衛星OPTOS，作為OWLS研發的終期階段[4]。近年來，國內包括上海微小衛星工程中心、中科院微系統與信息技術研究所、大連理工大學等多家單位對星內光無線通信進行了相關的研究，如表1所示[5-8]。近幾年國內外的地面LED光無線通信的發展情況如表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功耗的短脈沖調制方法，利用紅外(820 nm～880 nm) LED和可見光(515 nm～535 nm)LED實現了光無線 CAN

通信系統。

表1 國內星內光無線通信發展狀況

表2 近幾年國內外地面LED光無線通信發展狀況

1 星內光無線通信系統的硬件設計

所實現LED光無線CAN通信系統構成如圖1(a)所示。MCU發送的信號進入CAN控制器，通過CAN控制器的TX端口發送信號到FPGA，經過FPGA的調制，形成短脈沖信號，短脈沖信號驅動發送電路中的LED發光；經過漫反射后的光信號被接收電路的光電二極管(Photodiode，PD)接收，經過后續接收電路中的接收、前置放大、濾波、多級放大等調理電路形成短脈沖信號；該信號再經過FPGA的解調恢復到電平信號，經過RX端口送到CAN控制器，經過CAN控制器處理再發送到MCU。

LED光無線CAN通信系統主要MCU、CAN控制器、FPGA、發送接收電路和LED/PD等構成。如圖1(b)有線CAN通信系統主要由MCU、CAN控制器、收發器和電纜四個部分組成。由圖1(a)LED光無線CAN通信系統構成框圖(b)有線CAN通信系統構成框圖，可知LED光無線CAN通信與有線CAN通信的區別主要為：

圖1 CAN通信設備構成圖

(1)信號傳輸介質不同。有線 CAN通信主要通過電纜傳輸差分信號實現CAN通信；LED無線CAN通信主要通過無線光信號實現CAN通信。

(2)收發器不同。有線CAN通信的收發器功能是通過特定的接口芯片實現的，提供對總線的差動發送和接收功能；LED光無線CAN通信的收發器功能是由LED/ PD等構成的光發送電路和接收電路實現的。

所實現光無線CAN通信系統的MCU采用了C8051F040，通過C8051F040內部的CAN控制器實現對

CAN通信系統的控制。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FPGA具有高容量、高性能和低功耗等特點。

1.1 光發送電路

MCU（C8051F040）內部的 CAN控制器通過 TX引腳發送信號，經過FPGA的雙邊沿檢測調制產生了短脈沖信號，通過驅動芯片DS75452驅動LED發光。驅動電路如圖2所示。

圖2 發射電路的電路原理圖

如圖3所示，FPGA_IN為MCU發送給FPGA的輸入信號，經過FPGA的調制，輸出FPGA_OUT。FPGA_OUT輸入到DS75452中，輸出信號為LED_DRIVER。如圖2所示的電路圖，當LED_DRIVER為高電平時，LED截止，不發光；當LED_DRIVER為低電平時，LED導通發光，通過LED的“亮”和“滅”來實現脈沖信號傳輸。

圖3 發送電路信號示意圖

1.2 光接收電路

光接收電路的主要任務是以最小的附加噪聲和失真恢復出所傳輸的信息。所設計的光接收電路如圖4所示，光電探測器PD將接收到的光信號轉換成微弱電信號，經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，恢復出短脈沖信號，輸出給 FPGA進行解調。接收系統中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。

圖4 接收電路的模塊設計

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

圖5 光傳輸過程發送信號、接收信號示意圖

2 星內光無線CAN通信系統的軟件設計

軟件的設計主要包括CAN通信程序設計、FPGA信號處理程序設計，分別采用 C語言實現與 Verilog語言實現。

2.1 CAN通信程序設計

C8051F040器件中的 CAN控制器是 Bosch全功能CAN模塊的完全實現，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通信程序設計主要包括主程序初始化和中斷服務程序。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、發送接收函數初始化、開啟CAN中斷使能、CAN初始化、開中斷等。經過主程序初始化，當中斷到來時，執行中斷服務程序，先讀取狀態寄存器，若為接收中斷，重置狀態寄存器，執行接收函數；若為發送中斷，重置狀態寄存器，執行發送函數；若為錯誤中斷，重置狀態寄存器，執行錯誤中斷處理，返回主程序。

