衛(wèi)星終端電路優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘? 要：針對(duì)民用天通衛(wèi)星通信功耗高、體積大、設(shè)計(jì)成本和維護(hù)成本高等問題，設(shè)計(jì)了一款小型化、低功耗的衛(wèi)星通信終端電路。該衛(wèi)星通信終端電路能夠解決山區(qū)、海洋等地域通信難、通信數(shù)據(jù)量受限，以及國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星特殊應(yīng)用等問題。電路采用模塊化設(shè)計(jì)，適用于多種不同類型的移動(dòng)通信終端或數(shù)據(jù)采集終端。實(shí)際驗(yàn)證表明所設(shè)計(jì)的電路具有良好的工程實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：低功耗;衛(wèi)星通信;電路設(shè)計(jì);傳感采集

中圖分類號(hào)：TN927? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）05-0082-05

Research on Optimization Design of Satellite Terminal Circuit

RAO Minjie

（The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Guangzhou? 510310，China）

Abstract：Aiming at the problems of high power consumption，large volume，high design cost and maintenance cost of civil Tiantong satellite communication，a miniaturized and low power satellite communication terminal circuit is designed. It can solve the problems of communication difficulties，limited communication data，and special applications of domestic satellites in mountainous areas，oceans and other regions. The circuit adopts modular design，which is suitable for various types of mobile communication terminals or data acquisition terminals. The practical verification shows that the designed circuit has good engineering practice significance.

Keywords：low power consumption;satellite communication;circuit design;sensor acquisition

0? 引? 言

在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的衛(wèi)星通信領(lǐng)域，較為常見的有銥星、海事衛(wèi)星、天通衛(wèi)星。銥星是美國(guó)銥星公司研發(fā)的全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)。海事衛(wèi)星組織原是一個(gè)提供全球范圍衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)的政府間合作機(jī)構(gòu)，即國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織，國(guó)內(nèi)習(xí)慣將其簡(jiǎn)稱為海事衛(wèi)星[1]。天通衛(wèi)星是我國(guó)自主可控的通信衛(wèi)星，主要是滿足國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信的應(yīng)用，且不受他國(guó)限制，天通衛(wèi)星已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域。銥星和海事衛(wèi)星二次開發(fā)難度大，可擴(kuò)展應(yīng)用較少，收費(fèi)較高，且不是我國(guó)自主可控的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，不適用于一些特殊場(chǎng)景。而天通衛(wèi)星[2]使用的基帶處理器為國(guó)產(chǎn)芯片，使用的操作系統(tǒng)為安卓或Linux，有利于應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)。

天通衛(wèi)星常用的基帶處理器電路[3，4]設(shè)計(jì)功耗高、成本高、維護(hù)難度大，該處理器的應(yīng)用需要安卓或Linux操作系統(tǒng)的支持，處理器的大部分運(yùn)算能力都用于對(duì)操作系統(tǒng)的適配或其他應(yīng)用后臺(tái)程序的運(yùn)行上，而且系統(tǒng)的流暢性不佳，對(duì)于無人值守、傳感采集等應(yīng)用無異于一種資源浪費(fèi)。

本次設(shè)計(jì)針對(duì)天通基帶處理器的電路簡(jiǎn)化、功耗優(yōu)化進(jìn)行論述。針對(duì)國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信的無人值守、傳感采集等應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款功耗低、電路簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)簡(jiǎn)便、可用于不同場(chǎng)景的硬件電路，滿足于國(guó)內(nèi)各種無人值守、傳感采集等應(yīng)用場(chǎng)景。

1? 電路組成

圖1為電路組成結(jié)構(gòu)框圖。電路由處理器、衛(wèi)星通信模塊、電源/充放電管理和其他外設(shè)組成。為最大限度地降低功耗，提高移動(dòng)電源的使用效率，所有外設(shè)電路都采用可關(guān)斷電源設(shè)計(jì)，或可配置休眠/喚醒模式。處理器通過衛(wèi)星通信模塊的休眠/喚醒控制將衛(wèi)星通信模塊的平均功耗降至最低。衛(wèi)星通信模塊主要實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的數(shù)據(jù)通信。電源、充電管理器用于整個(gè)電路設(shè)計(jì)的供電，充電管理器主要應(yīng)用于需要單獨(dú)使用電池的終端設(shè)備。

