專利名稱：一種基于nios ii微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于NIOS II微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置，屬于天線伺服系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，用于對天線伺服系統(tǒng)的高精度控制，同樣適用于高性能、高集成度天線伺服系統(tǒng)的控制。
背景技術(shù)：
天線伺服系統(tǒng)是遙測系統(tǒng)中重要的組成部分，其主要作用是當目標進入視線范圍內(nèi)時，使接收天線自動搜索并捕獲目標，以一定的跟蹤精度連續(xù)跟蹤目標，使目標始終處于主波束的中心線附近，從而以最大接收增益可靠地連續(xù)接收遙測信號。特別是當出現(xiàn)故障， 目標偏離預(yù)定飛行軌道時，天線伺服系統(tǒng)能在較大空域范圍內(nèi)搜索捕獲目標并進行跟蹤， 獲得重要的遙測數(shù)據(jù)以判斷故障。在遙測跟蹤設(shè)備中，數(shù)字伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性已經(jīng)日益明
Mo現(xiàn)有的天線控制器分為模擬控制器和數(shù)字控制器兩大類。由于模擬控制器難于實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，難于滿足天線伺服系統(tǒng)高精度控制的需要，因此數(shù)字控制器是必然選擇。數(shù)字控制器的優(yōu)點表現(xiàn)在參數(shù)修改方便，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制器算法，能夠滿足高精度控制的要求。另外數(shù)字控制器適合集成化，模塊化設(shè)計，相對于模擬控制器其體積大大縮小，而且功耗明顯降低，這對于航天應(yīng)用非常有吸引力。另外系統(tǒng)的更新?lián)Q代由于只涉及軟件而更為容易。目前以Ti公司的C2000系列DSP為控制核心的天線控制器比較普遍，這類方案雖然能夠?qū)崿F(xiàn)天線伺服系統(tǒng)的控制，但也存在以下缺點(1)數(shù)據(jù)處理能力不夠。C2000系列為定點型DSP，浮點數(shù)據(jù)處理能力不足，不能滿足運行復(fù)雜控制算法的實時性要求。(2)外設(shè)接口不足。TI公司常見的DSP C2000系列的外設(shè)接口豐富多樣，但是串口(UART)只有兩個，如果選用這一款，需要從并行數(shù)據(jù)外擴串行口。一旦項目需求變化，所需的硬件外設(shè)也需要重新設(shè)計。如果選用Ti公司的C6000系列DSP芯片，雖然運算能力足夠，但是外設(shè)接口仍然欠缺，同樣不能滿足天線伺服系統(tǒng)的需求。

實用新型內(nèi)容本實用新型的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于NIOSII微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置。本實用新型的技術(shù)解決方案是一種基于NIOS II微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置，包括FPGA模塊、接口模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA模塊包括配置芯片、FPGA芯片、外擴SDRAM和外擴Flash，F(xiàn)PGA芯片分別與配置芯片、外擴SDRAM和外擴Flash連接，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)嵌NIOS II微處理器，A/D轉(zhuǎn)換模塊包括多路選擇芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片，接口模塊由PCI 橋接芯片組成，PCI橋接芯片連接FPGA芯片和上位機，多路選擇芯片將接收到模擬量信號送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入到FPGA芯片。所述的FPGA芯片采用StratixEPlS25芯片。[0008]所述的A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD1674芯片，多路選擇芯片選用了 MAXIM公司的DG406， A/D轉(zhuǎn)換芯片和多路選擇芯片之間通過0P37芯片進行連接。