星载姿态控制系统的数据接口加固：ASM1042S2S型CANFD收发器抗辐射机理与工程应用

一、引言航天器姿态确定与控制系统Attitude Determination and Control System, ADCS是保障卫星在轨正常运行的核心分系统之一。ADCS负责实时测量航天器相对于惯性空间或参考目标的姿态角和姿态角速度并通过执行机构如反作用飞轮、磁力矩器、推进器等产生控制力矩使航天器姿态稳定或按预定规律机动。在现代微纳卫星和小卫星平台中ADCS通常由星敏感器、太阳敏感器、MEMS陀螺、磁强计、GPS接收机、反作用飞轮组、磁力矩器和姿态控制计算机等多个功能单元组成这些单元之间需要高可靠、低延迟的数据通信链路来传输测量数据和控制指令。控制器局域网CAN总线由于其差分传输、非破坏性总线仲裁和内置错误检测机制在汽车电子领域被广泛用于发动机控制、底盘控制和车身电子等安全关键系统。CANFD作为CAN的升级版在保持原有协议优势的基础上将数据段波特率提升至5Mbps甚至更高有效载荷也从8字节增加至64字节显著提升了数据吞吐效率。将CANFD总线技术引入星载ADCS数据通信网络有望为商业航天器提供一种经济高效且可靠性良好的数据总线方案。本文以国科安芯ASM1042S2S型商业航天级CANFD收发器为研究对象深入分析其抗辐射加固机理探讨其在星载姿态控制系统中的应用可行性。二、星载姿态控制系统的通信架构与接口需求2.1 ADCS通信拓扑结构典型的微纳卫星ADCS采用分布式架构姿态控制计算机作为总线主节点负责采集各敏感器数据、运行姿态确定和姿态控制算法并向执行机构发送控制指令。敏感器和执行机构作为从节点按照预定的通信周期向主节点上报测量数据或接收控制指令。在这种架构下总线通信的实时性和可靠性直接影响姿态控制的精度和稳定性。以采用反作用飞轮三轴姿态稳定模式的卫星为例姿态控制周期通常为50ms至100ms在一个控制周期内主节点需要完成三轴陀螺数据读取、星敏数据读取、姿态确定计算、控制律计算和三轴飞轮指令下发等多个步骤对总线通信的延迟和抖动提出了严格要求。2.2 空间辐射环境对ADCS通信接口的影响ADCS的电子学组件分布于卫星的不同位置星敏感器通常安装于对地或对天面以获得最佳观测条件太阳敏感器和磁强计安装于星体外表面反作用飞轮和磁力矩器则安装在星体内部。这种空间分布使得连接各组件的通信电缆不可避免地暴露于空间辐射环境中。虽然电缆本身对辐射不敏感但位于电缆末端的接口芯片直接承受辐射粒子轰击的风险。对于ADCS而言通信接口的失效可能导致姿态测量数据丢失或控制指令中断进而引发卫星姿态失控甚至整星失效的严重后果。因此ADCS通信接口芯片必须具备足够的抗辐射能力以承受低轨或中轨轨道数年甚至十余年的辐射累积效应。2.3 接口芯片的功能安全需求ADCS作为卫星的关键分系统其通信接口芯片的功能安全性至关重要。除了抗辐射性能外接口芯片还应具备故障安全Fail-Safe特性即在出现总线短路、断路、电源掉电或节点故障等异常情况下总线仍能保持可预测的电状态避免故障节点干扰正常节点的通信。此外低功耗特性对于ADCS尤为重要因为ADCS通常需要持续工作其功耗占整星功耗的相当比例。三、ASM1042S2S型CANFD收发器的技术特性与加固机理3.1 器件概况与工艺特征ASM1042S2S型CANFD收发器由厦门国科安芯科技有限公司研制北京国科环宇科技股份有限公司生产是一款面向商业航天应用的高可靠性通信接口芯片。该器件采用VIS 0.15μm BCDBipolar-CMOS-DMOS工艺制造BCD工艺将双极型晶体管、CMOS晶体管和DMOS功率晶体管集成在同一衬底上兼具模拟电路的高精度、数字电路的低功耗和功率器件的高耐压特性非常适合制造汽车电子和工业控制领域的接口芯片。该器件采用SOP8L表面贴装封装工作温度范围为-55℃至125℃符合商业航天级器件的温度等级要求。3.2 总线驱动与接收电路的电气特性CANFD收发器的核心功能是将来自控制器的发送数据TXD转换为差分总线信号CANH/CANL以及将差分总线信号转换为接收数据RXD输出给控制器。ASM1042S2S的实测电气参数表明在显性状态Dominant State下当TXD为低电平且总线负载电阻RL在50Ω至65Ω范围内时CANH输出电压典型值为3.532VCANL输出电压典型值为1.000V差分输出电压VOD(DOM)典型值为2.531VRL60Ω至3.88VRL2240Ω。