圖6 C8051F040實現CAN通信的程序流程圖

C8051F040有64 KB的Flash程序存儲器空間、256 B片內RAM和4 KB片內XRAM。其中，片內256 B RAM為內部數據存儲器，片內4 KB的XRAM作為外部數據存儲器，通過外部存儲器接口（EMIF）可以訪問。

文章利用CAN控制器把一個節點XRAM的數據讀取出來，再通過光無線CAN通信發送到另一個CAN節點的XRAM中。相關的寄存器按照如下設置：

2.2 FPGA程序設計

FPGA程序設計實現采用固定寬度的窄脈沖來指示CAN總線信號的邊緣，接收端接收脈沖并恢復CAN總線信號，不同于OOK調制，也不同于PPM調制方式。

調制信號過程為：在信號的“上升沿”、“下降沿”分別生成一個短脈沖信號，也即用雙邊沿檢測的方法來檢測每一個上升沿和下降沿。雙邊沿檢測的 Verilog程序設計原理為：設置一個D觸發器，如果當前時刻采到的樣本與上一個時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，那么輸出信號變為高電平所持續的時間為所實現通信速率設定的時間，如圖7所示信號1是輸入FPGA的電平信號，經過雙邊沿檢測，形成短脈沖信號2。部分代碼如圖8所示。

圖7 FPGA的信號調制與解調部分的在示波器上的圖形

信號的解調是通過電平翻轉來實現的。電平翻轉的Verilog程序設計原理為：檢測輸入信號的上升沿，如果此時刻為1，并且上一時刻為0，那么檢測到一個上升沿，輸出電平翻轉，檢測到上升沿次數等于電平翻轉次數。如圖7所示，信號3為FPGA信號解調的輸入信號，每次檢測到短脈沖的上升沿，那么輸出信號就會發生電平翻轉，輸出信號4，其中信號1為使得LED發光的源信號，信號4為經過FPGA恢復出來的信號。FPGA解調信號代碼如圖9所示。

圖8 FPGA調制信號Verilog代碼

圖9 FPGA解調信號Verilog代碼

3 星內光無線通信系統驗證

驗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，過程中分別采用了紅外和可見 LED，在設備漫反射通信設備間距為0.5 m。通信速率最高設定為100 kb/s。圖10為發送節點、接收節點各單次發送和接收的8 B數據。

圖10 發送和接收數據的界面顯示

4 結論

本文描述了基于紅外或可見LED的光無線CAN通信系統設計及驗證情況。最終所實現系統可進行設備間距為0.5 m時的漫反射方式通信，所試驗最高通信速率為100 kb/s。

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Design of optical wireless communication system based on LED

Du Rong1，2，Li Huijun2，Liu Ruipeng2，Jia Wenyuan1，2
(1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Center for Space Science and Applied Research of The Chinese Academy of Sciences Department of Space Technology，Beijing 100190，China)

In the paper,an intra-satellite optical wireless communication system based on LED is proposed.To achieve the function of optical wireless communication,the system uses the circuit of light receiver and transceiver instead of the transceiver chip.The system makes the choice of the devices and reduces the power consumption,considering the feasibility of the application of satellite in orbit as much as possible.The experiment results show that the speed of the system is up to 100 kb/s,when the distance between the two devices is 0.5 m.The system can be used in the intra-satellite wireless CAN communication between the specific equipments.

LED；wireless communication；CAN；intra-satellite

TN927+.3

A

0258-7998(2015)04-0020-05

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.002

2014-12-02)

杜蓉（1987-），女，碩士研究生，主要研究方向：星內光無線通信技術。