本實用新型設(shè)計原理FPGA芯片內(nèi)嵌NIOS II微處理器，包含豐富的外設(shè)資源。其中兩路串口采集天線位置信息及天線開關(guān)量信號，用程序控制接收機信號和推桿信號的采樣并通過PIO進行采集，按鍵信號、時碼信號同樣通過Pio采集到NIOS II微處理器中，上位機的控制信息和天線控制器的監(jiān)控信息均通過CPCI總線進行傳輸，并且天線控制器預(yù)留了兩路串口接口可以接收數(shù)字接收機信息和三路串口接口可以接收三路慣導(dǎo)信息。Nios II微處理器中含有定時器，每IOms產(chǎn)生一個中斷信號。當定時中斷產(chǎn)生后，天線控制器采集天線位置信息、接收機信號、推桿信號、按鍵信號、時碼信號，并根據(jù)上位機下發(fā)的控制指令，選擇相應(yīng)的工作模式，從而選擇對應(yīng)的控制算法生成控制量，通過串口傳給天線驅(qū)動單元，從而實現(xiàn)對天線伺服系統(tǒng)的高精度控制。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1)本實用新型利用Altera公司的Mratix系列的EP1S25F780芯片為執(zhí)行核心， 實現(xiàn)對天線伺服系統(tǒng)的高精度控制；(2)本實用新型具有數(shù)字控制器的優(yōu)點調(diào)試靈活、方便、體積小、重量輕、便于實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，較現(xiàn)有的定點DSP為核心的數(shù)字控制器而言，本實用新型的數(shù)據(jù)處理能力顯著提高，能夠滿足復(fù)雜控制算法的實時性要求；(3)本實用新型采用NIOS II微處理器可實現(xiàn)軟件可重構(gòu)，NIOS II微處理器是一種軟核CPU，專門針對Altera的可編程邏輯器件及片上可編程系統(tǒng)的設(shè)計思想，做了相應(yīng)優(yōu)化，作為一種可配置的通用RISC處理器，它可以與用戶自定義邏輯結(jié)合構(gòu)成SOC系統(tǒng)，并下載到Altera的可編程器件中去，32位NIOS軟核，結(jié)合外部閃存以及大容量存儲器，可構(gòu)成一個功能強大的32位嵌入式處理器系統(tǒng)；(4)本實用新型采用NIOS II微處理器技術(shù)不僅滿足了大量的運算量需求，使天線的各種狀態(tài)可以實時上報給上位機并顯示在監(jiān)控界面中，而且實現(xiàn)了外設(shè)的可定制，滿足了系統(tǒng)對于外設(shè)接口眾多的需求，使得系統(tǒng)的集成度進一步提高；(5)本實用新型實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化、模塊化、集成化，并且實現(xiàn)了外設(shè)可重構(gòu)，可以在不改變電路設(shè)計的基礎(chǔ)上通過生成不同的NIOS II微處理器滿足系統(tǒng)不同外設(shè)的需求，實現(xiàn)了對天線伺服系統(tǒng)的高精度控制。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2為本實用新型的控制原理框圖；圖3為本實用新型的FPGA內(nèi)嵌的NIOS II微處理器；圖4為本實用新型的A/D轉(zhuǎn)換模塊電路圖；圖5為本實用新型的外擴Flash存儲器電路圖；圖6為本實用新型的外擴SDRAM電路圖；圖7為本實用新型的PCI橋接芯片電路圖；圖8為本實用新型的FPGA模塊的控制流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的硬件模塊主要由接口模塊6、A/D轉(zhuǎn)換模塊10、FPGA模塊4組成，其中接口模塊6包括PCI橋接芯片5，A/D轉(zhuǎn)換模塊10包括多路選擇芯片9和A/ D轉(zhuǎn)換芯片8，F(xiàn)PGA模塊4包括FPGA芯片3、配置芯片2、外擴Flash存儲器11和外擴SDRAM 12。PCI橋接芯片90M與上位機7和FPGA模塊4相接，用于將FPGA模塊4生成的各種狀態(tài)監(jiān)控信號上報給上位機7，并且將上位機7發(fā)送的各種控制信號下發(fā)給FPGA模塊4。接口模塊6將上位機7下發(fā)的控制命令通過PCI橋接芯片5下發(fā)給FPGA芯片3，F(xiàn)PGA芯片3 采集到的各種監(jiān)控信號也通過PCI橋接芯片5上報給上位機7，并顯示在上位機7的監(jiān)控界面上。多路選擇芯片9選擇接收機1到接收機4的AGC信號、方位誤差信號、俯仰誤差信號和推桿的方位信息、俯仰信息中的其中一路送入A/D轉(zhuǎn)換芯片8中，由FPGA芯片3控制 A/D轉(zhuǎn)換的起始，轉(zhuǎn)換結(jié)束后的12位數(shù)字信息送入FPGA芯片3中。