嵌入式系统在卫星通信设备中的运用分析

王洪良，申 响

（1.96946 部队，北京 100085；2.河北神舟卫星通信股份有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

卫星通信系统作为一种可靠的、非视距的、不受地理限制的远距离传输系统，具有其他通信方式无法比拟的优越性。卫星通信以卫星系统作为中继，在地球站和卫星之间建立通信链路，实现话音、数据、图像等信息的传输。卫星通信系统主要包括通信卫星系统和地面终端系统2 个部分。随着现代化进程的加速，信息技术与现代工业生产日益融合，使传统的工业生产模式发生了深刻的变化，也对通信产业提出了新的要求。随着人们对信息技术的要求越来越高，而计算机软硬件发展速度又很快，系统硬件和软件之间的接口越来越复杂。为了适应这种变化，一些新技术应运而生，其中就包括嵌入式系统。其能够实现计算机软硬件之间良好的接口与协同工作，具有体积小、成本低、可靠性高等特点，被广泛应用于工业控制等领域。

1 嵌入式系统

嵌入式系统是指专门设计用于嵌入硬件的计算机系统，如微处理器、存储器、传感器、键盘以及鼠标等，其主要特点是功能单一、使用范围有限。

1.1 嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是实现软件和硬件集成的重要部件。嵌入式处理器包括微处理器和微控制器2 类。微控制器具有很强的应用能力，可以对微处理器进行管理。微控制器通常包括系统总线、地址总线、控制总线、存储器总线以及中断服务程序等模块，这些模块通过通信接口与其他模块连接。微处理器的作用主要是对微控制器进行控制，使其能够协调各个模块的运行，同时能够实现各种应用功能。内嵌式系统构成如图1 所示。

图1 内嵌式系统

在设计嵌入式系统时，需要选择合适的微处理器，如嵌入式ARM 处理器，其具有体积小、功耗低、功能强大等特点。微处理器通常采用16 位或32 位的指令集结构，指令周期为2 ～8 μs，工作频率为30 ～400 MHz，具有较高的主频和较快的工作速度。微控制器以单片机为核心，具有较强的开发能力和通用性。

微控制器一般分为3 种类型：一是通用型微控制器，这种微控制器在硬件资源方面比较丰富；二是专用型微控制器，这种微控制器主要面向某一类特定的应用场合；三是专用型微型计算机。专用型微型计算机具有成本低、性能强等优点，在嵌入式系统中得到了广泛应用。专用型微型计算机可以根据不同的应用需求设计硬件模块和软件模块，使其能够适应不同的系统要求[1]。为了提高嵌入式系统的运行效率和可靠性，需要对微处理器进行合理设计和优化。

1.2 嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是指专门用于嵌入式系统的操作系统，一般分为实时嵌入式操作系统和非实时嵌入式操作系统2 种。实时嵌入式系统的特点是实时性高、响应速度快，但在成本和性能方面不占优势；非实时嵌入式系统的特点是实时性低、响应速度慢，但成本相对较低、性能较高。卫星通信设备的应用场合不同，所使用的操作系统也不同。

在进行嵌入式系统设计时，必须充分考虑卫星通信设备的实际应用环境和要求，对所使用的操作系统进行优化处理。例如：在卫星通信设备中采用实时操作系统进行开发时，需要对软件进行裁剪处理，将不需要的软件进行删除或压缩；在对硬件进行优化处理时，需要充分利用系统资源和芯片资源；在对软件进行裁剪处理时，需要根据系统性能和功能要求确定裁剪参数，使嵌入式系统的运行更稳定、更高效[2]。

2 嵌入式系统的基本组成

为了实现嵌入式系统功能，在卫星通信设备中，采用精简指令计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）处理器处理任务，这样可以最大限度降低系统资源的开销。采用多任务操作系统管理用户应用程序的启动过程，有效控制资源分配，缩短开发周期，提高开发效率。在任务中引入中断机制和定时器机制，可以在一定程度上提高系统资源的利用率，实现不同任务之间共享硬件资源等。由于嵌入式系统开发时间较长，而且不能充分利用各种硬件资源，在系统设计中加入了软件调试工具，可以对系统进行调试、分析和优化。

为了提高嵌入式系统的可靠性，可以采用2 个以上的电源，同时对电源进行保护。对于卫星通信设备而言，为了保证信号的传输质量，一般采用时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）技术实现星上处理单元和用户终端的数据传输。卫星通信系统采用下行链路传输话音数据和视频数据，上行链路传输图像数据和话音数据，因此上行链路需要有一个专门用于上行链路的功能模块实现相应功能[3]。

