1 引言

随着载人航天活动向长期化、常态化方向演进，空间站在轨服务与维护需求日益增长。在轨服务机器人作为执行舱外巡检、部件更换、载荷照料及辅助装配等任务的重要装备，其各关节驱动单元、末端执行器与中央控制器之间的实时数据交互质量，直接决定了机器人操作的精度与安全性。控制器局域网络及其高速演进协议CAN FD，因其差分传输的抗干扰能力、非破坏性总线仲裁机制及高可靠性错误检测能力，已成为航天器内部分布式控制网络的主流总线技术之一。然而，空间站运行于距地面约400公里的近圆轨道，星上电子系统长期暴露于空间辐射环境之中，通信接口芯片的辐射耐受能力成为保障在轨服务机器人控制网络长期稳定运行的核心要素。本文以空间站在轨服务机器人关节驱动分布式控制网络为应用背景，深入探讨CAN FD通信技术在该场景中的可靠性设计考量，并基于国科安芯ASM1042S2S型抗辐射收发器的技术参数，评估其在高可靠航天控制网络中的适用性。

2 在轨服务机器人通信网络的技术特征

在轨服务机器人通常采用模块化、分布式的设计理念，其控制系统由中央管理单元、多个关节驱动控制器、力矩传感器、视觉处理单元及末端执行器控制器等节点组成。各节点通过冗余总线网络互联，形成分布式实时控制系统。CAN FD总线在该网络架构中承担着指令下发、状态反馈、故障诊断及紧急停止等关键信息的传输任务。由于机器人关节驱动控制对实时性要求较高，CAN FD协议通过在数据段采用更高的位速率（最高可达5 Mbps），在保持仲裁段兼容性的同时显著提升了有效数据吞吐量，这一特性对于需要频繁更新关节位置与速度指令的服务机器人控制系统尤为重要。

从控制理论的视角分析，在轨服务机器人的关节控制通常采用基于位置的伺服控制或基于力/位混合的柔顺控制策略。在位置伺服模式下，控制器以数百赫兹至数千赫兹的频率向关节驱动器发送目标位置与速度指令，同时接收编码器反馈的实际位置与电流信息。CAN FD协议以5 Mbps数据段速率传输一个包含8字节数据的完整数据帧，所需时间约为30至40微秒，相较于传统CAN 2.0协议在该速率下约120微秒的传输时间，显著降低了通信延迟在控制周期中所占的比例，从而为控制算法保留了更充裕的计算时间裕量。

空间站内部及舱外环境的电磁条件复杂多变，通信总线可能受到多种干扰源的影响，包括太阳电池阵开关噪声、推进系统点火脉冲、舱内大功率设备启停瞬态及舱外等离子体环境效应等。因此，服务机器人通信网络对收发器的共模抑制能力、总线故障保护能力及电磁兼容性能均有较高要求。此外，空间站作为长期有人驻留的航天器，其电子设备的可靠性设计通常要求单点故障不得导致任务降级或人员安全风险，通信总线及其接口器件的容错与保护特性需纳入系统设计的首要考虑。国际空间站（ISS）的多年运营经验表明，电子设备的在轨故障是导致舱外活动延期或任务调整的主要原因之一，而通信链路的可靠性问题在其中占有相当比例。

3 ASM1042S2S芯片在服务机器人网络中的性能匹配

ASM1042S2S型CAN FD收发器的技术参数与在轨服务机器人通信网络的需求之间存在多维度匹配关系。在数据传输性能方面，该芯片支持最高5 Mbps的数据域速率，典型循环延迟为110 ns。根据芯片测试报告中的实测数据，在标准测试条件下，该器件的总环路延迟（TXD至RXD）在隐性转显性转换时为128 ns，显性转隐性转换时为127 ns。这一延迟水平为CAN FD网络在2 Mbps乃至更高数据速率下的位定时设计提供了充足的传播延迟裕量，有助于在机器人关节驱动网络中实现更短的控制周期与更高的伺服更新频率。以一个包含6个关节的机械臂为例，若采用2 Mbps的CAN FD网络以1 kHz频率轮询各关节状态，整个总线周期约为数百微秒，ASM1042S2S的低延迟特性为此类实时控制应用提供了坚实的物理层支撑。

在总线保护特性方面，ASM1042S2S的共模输入电压范围为±30 V，总线故障保护电压达到±70 V。芯片测试报告中记录的总线高压输入测试结果表明，当CANH与CANL之间的共模电压分别达到±30 V时，器件的接收输出状态仍符合预期逻辑电平，测试结论为通过。这一高压容错能力使得收发器在总线线缆短路至电源或地线、连接器接触不良及线缆绝缘退化等故障场景下，能够有效保护内部电路免受永久性损伤，对于需要高可靠性的在轨服务应用具有重要意义。在空间站舱外环境中，线缆可能因微流星体撞击、热循环疲劳或机械磨损而产生绝缘退化，高压保护特性可有效应对此类渐进式故障模式。

