卫星终端电路优化设计研究

摘  要：针对民用天通卫星通信功耗高、体积大、设计成本和维护成本高等问题，设计了一款小型化、低功耗的卫星通信终端电路。该卫星通信终端电路能够解决山区、海洋等地域通信难、通信数据量受限，以及国产卫星特殊应用等问题。电路采用模块化设计，适用于多种不同类型的移动通信终端或数据采集终端。实际验证表明所设计的电路具有良好的工程实践意义。

关键词：低功耗;卫星通信;电路设计;传感采集

中图分类号：TN927       文献标识码：A 文章编号：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

在國内现有的卫星通信领域，较为常见的有铱星、海事卫星、天通卫星。铱星是美国铱星公司研发的全球卫星通信系统。海事卫星组织原是一个提供全球范围卫星移动通信服务的政府间合作机构，即国际移动卫星组织，国内习惯将其简称为海事卫星[1]。天通卫星是我国自主可控的通信卫星，主要是满足国内卫星通信的应用，且不受他国限制，天通卫星已广泛应用于国内各个领域。铱星和海事卫星二次开发难度大，可扩展应用较少，收费较高，且不是我国自主可控的卫星通信系统，不适用于一些特殊场景。而天通卫星[2]使用的基带处理器为国产芯片，使用的操作系统为安卓或Linux，有利于应用开发设计。

天通卫星常用的基带处理器电路[3，4]设计功耗高、成本高、维护难度大，该处理器的应用需要安卓或Linux操作系统的支持，处理器的大部分运算能力都用于对操作系统的适配或其他应用后台程序的运行上，而且系统的流畅性不佳，对于无人值守、传感采集等应用无异于一种资源浪费。

本次设计针对天通基带处理器的电路简化、功耗优化进行论述。针对国内卫星通信的无人值守、传感采集等应用，设计一款功耗低、电路简单、成本低廉、维护简便、可用于不同场景的硬件电路，满足于国内各种无人值守、传感采集等应用场景。

1  电路组成

图1为电路组成结构框图。电路由处理器、卫星通信模块、电源/充放电管理和其他外设组成。为最大限度地降低功耗，提高移动电源的使用效率，所有外设电路都采用可关断电源设计，或可配置休眠/唤醒模式。处理器通过卫星通信模块的休眠/唤醒控制将卫星通信模块的平均功耗降至最低。卫星通信模块主要实现与卫星的数据通信。电源、充电管理器用于整个电路设计的供电，充电管理器主要应用于需要单独使用电池的终端设备。

2  处理器选型

2.1  基带处理器性能分析

天通卫星常用的基带处理器为大唐联芯的LC1860，该芯片由AP侧、CP侧、GPU等组成。AP侧由Cortex-A7四核处理器+单核A7处理器组成，CP侧由A7+X1643+XC4210组成，GPU使用的是双核MaliT628。由该基带处理器组成的最小系统需要电源管理器和eMCP存储器同时使用，最小系统待机功耗约为4.2 V@5 mA。该基带处理器具有强大的数据和影像处理能力，满足手持、车载类终端应用需求，但对于不需要影像处理和数据运算的应用就显得有些浪费资源，同时基带处理器配套的外围电路存在价格昂贵、待机功耗高等缺点。使用该基带处理器硬件外围电路如图2所示。

基带处理器选择ST公司的STM32F407VGT6芯片，该芯片基于ARM Cortex-M4内核设计，最小系统由处理器和外部时钟简单的外部电路构成。且在休眠状态，使用外部25 MHz时钟时，最小系统待机功耗约为3.3 V@500 uA，具有高效可靠的特性，广泛应用于消费电子和工业控制领域。该芯片有100个引脚，且封装简单，便于硬件设计开发，对板叠层没有特殊要求，生产加工难度低，生产周期短。最高主频168 MHz，内置1 MB片内FLASH、192 KB的SRAM，性能稳定，功耗低，接口资源丰富，适用于不同场景的扩展应用，满足设计需求。

处理器及其外设如图3所示。处理器核心部分由STM32芯片、晶振、复位电路、SWD下载接口和系统电源组成最小系统。处理器运行过程中产生的重要数据通过EEPROM保存，EEPROM选择大小为128 KB的AR24C128芯片，通过I2C总线与处理器连接。

天通卫星通信终端，作为数据采集转发终端使用，不需要人机交互，可通过SDIO扩展本地存储，外接RS232可连接其他数据采集器，处理器对接收到的数据打包处理后经天通卫星通信模块转发出去。天通卫星通信单条信息长度可达140字节，发送间隔最短3秒一条，可替代传统民用北斗短报文通信。