2? 處理器選型

2.1? 基帶處理器性能分析

天通衛(wèi)星常用的基帶處理器為大唐聯(lián)芯的LC1860，該芯片由AP側(cè)、CP側(cè)、GPU等組成。AP側(cè)由Cortex-A7四核處理器+單核A7處理器組成，CP側(cè)由A7+X1643+XC4210組成，GPU使用的是雙核MaliT628。由該基帶處理器組成的最小系統(tǒng)需要電源管理器和eMCP存儲(chǔ)器同時(shí)使用，最小系統(tǒng)待機(jī)功耗約為4.2 V@5 mA。該基帶處理器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)和影像處理能力，滿足手持、車載類終端應(yīng)用需求，但對(duì)于不需要影像處理和數(shù)據(jù)運(yùn)算的應(yīng)用就顯得有些浪費(fèi)資源，同時(shí)基帶處理器配套的外圍電路存在價(jià)格昂貴、待機(jī)功耗高等缺點(diǎn)。使用該基帶處理器硬件外圍電路如圖2所示。

基帶處理器選擇ST公司的STM32F407VGT6芯片，該芯片基于ARM Cortex-M4內(nèi)核設(shè)計(jì)，最小系統(tǒng)由處理器和外部時(shí)鐘簡(jiǎn)單的外部電路構(gòu)成。且在休眠狀態(tài)，使用外部25 MHz時(shí)鐘時(shí)，最小系統(tǒng)待機(jī)功耗約為3.3 V@500 uA，具有高效可靠的特性，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子和工業(yè)控制領(lǐng)域。該芯片有100個(gè)引腳，且封裝簡(jiǎn)單，便于硬件設(shè)計(jì)開發(fā)，對(duì)板疊層沒有特殊要求，生產(chǎn)加工難度低，生產(chǎn)周期短。最高主頻168 MHz，內(nèi)置1 MB片內(nèi)FLASH、192 KB的SRAM，性能穩(wěn)定，功耗低，接口資源豐富，適用于不同場(chǎng)景的擴(kuò)展應(yīng)用，滿足設(shè)計(jì)需求。

處理器及其外設(shè)如圖3所示。處理器核心部分由STM32芯片、晶振、復(fù)位電路、SWD下載接口和系統(tǒng)電源組成最小系統(tǒng)。處理器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的重要數(shù)據(jù)通過EEPROM保存，EEPROM選擇大小為128 KB的AR24C128芯片，通過I2C總線與處理器連接。

天通衛(wèi)星通信終端，作為數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)終端使用，不需要人機(jī)交互，可通過SDIO擴(kuò)展本地存儲(chǔ)，外接RS232可連接其他數(shù)據(jù)采集器，處理器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)打包處理后經(jīng)天通衛(wèi)星通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)出去。天通衛(wèi)星通信單條信息長(zhǎng)度可達(dá)140字節(jié)，發(fā)送間隔最短3秒一條，可替代傳統(tǒng)民用北斗短報(bào)文通信。

2.2? 分析對(duì)比

2.2.1? 從設(shè)計(jì)難度分析

LC1860使用的是BGA封裝，具有579個(gè)管腳，管腳間距為0.4 mm，設(shè)計(jì)硬件電路難度大，需要使用8層以上盲埋孔工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)盲埋孔生產(chǎn)加工難度大，且生產(chǎn)周期長(zhǎng)。軟件設(shè)計(jì)需要基于安卓或Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。而STM32F407VGT6是LQFP封裝，具有100個(gè)管腳，封裝簡(jiǎn)單，便于硬件設(shè)計(jì)開發(fā)，對(duì)板疊層沒有特殊要求，生產(chǎn)加工難度低，生產(chǎn)周期短。對(duì)比表如表1所示。

通過對(duì)比得知，使用STM32F407VGT6替代LC1860會(huì)大大降低設(shè)計(jì)難度和生產(chǎn)加工難度。

2.2.2? 從功耗分析

LC1860最小系統(tǒng)待機(jī)功耗約為4.2 V@5 mA，其中LC1860基帶芯片運(yùn)行時(shí)需要電源管理器和eMCP存儲(chǔ)器配合使用，其他外圍電路除外。而STM32F407VGT6最小系統(tǒng)待機(jī)功耗約為3.3 V@500 uA，其他外圍電路除外。

