CN101876699B - 一种星载微波辐射计的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统及其控制方法。该系统包括：FPGA芯片、通讯芯片、电平转换电路、数据采集板接口以及天线驱动接口插槽，通过FPGA芯片与通讯芯片、电平转换电路和数据采集板配合来实现星载微波辐射计的系统控制，完成包括数据采集、遥测、RAD控制、天线控制和总线通讯的微波辐射计的系统功能。本发明的控制系统通过采用FPGA芯片来实现星载微波辐射计的控制电路部分，增加控制电路的集成性，组成的系统体积较小，功耗低，能适用于更高速率要求的数据处理而且可靠性高。并且由于FPGA的可编程性好，只需改动FPGA内部的程序，就可以适用于不同需求的微波辐射计控制系统。

Description

一种星载微波辐射计的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA软核处理器技术的终端系统控制装置，尤其涉及一种用于星载微波辐射计的基于FPGA软核处理器技术的终端控制系统及其控制方法。

背景技术

国内在以往的星载微波遥感器的设计中，数字处理部分的设计主要分为总线通讯模块和测控模块两大模块，而两个模块由两个独立的80C31芯片和分立的数字电路芯片构成。例如，图13是现有的星载微波辐射计的控制系统的结构图。如图13所示，该控制系统由三块电路板和母板相连接来实现微波辐射计的系统控制功能。这三个电路板分别是天线驱动接口电路板、辐射计测控电路板和总线通讯电路板，该天线驱动接口电路板包括一个CPLD芯片和LVDS接收发送等芯片，由CPLD芯片实现串并变换和并串变换，天线控制信号的译码等功能，LVDS接收发送芯片实现跟天线的信号连接；该辐射计测控电路板由一个80C31微处理器芯片、一个SRAM、一个PROM和一些38译码器芯片、逻辑与门芯片、逻辑非门芯片及逻辑或门芯片等组成，实现辐射计的测量和控制等功能；该总线通讯电路板由一个80C31微处理器芯片、一个SRAM、一个PROM、两个FIFO芯片、通讯芯片和一些38译码器芯片、逻辑与门芯片、逻辑非门芯片及逻辑或门芯片等组成，实现辐射计控制系统与卫星总线控制器的通讯功能。这三个电路板需要通过母板的接口连接其数据总线、地址总线和控制线等，结构冗余复杂。体积大，而且功耗较高，连接复杂，可靠性不易控制。80C31的速度也有限，不适用于数据传输速率要求较高的系统。

可移植性好是软IP核的一大优点，而MC8051软核处理器将此优点进一步发扬。由以其为第三方设计、纯VHDL描述、不涉及任何厂商的专用IP，故可以例化到各不同厂商的不同系列FPGA中。传统的80C31芯片执行一条指令的时间是2微秒，而MC8051软核处理器执行一条指令只需要83纳秒的时间，如果时钟频率高的话还可以更快。所以软核处理器能够适应更高的采集速率，处理数据的速度也更快。跟硬核处理器相比，软核处理器只由硬件编程语言的程序组成，跟芯片的工艺无关，可以移植到任何工艺的芯片里，而且接口由用户按需求自己定义，硬核处理器的通用接口则太多，增加了系统的功耗。所以软核处理器的可移植性和功耗方面都优于硬核处理器，越来越多地被应用于各种控制系统中。

当今航天遥感仪器的设计越来越趋于高功能密度及小型化。作为空间遥感平台，航天器自身具有其特殊性及局限性，因而小型化的优点是显而易见的。体积小、重量轻的遥感器可以降低航天器发射的难度，所以星载设备的轻小型化是非常重要的一个课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统及其控制方法。本发明采用FPGA芯片来实现星载微波辐射计的控制电路部分，增加控制电路的集成性，组成的系统体积较小，功耗低，能适用于更高速率要求的数据处理而且可靠性高。解决了传统控制系统体积大，功耗高，可靠性低的缺陷，达到小型化的目的。该系统实现后比传统的方案节省了1/2的电路面积，同时使星载微波辐射计的数控单元的体积和重量都减小了一半。而且由于FPGA的可编程性好，只需改动FPGA内部的程序，就可以适用于不同需求的微波辐射计控制系统。

为实现上述目的，本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制系统，包括：通讯芯片、电平转换电路、数据采集板接口以及天线驱动接口插槽，其特征在于，还包括FPGA芯片，通过该FPGA芯片来实现星载微波辐射计的控制电路部分，完成包括数据采集、遥测、RAD控制、天线控制和总线通讯的微波辐射计的系统控制。