3 卫星通信设备应用嵌入式系统的可行性分析

在设计通信接口时，需要充分考虑设备的通用性和扩展性，选用通用接口电路，既能满足不同设备间的通信需求，又能实现多种设备间的通信。由于设备本身采用低功耗技术，并且没有使用专用芯片，在选择接口电路时可以采用通用的标准接口。例如，将4 线串行通信接口作为标准通信接口，4 个控制信号线由信号调理电路完成。该设计方案能够使系统具备很强的兼容性和可扩展性。

为实现数据的快速传输和交换，系统选用RS-485 作为通信标准。由于采用了RS-485 标准接口，与其他标准相比具有更快的数据传输速度、更低的延时以及更好的抗干扰性等优点。在系统设计中采用了串行通信方式，将所有信号线集成在一个8 位的RS-485 芯片中。RS-485 芯片使用时需外接2 根信号线，需要将其封装在一个电路板中，从而使其体积更加小巧。另外，由于该芯片采用了标准的串行通信接口和8 位数据传输方式，系统可以根据实际需要进行定制。嵌入式卫星通信设备控制系统构成如图2 所示。

图2 嵌入式卫星通信设备控制系统构成

任务调度器是一种操作系统，主要用于实现多个任务之间的协调和调度。通常情况下，任务调度器还分为轮询调度器和固定优先级调度器。轮询调度器是一种最基本的任务调度器，在工业控制系统中被广统泛使用。固定优先级调度器是一种复杂的任务调度器，主要应用于操作系统，在嵌入式系统也可以使用。

4 嵌入式系统在数字卫星通信设备中的优势

数字卫星通信设备是一种应用软件和硬件相结合的设备，其控制系统以嵌入式系统为核心。在数字卫星通信设备中，嵌入式系统的应用优势主要体现在以下几个方面。

（1）嵌入式系统的模块化结构有利于提高数据处理能力。传统的数字卫星通信设备虽然具有较高的灵活性，但处理能力有限，需要对多个模块进行设计和加工。嵌入式系统在设计过程中采用模块化结构，能够很好地解决数据处理问题。

（2）嵌入式系统在卫星通信设备中的应用可以减少系统的成本。嵌入式系统的应用可以帮助实现高速、精准的卫星通信，也可以实现在卫星上进行数据处理、网络连接和管理。嵌入式系统在卫星通信设备中的应用可以帮助企业实现高效的卫星通信，提高企业的效率和竞争力。

（3）嵌入式系统能够满足数字卫星通信设备对信息处理速度、响应速度等方面的需求[4]。目前，数字卫星通信设备对信息处理速度和响应时间要求很高，而嵌入式系统具有很强的运算能力和控制能力，能够满足数字卫星通信的需求[5]。

5 嵌入式系统在卫星通信中发展

随着嵌入式技术的迅速发展，其应用领域也越来越广泛。尤其是在工业控制领域，嵌入式系统在实际应用中具有许多传统计算机系统无法比拟的优点，如可靠性高、实时性强、智能化程度高、可扩展性强、系统集成度高以及功耗低等。嵌入式系统以其良好的实时性和可靠性，正逐步取代传统的通用计算机系统。随着互联网技术的发展，嵌入式系统将更加广泛地应用于各种行业，成为其重要的组成部分。

芯片是嵌入式系统最基本的组成部分，目前我国自主研发的芯片还很少。为了实现我国自主研发的嵌入式系统与国际接轨，需要从芯片入手。在软件方面，国内嵌入式软件发展与国际相比差距较大。在硬件方面，我国许多硬件开发平台不够完善，如国产处理器、可编程逻辑器件等都存在很大差距。因此，应该充分利用我国已有的技术优势，积极研发国产嵌入式系统软件平台和开发工具。除此之外，目前市场上各种嵌入式系统软件开发工具很多，但开发人员却不多。要想使我国自主研发的嵌入式系统软件在市场上占有一席之地，就必须要培养大量优秀的嵌入式系统开发人员。

6 结 论

嵌入式系统在卫星通信设备中的应用，使得卫星通信设备具有较强的灵活性和可靠性，为数字卫星通信系统的发展提供了有利条件。随着卫星通信技术的发展，未来对卫星通信设备的要求将越来越高，因此必须不断提高嵌入式系统的性能。在卫星通信设备中应用嵌入式系统，可以将计算机技术和通信技术进行有机结合，从而更好地满足用户需求。为了实现对嵌入式系统在卫星通信设备中应用的有效控制，还需要对嵌入式系统进行不断优化和完善。要想实现这一目标，就需要充分发挥软件开发人员的作用，提高其自主创新能力，从而为用户提供更加优质和完善的服务。