在隐性状态Recessive State下当TXD为高电平时差分输出电压VOD(REC)典型值为0mVRL60Ω至-0.022mVRL开路表明收发器在隐性状态下对总线呈高阻态不会对总线电平产生显著影响。输出电压对称性VSYM是衡量CAN收发器共模干扰抑制能力的重要指标。实测结果显示ASM1042S2S的VSYM在250kHz和1MHz测试频率下为0.929至1.002 V/V直流输出电压对称性VSYM_DC为0.29V均处于规格书规定的0.9至1.1 V/V和-0.4V至0.4V容限范围内。良好的输出对称性有助于降低CAN总线辐射的电磁干扰EMI提高系统的电磁兼容性EMC。3.3 抗辐射加固设计机理ASM1042S2S的抗辐射性能主要通过工艺选择和电路设计两个层面实现。在工艺层面VIS 0.15μm BCD工艺采用外延硅衬底和阱隔离结构能够有效抑制单粒子锁定SEL的发生。当高能重离子或质子穿过器件敏感区域时会在衬底中激发电子-空穴对若这些载流子被寄生双极型晶体管结构收集可能触发可控硅整流器SCR结构的导通形成从电源到地的低阻通路即单粒子锁定。BCD工艺通过优化阱结构、增加保护环Guard Ring和采用外延层设计显著提高了寄生SCR结构的触发电流从而提升了抗SEL能力。在电路层面ASM1042S2S集成了过温保护Thermal Shutdown, TSD、欠压保护UnderVoltage Protection, UVP和显性超时保护TXD Dominant Time-out, DTO等多种安全机制。过温保护在芯片结温超过安全阈值时自动关闭驱动器防止热失控欠压保护在VCC或VIO电源电压低于阈值时禁止总线驱动避免在电源不稳定状态下输出错误电平显性超时保护则在TXD持续保持显性电平超过tTXD_DTO时间规格书规定为1.2ms至3.8ms实测值为2.43ms时自动释放总线防止因控制器故障导致的总线永久性占用。这些保护机制不仅提高了器件在正常工作条件下的可靠性也在一定程度上增强了器件在辐射诱发异常状态下的生存能力。四、抗辐射性能试验数据分析4.1 总剂量效应试验方法与结果总剂量效应TID是空间辐射环境中半导体器件面临的主要退化机制之一。电离辐射在栅氧化层中沉积能量产生电子-空穴对其中部分空穴被氧化层陷阱捕获形成固定的正电荷导致MOS晶体管的阈值电压负向漂移和亚阈值斜率退化。对于BCD工艺器件总剂量效应主要影响CMOS部分的栅氧化层和场氧化层可能导致漏电流增大和逻辑功能异常。ASM1042S2S的总剂量效应试验依据QJ 10004A-2018标准执行试验单位北京中科芯试验空间科技有限公司具备国防军工相关资质。试验采用钴60γ射线源剂量率为25 rad(Si)/s该剂量率属于低剂量率范畴更接近空间实际辐射环境的剂量率特征低轨卫星内部典型剂量率约为0.001至0.1 rad(Si)/s。虽然试验剂量率高于在轨实际值但依据GJB 548C-2023中的规定当剂量率不高于规定值的三倍时试验结果可直接用于评估器件的抗TID能力。试验对器件进行了100 krad(Si)的额定剂量辐照和50%过辐照即累积剂量150 krad(Si)。过辐照的目的是评估器件在超出额定工作剂量条件下的性能裕量。试验后对器件进行168小时高温退火处理以评估辐射损伤的可恢复性。退火后再次进行完整的电参数测试和功能验证。试验结论为ASM1042S2S型CANFD的抗总剂量辐照指标大于150 krad(Si)退火后性能外观均合格。这一指标对于低轨卫星典型任务剂量为1至10 krad(Si)/年而言提供了至少15倍以上的设计裕量。4.2 重离子单粒子效应试验分析单粒子效应试验分别在重离子加速器和质子加速器上进行覆盖了低轨空间辐射环境中的主要辐射粒子类型。重离子单粒子试验采用⁷⁴Ge离子其LET值为37.4 MeV·cm²/mg这一LET值覆盖了低轨空间中绝大多数重离子的LET范围低轨重离子LET峰值通常在10至50 MeV·cm²/mg之间。试验总注量达到1×10⁷ ion/cm²相当于卫星在轨运行数年至数十年可能接收到的等效重离子注量。试验过程中器件施加5V工作偏置并持续进行CANFD数据收发功能测试。