2.2  分析对比

2.2.1  从设计难度分析

LC1860使用的是BGA封装，具有579个管脚，管脚间距为0.4 mm，设计硬件电路难度大，需要使用8层以上盲埋孔工艺设计，同时盲埋孔生产加工难度大，且生产周期长。软件设计需要基于安卓或Linux操作系统进行开发。而STM32F407VGT6是LQFP封装，具有100个管脚，封装简单，便于硬件设计开发，对板叠层没有特殊要求，生产加工难度低，生产周期短。对比表如表1所示。

通过对比得知，使用STM32F407VGT6替代LC1860会大大降低设计难度和生产加工难度。

2.2.2  从功耗分析

LC1860最小系统待机功耗约为4.2 V@5 mA，其中LC1860基带芯片运行时需要电源管理器和eMCP存储器配合使用，其他外围电路除外。而STM32F407VGT6最小系统待机功耗约为3.3 V@500 uA，其他外围电路除外。

使用STM32替代原LC1860处理器，可降低外围电路设计难度，减少系统运行功耗，使卫星通信的使用模块化、简单化。常用的LC1860卫星通信电路设计需要配套电源管理芯片、多核高性能AP/CP处理器、DDR芯片、Flash芯片等外围电路，保证安卓或Linux操作系统的运行。增加外围电路及高性能处理器的使用，大大缩短了对于无人值守、数据传感采集等方面的使用时间。而采用单STM32处理器可提高终端的待机时间，减少不必要的损耗。

2.2.3  从实用性分析

LC1860处理器设计之初是为满足安卓操作系统的使用，但由于目前各种APP运行对处理器的要求越来越高，而LC1860是一款接近10年前生产的处理器，虽然尚且满足市面上大多數应用程序的运行要求，但流畅度极低、反应速度较慢、卡顿情况严重、用户体验差，从而在LC1860这款基带处理器上使用高清显示、高清拍摄功能的可能性几乎为零，该处理器已经不能满足于大家对安卓机的使用要求。而天通卫星除支持电话、短信业务外，数据业务只有9.6 kbps，且目前暂未对商用开放。

综上所述，卫星通信终端只实现单独的电话、短信业务更合适，而LC1860处理器虽然能满足卫星通信业务的所有要求，但是又显得有些鸡肋，而卫星通信终端大部分都是应用在偏远地区，对终端能耗的要求高，对通信质量要求高，其他功能则无关紧要。

而STM32F407VGT6不依赖安卓或Linux操作系统，运行效率高、可靠性高，只需简单的电路配合卫星通信模块就可以使用卫星电话、短信业务。其较低的待机功耗能满足偏远地区对能耗的要求，从实际使用方面来看，其能满足天通卫星通信业务的通信要求，用户操作简单，更符合当前天通卫星通信业务的实际需求。

2.2.4  成本

LC1860是一款SOC处理器，市面上供货渠道少，芯片价格在百元左右，同时需要配合一款专用的电源管理芯片（价格也在百元左右）以及eMCP芯片等，LC1860最小系统芯片成本将近400元。而STM32F407VGT6属于市面常见的单片机类器件，价格在50元以内，最小系统价格不会超过80元。

LC1860设计生产成本极高，由于其芯片的封装特性，需要满足使用盲埋孔工艺，叠层不低于8层等限定条件，加工难度大，一般的PCB加工厂不具备加工条件，SMT同样由于芯片封装特性，芯片焊接成功率很难达到100%。而STM32F407VGT6单片机在结构允许的条件下，使用2层PCB叠层就可以完成，且无特殊的设计要求，加工难度低，市面上的PCB加工厂都能完成，焊接难度低，生产成本低。成本对比如表2所示。

3  卫星通信模块电路设计

天通卫星通信模块采用的是高速串行扩展总线标准PCIE连接，其连接关系如图4所示，对外接口由电源接口、休眠/唤醒控制、通信串口、I2S音频接口、USB加载接口、标准SIM卡接口，以及其他控制I/O等组成。

卫星通信模块电源输入范围为3.6 V～4.2 V，为保证模块在有电池供电的情况下始终处于高性能通信模式，输入电压选择4.2 V。模块需预留USB接口以供模块系统升级使用，选通用Micro USB连接器性价比高。标准SIM卡接口，卫星电话卡插入可选择弹出式、推拉式、翻盖式等不同结构形式的连接器，根据终端使用形式选择。