使用STM32替代原LC1860處理器，可降低外圍電路設(shè)計(jì)難度，減少系統(tǒng)運(yùn)行功耗，使衛(wèi)星通信的使用模塊化、簡(jiǎn)單化。常用的LC1860衛(wèi)星通信電路設(shè)計(jì)需要配套電源管理芯片、多核高性能AP/CP處理器、DDR芯片、Flash芯片等外圍電路，保證安卓或Linux操作系統(tǒng)的運(yùn)行。增加外圍電路及高性能處理器的使用，大大縮短了對(duì)于無人值守、數(shù)據(jù)傳感采集等方面的使用時(shí)間。而采用單STM32處理器可提高終端的待機(jī)時(shí)間，減少不必要的損耗。

2.2.3? 從實(shí)用性分析

LC1860處理器設(shè)計(jì)之初是為滿足安卓操作系統(tǒng)的使用，但由于目前各種APP運(yùn)行對(duì)處理器的要求越來越高，而LC1860是一款接近10年前生產(chǎn)的處理器，雖然尚且滿足市面上大多數(shù)應(yīng)用程序的運(yùn)行要求，但流暢度極低、反應(yīng)速度較慢、卡頓情況嚴(yán)重、用戶體驗(yàn)差，從而在LC1860這款基帶處理器上使用高清顯示、高清拍攝功能的可能性幾乎為零，該處理器已經(jīng)不能滿足于大家對(duì)安卓機(jī)的使用要求。而天通衛(wèi)星除支持電話、短信業(yè)務(wù)外，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只有9.6 kbps，且目前暫未對(duì)商用開放。

綜上所述，衛(wèi)星通信終端只實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的電話、短信業(yè)務(wù)更合適，而LC1860處理器雖然能滿足衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的所有要求，但是又顯得有些雞肋，而衛(wèi)星通信終端大部分都是應(yīng)用在偏遠(yuǎn)地區(qū)，對(duì)終端能耗的要求高，對(duì)通信質(zhì)量要求高，其他功能則無關(guān)緊要。

而STM32F407VGT6不依賴安卓或Linux操作系統(tǒng)，運(yùn)行效率高、可靠性高，只需簡(jiǎn)單的電路配合衛(wèi)星通信模塊就可以使用衛(wèi)星電話、短信業(yè)務(wù)。其較低的待機(jī)功耗能滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)能耗的要求，從實(shí)際使用方面來看，其能滿足天通衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的通信要求，用戶操作簡(jiǎn)單，更符合當(dāng)前天通衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的實(shí)際需求。

2.2.4? 成本

LC1860是一款SOC處理器，市面上供貨渠道少，芯片價(jià)格在百元左右，同時(shí)需要配合一款專用的電源管理芯片（價(jià)格也在百元左右）以及eMCP芯片等，LC1860最小系統(tǒng)芯片成本將近400元。而STM32F407VGT6屬于市面常見的單片機(jī)類器件，價(jià)格在50元以內(nèi)，最小系統(tǒng)價(jià)格不會(huì)超過80元。

LC1860設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本極高，由于其芯片的封裝特性，需要滿足使用盲埋孔工藝，疊層不低于8層等限定條件，加工難度大，一般的PCB加工廠不具備加工條件，SMT同樣由于芯片封裝特性，芯片焊接成功率很難達(dá)到100%。而STM32F407VGT6單片機(jī)在結(jié)構(gòu)允許的條件下，使用2層PCB疊層就可以完成，且無特殊的設(shè)計(jì)要求，加工難度低，市面上的PCB加工廠都能完成，焊接難度低，生產(chǎn)成本低。成本對(duì)比如表2所示。

3? 衛(wèi)星通信模塊電路設(shè)計(jì)

天通衛(wèi)星通信模塊采用的是高速串行擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)PCIE連接，其連接關(guān)系如圖4所示，對(duì)外接口由電源接口、休眠/喚醒控制、通信串口、I2S音頻接口、USB加載接口、標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口，以及其他控制I/O等組成。