在空间辐射耐受方面，ASM1042S2S的总电离剂量指标不低于150 krad(Si)，单粒子闩锁阈值不低于75 MeV·cm²/mg。空间站轨道高度的辐射环境虽低于高轨卫星，但在太阳活动极大年期及地磁暴事件期间，质子通量与电子通量均会显著增强。根据国际空间站的辐射监测数据，在太阳质子事件期间，舱外辐射剂量率可在数小时内上升一个数量级以上。该器件的抗辐射指标为在轨服务机器人通信网络在整个空间站任务周期内维持稳定通信提供了物理层面的保障。此外，该器件支持3.3 V与5 V两种I/O电平接口，便于与不同电压等级的微控制器或数字信号处理器直接互联，简化了服务机器人控制系统的接口设计。从系统集成工程的角度审视，在轨服务机器人的控制器选型往往需要在计算性能、功耗及抗辐射能力之间进行权衡，不同代际的控制器可能采用不同的I/O电压标准。ASM1042S2S的双电压支持能力为系统架构师提供了更大的器件选型灵活性，避免了因电平不匹配而引入额外的电平转换芯片，从而减少了元器件数量、降低了电路板面积占用并简化了物料清单管理。

4 网络容错与低功耗设计的工程价值

在轨服务机器人在非工作时段通常处于待机或休眠状态，以降低空间站电力系统的负荷。ASM1042S2S提供了低功耗待机模式，该模式下CAN发送器与接收器均关闭，器件通过总线唤醒滤波器监测符合特定时序要求的远程唤醒请求。测试数据表明，待机模式下的电源电流实测值仅为0.1 μA，而唤醒滤波时间约为1.33 μs。这一低功耗待机与快速唤醒特性，使得机器人通信网络能够在保持极低静态功耗的同时，响应来自中央控制器或其他节点的实时唤醒指令，对于优化空间站的能源预算具有积极的工程意义。考虑到空间站在地影期完全依赖蓄电池供电，星上所有设备的功耗优化均具有显著的 mission-level 价值。

在总线容错机制方面，ASM1042S2S集成了显性超时保护（TXD DTO）功能。当TXD引脚上的显性电平持续时间超过设定的超时阈值（典型实测值为2.43 ms）时，发送器将被自动禁止，CAN总线进入隐性状态，从而防止因控制器软件故障或硬件异常导致的总线持续占用与网络阻塞。这一保护机制对于在轨服务机器人等安全关键应用场景尤为重要，可在不依赖上层软件干预的情况下实现总线状态的自动恢复，提升了通信网络的固有安全性。在舱外机器人操作中，若因软件异常导致某关节控制器持续占用总线，显性超时保护可在数毫秒内自动释放总线，确保其他关节的紧急停止指令能够及时送达。

从系统架构设计的角度，该器件的欠压保护功能同样值得关注。当VCC或VIO电源电压跌落至阈值以下时，收发器自动将总线置于高阻态，防止因电源瞬态跌落导致的总线异常驱动。在轨服务机器人的电源系统通常采用分布式二次电源架构，各关节驱动器的供电可能因线缆阻抗或负载突变而产生瞬态跌落，欠压保护功能可有效隔离此类局部电源扰动对总线通信的影响。此外，该器件符合ISO 11898-2:2016与ISO 11898-5:2007物理层标准的合规性，确保了其与符合同一标准的其他厂商CAN FD控制器及收发器之间的互操作性，为在轨服务机器人通信网络的多源器件兼容策略提供了标准层面的技术支撑。

5 结论

在轨服务机器人作为空间站运营与维护的核心装备，其关节驱动控制网络对通信接口器件提出了高速率、高可靠、强抗干扰及低功耗的综合要求。ASM1042S2S型抗辐射CAN FD收发器以最高5 Mbps的数据传输能力、±70 V的总线故障保护电压、不低于150 krad(Si)的总剂量耐受水平及0.1 μA的待机功耗，为在轨服务机器人通信网络的设计提供了一种兼顾性能与可靠性的器件级解决方案。该器件的显性超时保护、欠压锁定及宽温工作范围等特性，进一步增强了其在空间站长期驻留环境下的适用性。随着空间站运营向商业化方向拓展，具备高可靠性与长寿命特征的国产抗辐射通信器件，将在降低在轨维护成本、提升任务可用性方面发挥日益重要的作用。