商业航天领域对CANFD通信芯片有哪些特殊需求？

摘要： 随着商业航天技术的蓬勃发展，对数据传输系统的性能要求日益严苛。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-rate）作为一种新型通信协议，凭借其高速数据传输能力、灵活的数据速率配置以及强大的错误检测与纠正机制，逐渐成为商业航天通信领域的关键技术之一。本文深入剖析了 CANFD 技术的原理与优势，详细阐述了其在商业航天多个关键应用环节中的实践应用，并以厦门国科安芯科技有限公司推出的 ASM1042S CAN 收发器芯片为例，全面探讨了该芯片在商业航天场景下的技术特性、性能表现以及应用价值，为商业航天通信系统的优化设计提供了有益参考。

一、引言

商业航天的蓬勃发展推动了对高性能、高可靠电子系统的需求。然而，太空辐射环境中的单粒子效应等辐射诱导故障对电子器件的可靠性构成了严重威胁。CANFD 芯片作为一种高性能通信芯片，在汽车电子领域已广泛应用，其在商业航天中的应用潜力巨大。车规级设计标准因其严苛的可靠性要求，为提升商业航天系统可靠性提供了新的思路。

二、CANFD 技术概述

（一）更高的数据传输速率

CANFD 协议突破了传统 CAN 协议 1Mbps 的速率限制，支持高达 5Mbps 的数据传输速率。这一提升使得 CANFD 能够满足商业航天任务中对大量数据实时传输的要求，例如卫星遥测数据、高分辨率图像数据以及复杂的科学实验数据的快速传输，极大地提高了航天任务的数据处理效率和响应速度，确保地面控制中心能够及时获取卫星状态信息并作出精准决策。

（二）灵活的数据速率配置

CANFD 协议允许在单个通信帧内动态切换数据速率，这一创新特性赋予了通信系统极高的灵活性。在商业航天场景中，不同的数据传输任务对速率的需求存在显著差异，例如，卫星姿态调整指令可能需要高速传输以实现快速响应，而某些辅助系统数据的传输则可采用相对较低的速率。通过灵活调整数据速率，CANFD 能够优化通信资源分配，提高整体通信效率，在保证关键数据实时性的同时，充分利用通信带宽，减少数据传输的冗余和延迟。

（三）更长的数据字段

相较于传统 CAN 协议 8 字节的数据字段限制，CANFD 将数据字段长度扩展至 64 字节。这一改进显著提高了单个通信帧所能承载的数据量，有效减少了传输相同数据量所需的通信帧数量，从而降低了通信延迟。在商业航天应用中，如卫星组网通信、分布式载荷数据整合等场景，大量数据需要在多个子系统之间频繁交互，更长的数据字段能够减少数据分拆与重组的次数，提高数据传输的完整性和可靠性，增强系统的整体性能。

（四）更强的错误检测和纠正能力

商业航天环境复杂恶劣，电磁干扰、空间辐射等因素对通信的可靠性构成严重威胁。CANFD 协议采用了更为先进的错误检测和纠正机制，通过增强的 CRC（Cyclic Redundancy Check）校验算法、位填充技术以及灵活的错误帧处理策略等，能够及时发现并纠正传输过程中出现的错误，确保数据的准确性和完整性。这对于保障航天任务的顺利进行至关重要，有效避免了因数据传输错误导致的系统故障或任务失败风险，提升了整个航天通信系统的稳定性和鲁棒性。

三、CANFD 在商业航天中的应用场景

（一）卫星通信系统

在卫星通信系统中，CANFD 技术发挥着核心作用。一方面，它实现了卫星与地面站之间的高速、可靠数据传输。卫星在轨运行时，会产生大量的遥测数据，包括传感器采集的环境数据、姿态控制系统的状态数据、轨道参数数据以及科学实验载荷的数据等。CANFD 能够将这些数据实时、准确地传输到地面站，为地面控制人员提供全面、精确的卫星状态信息，以便及时调整卫星运行策略、优化任务规划。另一方面，地面站也可通过 CANFD 网络向卫星发送控制指令，如姿态调整指令、载荷工作模式切换指令、轨道修正指令等，实现对卫星的远程精确控制，提高卫星通信系统的灵活性和可靠性，确保卫星按预定任务目标稳定运行。