衛(wèi)星通信模塊電源輸入范圍為3.6 V～4.2 V，為保證模塊在有電池供電的情況下始終處于高性能通信模式，輸入電壓選擇4.2 V。模塊需預(yù)留USB接口以供模塊系統(tǒng)升級(jí)使用，選通用Micro USB連接器性價(jià)比高。標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口，衛(wèi)星電話卡插入可選擇彈出式、推拉式、翻蓋式等不同結(jié)構(gòu)形式的連接器，根據(jù)終端使用形式選擇。

衛(wèi)星通信模塊對(duì)外串口、I2S、I/O等接口的電平信號(hào)為1.8 V，而STM32F407的接口電平信號(hào)為3.3 V，需要增加雙向電平轉(zhuǎn)換TXS0108EPWR，該電平轉(zhuǎn)換芯片待機(jī)電流約為2 uA。STM32F407通過串口向衛(wèi)星通信模塊傳輸控制、數(shù)據(jù)等信息。衛(wèi)星通信模塊有休眠/喚醒設(shè)置，配合需求使用可降低整個(gè)電路設(shè)計(jì)的待機(jī)功耗。

4? 電源、充電管理電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信終端電源、充電管理電路設(shè)計(jì)如圖5所示，電源由4部分組成，分別是充電管理器BQ24170、單節(jié)鋰電池、升降壓TPS63020、降壓電源LMZ10501。其中BQ24170是1.6 MHz同步開關(guān)模式鋰離子和鋰聚合物獨(dú)立電池充電器，具有過壓保護(hù)配置功能，支持單節(jié)、兩節(jié)、三節(jié)鋰離子電池充電，充電電流最大可達(dá)到4 A，效率高達(dá)95%，在圖5電路設(shè)計(jì)中適配輸出為3 V～5.5 V，BQ24170可滿足多種類型的終端供電需求。升降壓TPS63020是一款高效率升降壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%，輸出電流最大為4 A，靜態(tài)電流小于50 uA，內(nèi)部集成過壓、過溫保護(hù)，可根據(jù)單節(jié)鋰電池放電特性智能適配電源正常狀態(tài)輸出，圖5電路設(shè)計(jì)中TPS63020[5]穩(wěn)定輸出4.2 V。由于天通衛(wèi)星通信模塊工作電壓為4.2 V，而STM32系列單片機(jī)和其他大部分外圍電路供電為3.3 V，所以經(jīng)過升降壓TPS63020穩(wěn)壓后還需經(jīng)過降壓3.3 V處理。LMMZ20501是一款簡(jiǎn)易的降壓電源[6]，3 MHz固定開關(guān)頻率，靜態(tài)電流為72 uA，輸出電流可達(dá)1 A，效率高達(dá)94%，且輸出電壓文波低，該電源芯片不需要外部電感，只需要分壓電阻和少量的陶瓷電容，滿足單片機(jī)及其外圍電路的電源要求。為避免因鋰電池過度放電和過度充電[7]而對(duì)電池造成損害，將電池放電截止電壓設(shè)置為3 V，放電截止電壓設(shè)置為4.2 V。

5? 電路功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信終端可分為三個(gè)工作狀態(tài)，分別為關(guān)機(jī)狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。作為衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)采集終端，系統(tǒng)大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，只保持系統(tǒng)在網(wǎng)狀態(tài)，在單傳送應(yīng)用情況下，也可關(guān)閉衛(wèi)星通信模塊及其外圍電路。

采集終端需要長(zhǎng)期在網(wǎng)的情況下，處理器和衛(wèi)星通信模塊都處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要通過衛(wèi)星通信模塊發(fā)送出去或者在衛(wèi)星通信模塊接收信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)將喚醒處于休眠狀態(tài)的處理器和衛(wèi)星通信模塊。在單傳送應(yīng)用情況下，終端可以只保留處理器的上電狀態(tài)，且處于待機(jī)休眠模式，其他電路全部斷電，當(dāng)需要向外傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)激活，同時(shí)衛(wèi)星通信模塊上電并入網(wǎng)。

電路中的功耗分為兩個(gè)部分，分別為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗主要來自電容的充放電和短路電流，靜態(tài)功耗主要來自漏電流包括PN結(jié)反向電流和亞閾值電流以及穿透電流。電容充電的開關(guān)電容電流功耗約占總功耗的70%，其他功耗約占30%[8]。從三個(gè)方面進(jìn)行電路優(yōu)化從而降低電路功耗損失：