卫星通信模块对外串口、I2S、I/O等接口的电平信号为1.8 V，而STM32F407的接口电平信号为3.3 V，需要增加双向电平转换TXS0108EPWR，该电平转换芯片待机电流约为2 uA。STM32F407通过串口向卫星通信模块传输控制、数据等信息。卫星通信模块有休眠/唤醒设置，配合需求使用可降低整个电路设计的待机功耗。

4  电源、充电管理电路优化设计

卫星通信终端电源、充电管理电路设计如图5所示，电源由4部分组成，分别是充电管理器BQ24170、单节锂电池、升降压TPS63020、降压电源LMZ10501。其中BQ24170是1.6 MHz同步开关模式锂离子和锂聚合物独立电池充电器，具有过压保护配置功能，支持单节、两节、三节锂离子电池充电，充电电流最大可达到4 A，效率高达95%，在图5电路设计中适配输出为3 V～5.5 V，BQ24170可满足多种类型的终端供电需求。升降压TPS63020是一款高效率升降压转换器，转换效率高达96%，输出电流最大为4 A，静态电流小于50 uA，内部集成过压、过温保护，可根据单节锂电池放电特性智能适配电源正常状态输出，图5电路设计中TPS63020[5]稳定输出4.2 V。由于天通卫星通信模块工作电压为4.2 V，而STM32系列单片机和其他大部分外围电路供电为3.3 V，所以经过升降压TPS63020稳压后还需经过降压3.3 V处理。LMMZ20501是一款简易的降压电源[6]，3 MHz固定开关频率，静态电流为72 uA，输出电流可达1 A，效率高达94%，且输出电压文波低，该电源芯片不需要外部电感，只需要分压电阻和少量的陶瓷电容，满足单片机及其外围电路的电源要求。为避免因锂电池过度放电和过度充电[7]而对电池造成损害，将电池放电截止电压设置为3 V，放电截止电压设置为4.2 V。

5  电路功耗优化设计

卫星通信终端可分为三个工作状态，分别为关机状态、待机状态、数据传输状态。作为卫星通信数据采集终端，系统大部分时间处于待机状态，只保持系统在网状态，在单传送应用情况下，也可关闭卫星通信模块及其外围电路。

采集终端需要长期在网的情况下，处理器和卫星通信模块都处于休眠状态，当有数据需要通过卫星通信模块发送出去或者在卫星通信模块接收信号时，系统将唤醒处于休眠状态的处理器和卫星通信模块。在单传送应用情况下，终端可以只保留处理器的上电状态，且处于待机休眠模式，其他电路全部断电，当需要向外传输数据时，系统激活，同时卫星通信模块上电并入网。

电路中的功耗分为两个部分，分别为动态功耗和静态功耗。动态功耗主要来自电容的充放电和短路电流，静态功耗主要来自漏电流包括PN结反向电流和亚阈值电流以及穿透電流。电容充电的开关电容电流功耗约占总功耗的70%，其他功耗约占30%[8]。从三个方面进行电路优化从而降低电路功耗损失：

（1）在满足设计要求的前提下减少大封装、大容值电容的使用。

（2）上电可控。除处理器以外的其他外设电路，使用COMS开关电路进行上电控制。COMS开关管静态功耗理想状态下功耗为0，在实际电路使用中，其反向PN结电流和MOS管的阈值电流对整个电路的功耗可忽略不计，对于低功耗电路中的使用有较为不错的效果。

（3）减少电路电压分级。尽量使用相同电压的外围器件，减少电源转换中产生的损耗。

6  电路优化设计

卫星通信终端电路设计中包括电源、SIM卡、USB加载、显示屏、其他对外通信接口。这些对外接口在不同的使用环境下，需要考虑电源浪涌抑制[9]、ESD防护[10]，EMI电磁兼容防护[11，12]，增加保护器件、信号抑制器件、滤波电路等。在PCB中注意将数/模电路分开布局，走线阻抗控制等方面优化电路设计，增加电路稳定性、可靠性。

7  结  论

基于低功耗卫星通信终端的电路优化设计，可提高无人值守、传感采集等应用的使用效率，降低了天通卫星通信的使用成本，实现了硬件层面的模块化，操作简单、可靠，可以解决偏远地区通信难、通信数据量受限，以及特殊场景应用等问题。并可以通过修改电路结构满足不同类型的终端需求，目前已在消防、野外数据采集、位置信息实时汇报等使用场景做过实验测试，并取得了满意的效果。

参考文献：

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作者简介：饶敏杰（1988.11—），男，汉族，湖北武汉人，硬件工程师，初级工程师，本科，研究方向：集成电路。