另外，所述FPGA芯片包括：总线通讯模块、数据传输模块、测控软核处理器、天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块(AutomaticGain Control：自动增益控制)，

所述总线通讯模块，包括通讯软核处理器和总线通讯接口，用于实现辐射计控制系统跟地面的通讯功能，解读地面发出的各种指令，将指令传给其他各模块，把测控软核处理器组织的遥感数据包等数据下传给地面；

所述数据传输模块，用于所述通讯软核处理器和测控软核处理器之间的数据包传输，包括两个先进先出存储器，其中FIFO1供测控软核处理器采用循环写入的方式写入数据源包，以备总线通讯模块读取；总线通讯模块将卫星控制指令和状态信息采用刷新的方式写入FIFO2，以备测控软核处理器读取；

所述测控软核处理器，通过数据传输模块接收总线通讯模块传送过来的工作参数帧，提取卫星总线控制器发送过来的各种指令，协调控制所述天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块的工作；同时提取这三个模块产生的有效数据组织成为遥感数据包，通过数据传输模块传给总线通讯模块；

所述天线驱动接口模块，用于翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的天线控制指令，根据天线控制指令产生相应的天线扫描驱动控制电路所需的控制信号，并翻译天线部分产生的天线角度和状态信号形成天线角编码和天线状态信息，供测控软核处理器读取写入遥感数据包；

所述工作状态控制模块，用于翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的内部控制指令，译码后产生两个频段共5个通道的接收机的开关机信号，经CMOS电平转换输出到接收机前端控制接收机的通电和断电；同时实时更新各接收机的通电断电状态信息，供测控软核处理器读取写入遥感数据包；

所述数据采集和AGC控制模块，用于翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的数据采集指令，产生数据采集板DA部分的地址数据和控制信号，满足数据采集板DA的采集时序，获得采集的微波辐射计五通道对地观测数据、系统定标的热辐射源温度测量数据、监测仪器内部环境温度变化的仪器环境温度测量数据和N路AGC信号等数据，供测控软核处理器读取写入遥感数据包；用于翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的AGC注入指令、数据和AGC自动调整指令，产生的AGC控制信号经过CMOS电平转换和数据采集板的AD/DA部分调节系统增益，把系统增益控制在适当范围之内。

另外，本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制方法，包括如下步骤：

1)当卫星总线控制器通过1553总线发送地面指令到各载荷设备时，指令中包含有载荷设备编号，各载荷设备识别出自己的编号，把发送给自己编号的指令保存在所述通讯芯片中，同时忽略掉不是发送给自己编号的指令；

2)收到有效的指令后，所述通讯芯片经CMOS电平转换给所述FPGA芯片内的总线通讯模块中的通讯软核处理器发送一个中断信号；

3)所述通讯软核处理器收到中断信号后进入中断处理程序，经CMOS电平转换读取所述通讯芯片的中断状态寄存器，获取中断类别信息，读取相应的数据和处理相应的指令，把各指令和数据组成工作参数帧；

4)所述通讯软核处理器经所述FPGA芯片内的数据传输模块将工作参数帧传送给所述FPGA芯片内的测控软核处理器，测控软核处理器再把指令数据进行解码；

5)所述测控软核处理器依据指令执行天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块的动作；

6)当卫星总线控制器不发送卫星总线指令时，所述测控软核处理器将各个功能部分的工作状态(包括接收机的状态，天线的转动模式和角度等)、已执行过的指令、收到的广播消息和GPS数据、遥感观测数据、温度数据等组织成为遥感数据包；

7)所述测控软核处理器将组织好的遥感数据包经数据传输模块传送给所述通讯软核处理器，所述通讯软核处理器将有效数据提取，添加包括：包头、包尾以及包序号等数据组织成为卫星总线控制器能够识别的载荷源包；