（1）在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下減少大封裝、大容值電容的使用。

（2）上電可控。除處理器以外的其他外設(shè)電路，使用COMS開關(guān)電路進(jìn)行上電控制。COMS開關(guān)管靜態(tài)功耗理想狀態(tài)下功耗為0，在實(shí)際電路使用中，其反向PN結(jié)電流和MOS管的閾值電流對(duì)整個(gè)電路的功耗可忽略不計(jì)，對(duì)于低功耗電路中的使用有較為不錯(cuò)的效果。

（3）減少電路電壓分級(jí)。盡量使用相同電壓的外圍器件，減少電源轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的損耗。

6? 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信終端電路設(shè)計(jì)中包括電源、SIM卡、USB加載、顯示屏、其他對(duì)外通信接口。這些對(duì)外接口在不同的使用環(huán)境下，需要考慮電源浪涌抑制[9]、ESD防護(hù)[10]，EMI電磁兼容防護(hù)[11，12]，增加保護(hù)器件、信號(hào)抑制器件、濾波電路等。在PCB中注意將數(shù)/模電路分開布局，走線阻抗控制等方面優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，增加電路穩(wěn)定性、可靠性。

7? 結(jié)? 論

基于低功耗衛(wèi)星通信終端的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高無人值守、傳感采集等應(yīng)用的使用效率，降低了天通衛(wèi)星通信的使用成本，實(shí)現(xiàn)了硬件層面的模塊化，操作簡(jiǎn)單、可靠，可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)通信難、通信數(shù)據(jù)量受限，以及特殊場(chǎng)景應(yīng)用等問題。并可以通過修改電路結(jié)構(gòu)滿足不同類型的終端需求，目前已在消防、野外數(shù)據(jù)采集、位置信息實(shí)時(shí)匯報(bào)等使用場(chǎng)景做過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并取得了滿意的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 駱樂，包少彬，高恒偉，等.寬帶海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術(shù)分析 [J].集成電路應(yīng)用，2021，38（2）：128-129.

[2] 王冠君，李德強(qiáng)，謝亞運(yùn).一款車載型天通衛(wèi)星通信天線 [J].電訊技術(shù)，2020，60（12）：1496-1501.

[3] 王帥韜，馮全源，邸志雄.一種低功耗UHF RFID標(biāo)簽數(shù)字基帶處理器 [J].微電子學(xué)，2018，48（1）：48-52.

[4] 張煒，鄧雨榮，趙西金，等.超低功耗RFID標(biāo)簽基帶處理器 [J].半導(dǎo)體技術(shù)，2015，40（5）：328-332.

[5] 沈琪，汪鑫，羅雪姣.一種穩(wěn)定高效的Buck-Boost開關(guān)電源的研究 [J].科技視界，2018（27）：59-60.

[6] 德州儀器SIMPLE SWITCHER易電源采用全新納米模塊及穩(wěn)壓器 [J].電源世界，2011（11）：20.

[7] 全國(guó)堿性蓄電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).移動(dòng)電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范：GB/T 18287-2013 [S] .中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[8] 馬小波.手機(jī)設(shè)計(jì)中ESD防護(hù)技術(shù) [J].信息與電腦（理論版），2019（16）：8-9+18.

[9] 邱燕，王斌，黎穎.一種機(jī)載電源浪涌電流抑制電路的設(shè)計(jì)與分析 [J].航空電子技術(shù)，2020，51（2）：60-64.

[10] 陳曉陽(yáng).電子控制器板級(jí)電磁兼容性分析與改進(jìn)措施研究 [D].南京：東南大學(xué)，2015.

[11] 汪健，劉小淮.SoC設(shè)計(jì)中的低功耗技術(shù) [J].集成電路通訊，2007，25（1）：1-4.

[12] 徐曄.電子產(chǎn)品電磁兼容與防護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究 [J].輕工科技，2020，36（6）： 84-85+99.

作者簡(jiǎn)介：饒敏杰（1988.11—），男，漢族，湖北武漢人，硬件工程師，初級(jí)工程師，本科，研究方向：集成電路。