基于LED的星内光无线CAN通信系统的设计

杜 蓉，李慧军，刘瑞鹏，贾文远

（1.中国科学院大学，北京100190；2.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190）

基于LED的星内光无线CAN通信系统的设计

杜 蓉1，2，李慧军2，刘瑞鹏2，贾文远1，2

（1.中国科学院大学，北京100190；2.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190）

描述了一个利用LED实现的星内光无线CAN通信系统。通过光收发电路代替有线CAN通信的收发器部分，实现了基于LED的光无线CAN通信。所实现系统在器件选用、功耗等方面尽可能考虑了在轨应用可行性。实验结果表明，所实现基于LED的星内光无线CAN通信系统在漫反射通信状态设备间距离为0.5 m时，通信速率最高可达100 kb/s，可应用于卫星内部特定载荷之间的 CAN通信。

LED；无线通信；CAN；星内

0 引言

随着航天事业的发展和科学技术的进步，卫星所担负的任务越来越复杂和多样化，卫星内部有效载荷设备不断增多，所需体积和重量不断增加，如何降低卫星本体的重量引起人们的关注。

上世纪90年代末，INTA提出了OWLs(Optical Wireless Links)星内光无线总线的概念[1]，将 LED（Light Emitting Diode）应用于星内通信总线，解决了卫星通信测控线缆组件所占的重量、体积过大的问题,同时，在一定程度上可以解决某些设备数据传输的可达性问题。2000～2004年ESA进行了飞行验证件的研制及地面验证试验，2004年发射应用光无线通信技术的卫星NANOSAT-01，验证了光无线通信在轨应用可行性[2]。2007年发射的FOTONM3卫星[3]证实了星内光无线 CAN总线应用的有效性，为之后星内无线通信的研究奠定了基础。2010年 INTA发射了全光通信试验卫星OPTOS，作为OWLS研发的终期阶段[4]。近年来，国内包括上海微小卫星工程中心、中科院微系统与信息技术研究所、大连理工大学等多家单位对星内光无线通信进行了相关的研究，如表1所示[5-8]。近几年国内外的地面LED光无线通信的发展情况如表2所示[9-14]。

本文选用可满足星载要求的器件，采用尽可能降低系统功耗的短脉冲调制方法，利用红外(820 nm～880 nm) LED和可见光(515 nm～535 nm)LED实现了光无线 CAN

通信系统。

表1 国内星内光无线通信发展状况

表2 近几年国内外地面LED光无线通信发展状况

1 星内光无线通信系统的硬件设计

所实现LED光无线CAN通信系统构成如图1(a)所示。MCU发送的信号进入CAN控制器，通过CAN控制器的TX端口发送信号到FPGA，经过FPGA的调制，形成短脉冲信号，短脉冲信号驱动发送电路中的LED发光；经过漫反射后的光信号被接收电路的光电二极管(Photodiode，PD)接收，经过后续接收电路中的接收、前置放大、滤波、多级放大等调理电路形成短脉冲信号；该信号再经过FPGA的解调恢复到电平信号，经过RX端口送到CAN控制器，经过CAN控制器处理再发送到MCU。

LED光无线CAN通信系统主要MCU、CAN控制器、FPGA、发送接收电路和LED/PD等构成。如图1(b)有线CAN通信系统主要由MCU、CAN控制器、收发器和电缆四个部分组成。由图1(a)LED光无线CAN通信系统构成框图(b)有线CAN通信系统构成框图，可知LED光无线CAN通信与有线CAN通信的区别主要为：

图1 CAN通信设备构成图

(1)信号传输介质不同。有线 CAN通信主要通过电缆传输差分信号实现CAN通信；LED无线CAN通信主要通过无线光信号实现CAN通信。

(2)收发器不同。有线CAN通信的收发器功能是通过特定的接口芯片实现的，提供对总线的差动发送和接收功能；LED光无线CAN通信的收发器功能是由LED/ PD等构成的光发送电路和接收电路实现的。

所实现光无线CAN通信系统的MCU采用了C8051F040，通过C8051F040内部的CAN控制器实现对

CAN通信系统的控制。采用了 ACTEL公司基于 Flash Pro ASIC Plus系列中具有 60万门的 APA600，该系统FPGA具有高容量、高性能和低功耗等特点。

1.1 光发送电路

MCU（C8051F040）内部的 CAN控制器通过 TX引脚发送信号，经过FPGA的双边沿检测调制产生了短脉冲信号，通过驱动芯片DS75452驱动LED发光。驱动电路如图2所示。

图2 发射电路的电路原理图

如图3所示，FPGA_IN为MCU发送给FPGA的输入信号，经过FPGA的调制，输出FPGA_OUT。FPGA_OUT输入到DS75452中，输出信号为LED_DRIVER。如图2所示的电路图，当LED_DRIVER为高电平时，LED截止，不发光；当LED_DRIVER为低电平时，LED导通发光，通过LED的“亮”和“灭”来实现脉冲信号传输。