（二）航天器内部通信

航天器内部包含多个复杂的功能子系统，如电源管理系统、姿态控制系统、推进系统、载荷管理系统等。CANFD 技术为这些子系统之间的高速、可靠通信提供了有力保障。以电源管理系统为例，CANFD 可实现电源模块、电池组、太阳能电池板等组件之间的实时数据交互，精确监控电源状态，优化电力分配，确保整个航天器电力供应的稳定性。在姿态控制系统中，CANFD 能够实现姿态传感器、执行机构、控制器之间的高速数据传输，使姿态控制算法能够及时获取精确的传感器数据，并快速下达控制指令，提高姿态控制的精度和响应速度，增强航天器在复杂空间环境中的姿态稳定性和机动性。

（三）数据存储与回传

数据存储与回传是商业航天任务的关键环节，直接关系到任务数据的完整性和可用性。CANFD 技术在这一领域的应用优势显著。对于卫星在轨采集的大量数据，如科学实验数据、地球观测数据等，CANFD 能够实现数据的高速存储，确保数据在卫星存储系统中的快速写入和安全保存。同时，在数据回传阶段，CANFD 可将存储的数据以高速、可靠的方式传输回地面站，满足商业航天任务对数据时效性的严格要求，为科研人员和任务运营团队提供及时、准确的数据支持，推动航天任务的深入分析和成果产出。

四、ASM1042S ** 芯片在 CANFD 系统中的应用优势**

（一）高性能数据传输

ASM1042S 芯片支持高达 5Mbps 的数据传输速率，完全符合 CANFD 协议对高速数据传输的要求。其具备较短的对称传播延迟时间以及快速的循环次数，这有助于在高速通信过程中增加时序裕量，有效降低数据传输过程中的时序抖动和误差，提高通信系统的稳定性和可靠性。在商业航天任务中，这一特性确保了卫星与地面站之间以及航天器内部各子系统之间数据传输的高效性和实时性，满足了航天任务对数据传输速率和精度的严苛要求。

（二）高可靠性设计与认证

ASM1042S 芯片通过了 AEC-Q100 Grade1 认证，严格遵循 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理层标准，为系统设计提供了可靠的功能安全保障。在电磁兼容性（EMC）方面，该芯片支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3 标准（最高 500kbps 速率下无需共模扼流圈），确保在复杂的电磁环境中能够稳定工作，有效抵御外界电磁干扰，减少对其他电子设备的干扰。此外，ASM1042S 具备多种保护特性，如 IEC ESD 保护能力高达 ±15kV，能够防止静电放电对芯片造成的损害；总线故障保护电压范围宽达 ±70V，可应对航天器在复杂空间环境下可能出现的电压波动和异常情况；VCC 和 VIO（仅限 V 型号）电源终端具有欠压保护功能，有效防止因供电异常导致的芯片损坏和系统故障。这些保护措施全方位提升了芯片在恶劣环境下的生存能力和可靠性，确保商业航天通信系统的长期稳定运行。

（三）低功耗特性与节能优化

在商业航天应用中，功耗是至关重要的考量因素之一。ASM1042S 芯片具备低功耗待机模式及远程唤醒请求特性，能够在保证通信功能正常运行的前提下，有效降低芯片的能耗。在待机模式下，芯片的功耗大幅降低，减少了能源的浪费；而远程唤醒功能则允许芯片在需要进行数据传输时迅速恢复到正常工作模式，确保通信的及时性和可靠性。这一特性对于延长航天器的使用寿命、优化能源管理具有重要意义，特别是在一些对能源供应极为敏感的深空探测任务或小型卫星任务中，能够有效提升系统的整体性能和经济性。

（四）宽电压兼容性与集成便利性

ASM1042S 芯片支持 3.3V 和 5V 的 MCU接口电压范围，具备良好的电压兼容性。这使得该芯片能够与不同电压标准的微控制器以及其他外围设备无缝集成，降低了系统设计的复杂性和成本。在商业航天项目中，系统架构往往较为复杂，涉及多种不同类型和规格的电子设备，ASM1042S 的宽电压兼容性为其在复杂系统中的广泛应用提供了便利，提高了系统的集成度和可靠性。