FPGA芯片3中內(nèi)嵌了 NIOSII微處理器，配合外擴的Flash存儲器11及SDRAM12，構(gòu)成了一個強大的嵌入式處理器系統(tǒng)。OTOS II微處理器采集接收機信號、推桿信號、按鍵信號、時碼信號，并接收上位機 7通過PCI橋接芯片5下發(fā)的控制指令與天線驅(qū)動單元1通過差分串口傳輸?shù)奶炀€座角度信息、開關(guān)量信息及功放自身的信息，通過一定的控制率實現(xiàn)對天線座的高精度控制。如圖2所示，給出了本實用新型的控制原理，F(xiàn)PGA模塊4控制時碼信息、接收機信息、推桿信息和按鍵信息的檢測，并根據(jù)上位機7下發(fā)的控制信號生成一定的控制量，通過 RS422串口傳輸給天線驅(qū)動單元1，天線驅(qū)動單元1根據(jù)FPGA模塊4輸出的控制量生成一定的控制電流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)天線伺服系統(tǒng)的高精度控制。FPGA模塊4控制接收機信號和推桿信號的采樣；內(nèi)嵌了 NIOS II微處理器，采集天線位置信息、接收機信號、推桿信號、按鍵信號、時碼信號，并根據(jù)上位機7下發(fā)的各種控制指令，選擇相應(yīng)的工作模式，從而選擇對應(yīng)的控制算法生成控制量，通過RS422串口傳給天線驅(qū)動單元1，從而實現(xiàn)對天線伺服系統(tǒng)的高精度控制。如圖3所示，F(xiàn)PGA模塊4內(nèi)嵌了 NIOS II微處理器。NIOS II微處理器是一種采用流水線技術(shù)、單指令流的RISC處理器，其大部分指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。NIOS II微處理器又是一種軟核CPU，專門針對Altera的可編程邏輯器件及片上可編程系統(tǒng)的設(shè)計思想，做了相應(yīng)優(yōu)化。作為一種可配置的通用RISC處理器，它可以與用戶自定義邏輯結(jié)合構(gòu)成SOC系統(tǒng)，并下載到Altera的可編程器件中去。32位NIOS軟核，結(jié)合外部閃存以及大容量存儲器，可構(gòu)成一個功能強大的32位嵌入式處理器系統(tǒng)。NIOS II微處理器采集接收機信號、推桿信號、按鍵信號、時碼信號，并接收上位機7通過PCI橋接芯片5下發(fā)的控制指令與天線驅(qū)動單元1通過差分串口傳輸?shù)奶炀€座角度信息、開關(guān)量信息及功放自身的信息，通過一定的控制率實現(xiàn)對天線座的高精度控制。如圖4所示，為本實用新型的A/D轉(zhuǎn)換模塊10電路圖。A/D轉(zhuǎn)換模塊10包括多路選擇芯片9和A/D轉(zhuǎn)換芯片8。多路選擇芯片9與接收機信號、推桿信號相連，用于選擇一路模擬量信號送入A/D轉(zhuǎn)換芯片8進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換芯片8與FPGA模塊4相連，用于將模擬量信號進行采樣，得到數(shù)字化的接收機信號和推桿信號。本實用新型的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用的是AD公司的AD1674，該芯片具有12位精度、IOus的采樣速率，可以支持士5V、 士 10V、0 10V、0 20V的電壓輸入范圍。多路選擇芯片9選用了 MAXIM公司的DG406，該芯片支持對輸入信號的16選1操作。兩者之間通過芯片0P37進行連接，完全滿足了系統(tǒng)采集接收機信號及推桿信號的需求。信號的選擇及A/D轉(zhuǎn)換的開始均由FPGA模塊4中的 NIOS II微處理器控制，并由其在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀出AD1674輸出的12位數(shù)字信息。如圖5、6所示，為本實用新型的外擴Flash存儲器11及外擴SDRAM12。 FPGA芯片3中內(nèi)嵌了 NIOS II微處理器，程序初始存儲于Flash存儲器11中，待上電后，程序從 Flash存儲器11中轉(zhuǎn)入SDRAM12中運行。如圖7所示，本實用新型的PCI橋接芯片5選用了 PCI9054。PCI90M是美國PLX 公司生產(chǎn)的PCI總線接口芯片，它滿足PCI V2. 2協(xié)議，支持32位33MHz時鐘PCI總線，特別適用于PCI總線外設(shè)產(chǎn)品開發(fā)。PCI90M采用PLX業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)流水線架構(gòu)(Data Pipe Architecture)技術(shù)，配備DMA引擎、可編程直接主控和直接從屬數(shù)據(jù)傳輸以及PCI信息傳輸功能。