图3 发送电路信号示意图

1.2 光接收电路

光接收电路的主要任务是以最小的附加噪声和失真恢复出所传输的信息。所设计的光接收电路如图4所示，光电探测器PD将接收到的光信号转换成微弱电信号，经过前置放大电路放大、有源滤波电路滤波和多级放大、比较器限幅，恢复出短脉冲信号，输出给 FPGA进行解调。接收系统中PD、放大器的选择主要考虑了星载可行性、高频特性、噪声特性、输入阻抗特性等方面。

图4 接收电路的模块设计

如图5所示，信号1为发送端输入到FPGA的源信号，信号2是经过光漫反射传输后由光接收电路处理和FPGA解调恢复出来的信号，信号3是经过前置放大、有源滤波、多级放大恢复出来的脉冲信号，信号4是信号3被比较限幅之后的信号。信号4输入到FPGA进行信号解调，输出信号2。

图5 光传输过程发送信号、接收信号示意图

2 星内光无线CAN通信系统的软件设计

软件的设计主要包括CAN通信程序设计、FPGA信号处理程序设计，分别采用 C语言实现与 Verilog语言实现。

2.1 CAN通信程序设计

C8051F040器件中的 CAN控制器是 Bosch全功能CAN模块的完全实现，完全符合 CAN2.0B。C8051F040通过特殊功能寄存器直接访问CAN控制器中的CAN控制寄存器(CANOCN)、CAN测试寄存器(CANOTST)和CAN状态寄存器(CANOSAT)，所有其他寄存器都是通过间接的访问完成的。

C8051F040的 CAN通信程序设计主要包括主程序初始化和中断服务程序。如图6流程图所示，主程序初始化主要包括 I/O配置、清除消息 RAM、发送接收函数初始化、开启CAN中断使能、CAN初始化、开中断等。经过主程序初始化，当中断到来时，执行中断服务程序，先读取状态寄存器，若为接收中断，重置状态寄存器，执行接收函数；若为发送中断，重置状态寄存器，执行发送函数；若为错误中断，重置状态寄存器，执行错误中断处理，返回主程序。

图6 C8051F040实现CAN通信的程序流程图

C8051F040有64 KB的Flash程序存储器空间、256 B片内RAM和4 KB片内XRAM。其中，片内256 B RAM为内部数据存储器，片内4 KB的XRAM作为外部数据存储器，通过外部存储器接口（EMIF）可以访问。

文章利用CAN控制器把一个节点XRAM的数据读取出来，再通过光无线CAN通信发送到另一个CAN节点的XRAM中。相关的寄存器按照如下设置：

2.2 FPGA程序设计

FPGA程序设计实现采用固定宽度的窄脉冲来指示CAN总线信号的边缘，接收端接收脉冲并恢复CAN总线信号，不同于OOK调制，也不同于PPM调制方式。

调制信号过程为：在信号的“上升沿”、“下降沿”分别生成一个短脉冲信号，也即用双边沿检测的方法来检测每一个上升沿和下降沿。双边沿检测的 Verilog程序设计原理为：设置一个D触发器，如果当前时刻采到的样本与上一个时刻采到的样本不一致，则边沿有变化，否则没有。如果检测到有变化，那么输出信号变为高电平所持续的时间为所实现通信速率设定的时间，如图7所示信号1是输入FPGA的电平信号，经过双边沿检测，形成短脉冲信号2。部分代码如图8所示。

图7 FPGA的信号调制与解调部分的在示波器上的图形

信号的解调是通过电平翻转来实现的。电平翻转的Verilog程序设计原理为：检测输入信号的上升沿，如果此时刻为1，并且上一时刻为0，那么检测到一个上升沿，输出电平翻转，检测到上升沿次数等于电平翻转次数。如图7所示，信号3为FPGA信号解调的输入信号，每次检测到短脉冲的上升沿，那么输出信号就会发生电平翻转，输出信号4，其中信号1为使得LED发光的源信号，信号4为经过FPGA恢复出来的信号。FPGA解调信号代码如图9所示。

图8 FPGA调制信号Verilog代码

图9 FPGA解调信号Verilog代码

3 星内光无线通信系统验证

验证过程采用两套电路板搭建了基于LED的光无线CAN通信系统，过程中分别采用了红外和可见 LED，在设备漫反射通信设备间距为0.5 m。通信速率最高设定为100 kb/s。图10为发送节点、接收节点各单次发送和接收的8 B数据。

图10 发送和接收数据的界面显示

4 结论

本文描述了基于红外或可见LED的光无线CAN通信系统设计及验证情况。最终所实现系统可进行设备间距为0.5 m时的漫反射方式通信，所试验最高通信速率为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，硕士研究生，主要研究方向：星内光无线通信技术。