（五）抗辐照能力与空间环境适应性

商业航天任务中，航天器长期暴露在复杂的太空辐射环境中，空间辐照会对电子设备的性能和可靠性产生严重影响。ASM1042S 芯片采用先进的抗辐照加固工艺，在抗单粒子效应（SEL≥75MeV·cm²/mg，SEU≥75MeV·cm²/mg）方面表现出色。这一抗辐照能力显著提高了芯片在空间环境下的稳定性和可靠性，有效降低了因辐射导致的芯片故障风险，延长了航天器的在轨使用寿命，为商业航天任务的顺利执行提供了坚实的硬件保障。

（六）产品系列完整性与多样化选择

ASM1042S 芯片涵盖了不同等级和封装类型的产品系列，包括工业级、汽车级和企业宇航级等，能够满足商业航天领域多样化的应用场景和环境要求。用户可根据具体的项目需求和系统设计指标，选择最合适的芯片型号，实现性能、成本和可靠性的最佳平衡。这种产品系列的完整性为商业航天系统的研发和集成提供了高度的灵活性和便利性，进一步推动了 CANFD 技术在商业航天领域的广泛应用。

五、ASM1042S ** 芯片在商业航天典型应用分析**

（一）卫星通信系统

在卫星通信系统中，ASM1042S 芯片作为核心通信组件，连接卫星上的各类传感器（如姿态传感器、温度传感器、压力传感器等）与数据处理单元以及地面站通信终端。卫星在轨道运行过程中，传感器实时采集的数据通过 CANFD 总线由 ASM1042S 芯片进行高效传输。凭借其 5Mbps 的高速传输速率和强大的抗干扰能力，ASM1042S 确保了海量遥测数据的实时、准确传输，使地面站能够在短时间内获取卫星的全面状态信息。同时，芯片的低功耗特性减少了卫星能源系统的负担，而其抗辐照能力则保证了在复杂空间辐射环境下数据传输的可靠性，有效避免了因数据丢失或错误导致的卫星运行异常判断和控制失误，为卫星的安全稳定运行提供了有力支持。

（二）卫星姿态控制系统

卫星姿态控制系统要求极高的数据传输实时性和可靠性，以确保卫星能够精确地调整姿态，准确指向目标方向。在该系统中，ASM1042S 芯片连接姿态传感器（如星敏感器、太阳敏感器等）、姿态控制计算机以及执行机构（如反应轮、磁力矩器等）。在姿态调整过程中，姿态传感器实时采集的数据通过 CANFD 总线快速传输至姿态控制计算机，计算机根据这些数据进行快速运算并生成控制指令，再通过 ASM1042S 芯片实时传输至执行机构，驱动其进行相应的姿态调整动作。ASM1042S 芯片的短传播延迟时间和快速循环次数特性，确保了控制指令的及时下达和执行，提高了姿态控制系统的响应速度和控制精度；其高可靠性和抗干扰能力则保证了在复杂的太空环境和卫星内部电磁干扰环境下，姿态控制系统数据传输的稳定性，有效提升了卫星的姿态稳定性和任务执行能力。

六、结论

CANFD 技术以其卓越的高速数据传输能力、灵活的数据速率配置、更长的数据字段以及强大的错误检测与纠正机制，在商业航天通信领域具有广阔的应用前景。ASM1042S 作为一款高性能、高可靠性的 CAN 收发器芯片，在满足 CANFD 协议要求的基础上，通过其出色的抗辐照能力、低功耗特性、宽电压兼容性以及多种保护机制，为商业航天通信系统的稳定运行提供了坚实的硬件基础。尽管在实际应用中仍面临复杂环境适应性、系统集成兼容性以及电磁兼容性等挑战，但随着技术的不断创新和产业的协同发展，CANFD 技术和 ASM1042S 芯片必将在未来的商业航天任务中发挥更加重要的作用，助力商业航天产业的蓬勃发展，为人类探索宇宙、开发利用太空资源提供更加先进的技术手段和解决方案。

审核编辑 黄宇