试验结果为未发生单粒子锁定SEL和单粒子翻转SEU。单粒子翻转是指辐射粒子击中存储单元或触发器等敏感节点导致逻辑状态发生翻转。对于CANFD收发器而言SEU可能影响内部控制寄存器或状态机的状态导致总线工作模式异常。试验中未观测到SEU现象表明器件内部电路对单粒子扰动具有良好的免疫能力。器件的SEL和SEU阈值均评定为大于37.4 MeV·cm²/mg。4.3 质子单粒子效应试验分析质子单粒子效应试验在中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上进行。100 MeV质子的射程在硅中约为40mm足以穿透器件封装和芯片表面钝化层到达器件有源区。试验总注量达到1×10¹⁰ protons/cm²这一注量远高于低轨卫星典型任务期间接收的质子注量通常为10⁸至10⁹ protons/cm²量级。在如此严苛的辐照条件下器件功能正常未出现单粒子效应判定为合格。质子在器件中主要通过核反应产生次级重离子来诱发单粒子效应与重离子直接电离的机制不同。因此质子试验与重离子试验具有互补性两者结合能够更全面地评估器件在空间质子 dominated 辐射环境中的抗单粒子效应能力。五、在星载姿态控制系统中的应用方案5.1 ADCS总线网络架构设计基于ASM1042S2S的星载ADCS CANFD总线网络可采用典型的主从式拓扑结构。姿态控制计算机作为主节点通过其内部CANFD控制器和ASM1042S2S收发器连接到总线。星敏感器、太阳敏感器、MEMS陀螺、磁强计、反作用飞轮驱动器和磁力矩器驱动器等作为从节点每个从节点配置独立的CANFD控制器和ASM1042S2S收发器。总线两端配置120Ω终端电阻总线物理层采用双绞屏蔽线以提高抗电磁干扰能力。在通信协议层面可采用基于CANopen或自定义的轻型应用层协议。主节点以固定周期如10ms向各敏感器节点发送数据请求帧敏感器节点在接收到请求后回送测量数据帧。执行机构节点则以较低频率如100ms接收来自主节点的控制指令帧。这种周期性通信模式能够满足ADCS对数据实时性的要求同时避免总线过载。5.2 与现有方案的对比分析目前星载ADCS常用的通信接口包括RS-422/485、SPI和CAN等。RS-422/485虽然传输距离远、抗干扰能力强但仅支持点对点或主从式通信缺乏多主仲裁机制且需要额外的错误检测和流量控制逻辑。SPI通信速率高但仅适用于短距离板级通信且每个从设备需要独立的片选线扩展性受限。传统CAN总线虽然具备多主仲裁和错误检测能力但最高速率仅为1Mbps数据帧有效载荷仅8字节难以满足高精度姿态控制的大数据量传输需求。相比上述方案基于ASM1042S2S的CANFD总线方案具有以下优势一是支持最高5Mbps的数据速率和64字节的有效载荷显著提升了数据吞吐能力二是内置非破坏性总线仲裁和多种错误检测机制CRC、位填充、ACK确认等通信可靠性高三是差分传输方式对共模干扰具有天然抑制作用适合电磁环境复杂的星载平台四是ASM1042S2S具备商业航天级抗辐射性能无需额外增加抗辐射屏蔽措施。5.3 在轨应用验证ASM1042S2S型CANFD收发器已在两颗商业遥感卫星——TY29天仪29星和TY35天仪35星上完成在轨飞行验证。这两颗卫星于2025年5月发射入轨在轨运行期间ASM1042S2S以5Mbps接口速率应用于卫星通信系统的数据传输。截至2025年7月1日芯片运行正常接口通信稳定功能和性能满足卫星在轨应用需求。虽然该在轨验证是在遥感卫星平台上完成的但其通信接口芯片的工作环境与姿态控制系统类似均为星载电子系统内部的数字通信链路因此该验证结果对于评估ASM1042S2S在ADCS中的适用性同样具有参考价值。六、结论ASM1042S2S型CANFD收发器通过BCD工艺选择、电路级保护设计和系统级抗辐射加固实现了优异的电气性能和抗辐射性能。该器件支持5Mbps CANFD通信具备±70V总线故障保护和多种ESD防护能力抗总剂量辐照指标大于150 krad(Si)抗单粒子锁定和单粒子翻转阈值大于37.4 MeV·cm²/mg并已在商业卫星上完成在轨验证。对于星载姿态控制系统而言ASM1042S2S提供了一种高可靠、低延迟、易扩展的数据总线接口解决方案有望在商业航天ADCS领域获得推广应用。