PCI90M具有三個設(shè)備局域總線選項M模式、C模式及J模式。本實用新型采用 T PCI90M局域總線J模式。FPGA的控制流程如圖8所示系統(tǒng)上電后從配置芯片中加載邏輯信息，成功加載后從Flash中加載NIOS II微處理器中的程序，初始化結(jié)束后進入正常工作模式，沒有中斷時NIOS II微處理器執(zhí)行空操作，有中斷時進入主中斷。在主中斷中首先讀取上位機的控制信息，然后由上位機的控制信息進行工作模式的選擇，并PID控制程序中計算出天線驅(qū)動單元的控制量，最后由串口發(fā)送程序通過RS422串口發(fā)送給天線驅(qū)動單元。在串口發(fā)送程序結(jié)束后進入中斷判斷程序中。本實用新型作為基于NIOS II微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置的平臺，提供了足夠的硬件資源，和先進的控制算法，應(yīng)用者可以根據(jù)其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域通過修改NIOS II微處理器來靈活方便地實現(xiàn)其功能。本實用新型未詳細說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
權(quán)利要求1.一種基于NIOS II微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置，其特征在于包括FPGA模塊G)、接口模塊(6)和A/D轉(zhuǎn)換模塊(10)，F(xiàn)PGA模塊(4)包括配置芯片O)、FPGA芯片 (3)、外擴SDRAM(12)和外擴Flash (11)，F(xiàn)PGA芯片(3)分別與配置芯片(2)、外擴SDRAM(12) 和外擴Flash(Il)連接，F(xiàn)PGA芯片(3)內(nèi)嵌NIOS II微處理器，A/D轉(zhuǎn)換模塊(10)包括多路選擇芯片(9)和A/D轉(zhuǎn)換芯片(8)，接口模塊(6)由PCI橋接芯片(5)組成，PCI橋接芯片(5)連接FPGA芯片(3)和上位機(7)，多路選擇芯片(9)將接收到模擬量信號送入A/D 轉(zhuǎn)換芯片(8)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入到FPGA芯片(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于NIOSII微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置，其特征在于所述的FPGA芯片(3)采用StratixEPlS25芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于NIOSII微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置，其特征在于所述的A/D轉(zhuǎn)換芯片(8)采用AD1674芯片，多路選擇芯片(9)選用了 MAXIM公司的DG406，A/D轉(zhuǎn)換芯片(8)和多路選擇芯片(9)之間通過0P37芯片進行連接。
專利摘要一種基于NIOS II微處理器的集成化天線數(shù)字控制裝置，是一種能夠用來對天線伺服系統(tǒng)進行高精度控制的控制裝置，其主要包括接口電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片、FPGA模塊。本實用新型通過A/D轉(zhuǎn)換芯片獲取接收機信號、推桿信號數(shù)據(jù)并傳給FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊內(nèi)嵌NIOS II微處理器，同時采集接收機信號、推桿信號、按鍵信號、時碼信號、差分串口信號，并根據(jù)這些信號進行天線控制模式的選擇和按照一定的控制算法生成控制量傳給天線驅(qū)動單元，從而實現(xiàn)對天線伺服系統(tǒng)的控制。本實用新型具備很強的數(shù)據(jù)處理能力，而且實現(xiàn)了天線伺服控制器的高度集成化設(shè)計，使得天線伺服控制器的集成度大大提高。
文檔編號G05B19/418GK202041826SQ20102069790
公開日2011年11月16日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者李鐵, 賈軍, 趙書陽, 陳大平 申請人:北京遙測技術(shù)研究所