基于ZigBee技术的微纳卫星无线星地通信系统硬件设计与实现

冯晓雪，朱振才，陈宏宇，常亮

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050；2.上海微小卫星工程中心上海201203）

基于ZigBee技术的微纳卫星无线星地通信系统硬件设计与实现

冯晓雪1，2，朱振才2，陈宏宇2，常亮1，2

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050；2.上海微小卫星工程中心上海201203）

基于ZigBee技术的微纳卫星无线星地通信系统具有体积小、重量轻、能耗低和成本低等优点，可以代替传统的卫星地面有线通信系统，有着广阔的应用前景。提出一种基于ZigBee技术的微纳卫星无线星地通信系统硬件应用方案，并对星上ZigBee无线模块、星上CAN总线通信模块和地面无线数据传输模块的结构和原理进行了详细的阐述。文章提出的硬件设计方案可以实现多颗待测微纳卫星与地面监测设备组网通信，进行批量化、智能化、高效率地面测试工作，有利于降低卫星地面通信系统开发成本，可靠性高并且有较好的实用性。

微纳卫星；无线通信；地面测试

自20世纪80年代以来，随着信息技术与小型化技术的飞速发展与应用，传统的卫星研制技术出现了革命性的飞跃。其中一个重要发展趋势是卫星小型化［1］，并采取一箭多星的发射方式，提高运载资源利用率。

无论是卫星研制过程中的单独测试，还是装星到运载火箭的发射前塔架测试，都需要星地通信系统为星务系统与地面监测设备之间提供可靠的双工通信链路，保证数据与指令可靠地传输。传统方案采用八十到数百米电缆、各种机械手动和继电器开关，各模块放置分散，体积庞大，功能密度低［2］。若继承传统大卫星测试方案，首先，现代微纳卫星进行批量化生产和测试，需在不同微纳卫星测试接口间进行多次手动插拔，对产品的安全性和通信的可靠性会造成不良影响，其次，对于意见多星发射，在发射前，每颗卫星从运载整流罩内引出测试电缆室不现实的。利用无线通信技术可以解决这一问题，以保证批量化卫星测试安全稳定地进行。考虑到微纳卫星星务系统与地面监测系统所需传输的数据量小，传输速率低，对功耗要求高，要求通信系统具有成本低、功耗小，可容纳多设备等特点。利用ZigBee无线技术可以取代传统的星地有线通信系统，简化星箭接口。另外，ZigBee设备具有能量和链路质量检测能力，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量［3］。有利于地面通信系统通用化、规范化，降低卫星地面通信系统开发成本。

1　系统综述

文中以中科院某型号高光谱微纳遥感卫星为应用背景，结合任务要求，设计基于ZigBee技术的微纳卫星星地无线通信系统，以满足各项功能与性能指标，并提高微纳卫星的测试效率［4］。

高光谱微纳卫星的星务综合电子系统采用CAN总线将各个单机分系统连接在一起，地面测试阶段需要无间断监听CAN总线上指令与数据，获得各个单机分系统的工作状态与指令信息。为实现星地双向通信，微纳卫星地面无线通信系统的硬件架构如图1所示。主要包括星上CAN协议转ZigBee模块（简称星上模块）和地面ZigBee转串口模块（简称地面模块）两个部分。其中，星上模块的功能要求为：1）具备与星务系统CAN总线通信的能力［5］；2）实现CAN协议与ZigBee协议转换；3）实现与地面模块半双工射频可靠通信；4）地面模块的功能要求为；5）具备与地面监测系统的串口通信能力；6）实时监测无线信道质量和报警。

图1　微纳卫星星地无线通信系统架构图

2　硬件设计

2.1星上CAN协议转ZigBee模块设计

星上CAN协议转ZigBee模块功能为监听星上CAN总线网络状态，连接星上系统CAN总线网络和ZigBee无线网络，使星上CAN总线网络与ZigBee网络无缝、实时互联。保证数据和指令可靠、稳定低成本的双向无线传输，模块组成如图2所示。

图2　星上模块组成框图

本硬件方案的设计核心是微处理器芯片的选择，对数据实现ZigBee协议和CAN协议数据包转换。设计采用了TI公司推出的CC2530片上系统芯片，将一个高性能的RF无线收发器和一个增强型的8051微处理器集成到一块芯片上，并集成单片机、ADC、无线通信模块，多个通用I/O接口，提高了单片机与无线通信模块组合时的可靠性、灵活性和扩展性［6］，同时也减小了节点的体积与质量。不仅如此，CC2530芯片具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗，使模块使用寿命得以增强。CC2530的主要外围电路如图3所示。

晶振电路为CC2530芯片提供系统时钟。ZigBee协议栈有两种工作模式，睡眠和工作模式分别以低频晶振Y2（32.768kHz）和高频晶振Y1（32 MHz）为系统时钟。低频晶振是确保芯片睡眠时关闭部分内部电路，减少芯片的功耗，并以极低的频率工作。ZigBee协议栈工作模式时钟频率至少在CAN协议的时钟频率两倍以上。

天线设置在PCB板的侧面上，即板载天线，天线连接PCB板的发射机功放端。板载天线的设计方式使模块结构更加小型化。

由于CC2530芯片没有集成CAN控制器，本设计选用了带有SPI接口的独立CAN控制器MCP2515。MCP2515是Microchip公司推出的具有SPI接口的独立CAN控制器。它完全支持CAN V2.0B技术规范，通信速率最高达1 Mbps，内含3个发送缓冲器、2个接收缓冲器；SPI接口时钟频率最高可达10 MHz，方便与CC2530连接。支持休眠模式，休眠模式下待机电流低至A级。

图3CC2530外围电路图

CC2530微控制器负责初始化MCP2515和控制MCP2515监听星务综合电子系统CAN总线网络［7］以及实现数据接收和发送，在CAN总线通信接口电路中，采用SN65HVD234作为CAN总线驱动器。由于MCP2515芯片有特定SPI读写时序，时序如图4所示。所以配置主控芯片CC2530的GPIO口，模拟产生MCP2515所需SPI读写时序。

MCP2515的外围CAN总线接口电路如图5所示，省略了MCP2515和CC2530的接口部分。其中，在CAN总线收发器的CANH和CANL引脚与地之间连接的2个47 pF的电容目的是过滤CAN总线上高频干扰。

2.2地面ZigBee转RS232模块设计

地面ZigBee转RS232模块主要实现与地面检测系统前端机PC之间的实时可靠数据透明传输。地面测试系统接收到串口数据后对星务CAN数据包进行解析，发送到卫星遥控遥测单机模块进行处理。

该模块主要由ZigBee无线射频模块、串口连接电路和电源组成，通过ZigBee协议实现对串口数据的无线收发。发送数据时，数据经过串口连接电路进行电平转换。由主控芯片CC2530控制ZigBee射频模块进行无线发送。接收数据则是发送数据的逆过程。依据设计要求及设计的方法和思路，基于ZigBee协议的无线串口通信系统组成如图6所示。

芯片CC2530的P0.2和P0.3是串口通信接口。该模块连接RS232电平转换收发器，实现与PC机的有线数据通信，最高波特率为115 200 bps。

图6　地面转换模块结构图

2.3方案测试总结

与此硬件方案匹配的软件开发环境为IAR8.2.0，集成了GCC编译器，通过CC Debugger JTAG口对CC2530进行下载与调试。ZigBee协议栈版本为ZStack-CC2530-2.5.1a。

模块若距离地面高度1～2m，传输距离可达到100～200m。当模块距离地面较近或者靠近金属屏蔽物，天线发出的电磁波被等势体大幅衰减，传输距离降至10～20m。系统采用3.3V供电电压，其他测试参数典型值为，发射功率3.5 dBm，平均电流27 mA，发射峰值电流53 mA。

考虑到微纳卫星塔架测试阶段，卫星需要安装在金属整流罩内，整流罩需要根据ZigBee模块上的板载天线辐射角度为其预留合适尺寸的天窗，会对无线信号强度造成一定影响。

图4SP2输入输出时序图

图5CAN总线通信模块电路图

3　结束语

文中的设计创新点在于提出了基于ZigBee技术的微纳卫星无线星地通信方案，与传统的脱插电缆有线方案相比，实现卫星与地面设备无测试电缆的信息联系，有效解决一箭多星数据信道路数受限问题，本设计通过SPI总线，连接无线模块和CAN总线网络模块，电路设计简单，降低微纳卫星发射成本，有利于实现安全的批量化微纳卫星测试。

［1］林来兴.现代小卫星与纳卫星技术发展（2）［J］.国际太空.2002（9）：27.

［2］黄艳华.微小卫星地面综合测试系统的设计与实现［D］.长春：吉林大学，2007.

［3］王锐华，益晓新，于全.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析［J］.测控技术.2005（6）.2

［4］王志勇.构建基于小卫星的自动化综合测试系统［D］.西安：西安电子科技大学，2006.

［5］张弛，基于ZigBee和CAN总线的无线网关设计［D］.天津：天津大学，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总线的车用智能传感器系统设计［J］.传感器与微系统，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稿件编号：201509050

中国科学院战略性先导科技专项（XDA04040201）

冯晓雪（1992—），女，山东临清人，硕士研究生。研究方向：微纳卫星通信技术。