8)所述通讯软核处理器将组织好的载荷源包写入所述通讯芯片内相应的数据存储区，并置位所述通讯芯片内部的发送请求位为1，请求发送载荷源包数据；

9)所述通讯芯片响应发送请求，通过总线发送载荷源包至卫星总线控制器，并置位所述通讯芯片内部的发送请求位为0，清除发送请求。

其中，上述本发明的控制方法中，所述总线通讯模块的主程序顺序流程包括：

a)系统开机后，先进行总线通讯模块的初始化，包括：通讯软核处理器的初始化、内部RAM和外部RAM的初始化通讯芯片的初始化以及FIFO2的初始化等；

b)判断FIFO2是否有可供读取的遥感数据包，当判断出有可读取的遥感数据包时，则把FIFO2的遥感数据包读取到通讯软核处理器的RAM中并组成卫星总线控制器可识别的载荷源包等待发送；

c)判断通讯芯片的载荷源包存储区是否为空，当判断出通讯芯片的载荷源包存储区为空且通讯软核处理器的RAM中有等待发送的载荷源包时，开始把载荷源包写入通讯芯片的载荷源包存储区，并置位通讯芯片的载荷源包发送请求位为1，等待通讯芯片的响应；

d)判断发送工程参数帧的14秒计时是否已到，如果判断出14秒计时已到，则组织工程参数帧写入通讯芯片的工程参数帧存储区，并置位通讯芯片的工程参数帧发送请求位为1，等待通讯芯片的响应；

e)将中断程序中读取的指令数据等组成工作参数帧，写入FIFO1中等待测控软核处理器读取。

另外，上述本发明的控制方法中，所述总线通讯模块的中断过程包括如下步骤：

a)所述通讯软核处理器接收到所述通讯芯片发出的中断信号后，进入中断程序，首先开始保护中断现场，包括寄存器A，R0，R1……，DPTR等；

b)所述通讯软核处理器读取所述通讯芯片的中断状态寄存器和命令堆栈指针寄存器，判断中断的类别，获取相应的指令类别、存储地址和状态字等信息，如果状态字表示接收消息完毕且无通讯错误，则解析通讯芯片的命令字，并读取通讯芯片的指令和数据到通讯软核处理器的RAM中等待写入FIFO1，然后更新通讯芯片的命令堆栈指针，在处理完所有的消息后返回通讯软核处理器的主程序。

另外，上述本发明的控制方法中，所述测控软核处理器的处理过程如下：

a)系统开机后，根据地面指令的数据注入识别出系统命令的工作模式，

这里，默认为正常工作模式，并进入相应工作模式的循环程序，

如果系统判断该处理器故障的情况下，则向该处理器发出切换到故障工作模式的指令，接到指令后该处理器切换到故障工作模式的循环程序；

b)在故障工作模式下，只执行采集对地观测数据、热源定标数据、冷空定标数据打包下传和执行地面注入的指令，从而使得控制系统在通讯错误的情况下仍能在错误模式下工作，并保存数据以备恢复时传输；

c)在正常工作模式下，负责微波辐射计前端及各通道的电源控制、AGC的调整和设置、控制天线扫描驱动机构、以及数据采集工作，初始化之后按照天线对定标区和对地观测区的的扫描时序来进行观测，每个观测周期的观测顺序是：热源定标区→冷空定标区→对地观测区→热源定标区，同时通过执行内部指令、天线控制指令以及调节AGC等操作对系统的工作状态加以控制。

本发明的用于星载微波辐射计的基于FPGA软核处理器技术的终端控制系统及其控制方法的有益效果在于：具有速度快，可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等特点的，适用于系统可靠性要求很高，同时对重量、体积、功耗又限制较大的系统。由于具有LVDS和CMOS的电平转换，使该系统可以跟不同工艺的数据采集系统搭配工作和为远距离传输控制提供了接口。系统易实现、易升级、易移植，具有较强的适应性和可扩展性，同时完成了星载微波辐射计对数控单元的各项功能要求。

附图说明

图1是表示本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的组成框图。

图2是构成本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的FPGA内部模块结构的框图。

图3是表示本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的数据信息流向示意图。

图4是构成本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的数据采集板及天线驱动接口插槽示意图。

图5是表示本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的天线控制命令发送时序图。

图6是表示本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的天线角编码读取时序图。

图7是本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的总的控制方法的流程图。

图8是本发明控制系统的FPGA芯片的总线通讯软核处理器的主程序顺序流程图。

图9是本发明控制系统的FPGA芯片的总线通讯软核处理器的中断程序流程图。

图10是本发明控制系统的FPGA芯片的测控软核处理器的测控流程图。

图11是本发明控制系统的FPGA芯片测控软核处理器在正常工作模式的测控流程图。

图12是本发明控制系统的FPGA芯片的测控软核处理器在故障工作模式的测控流程图。

图13是现有的星载微波辐射计的控制系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统及其控制方法进行详细的说明。

图1是表示本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统组成的框图，如图1所示，本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统由FPGA芯片、电平转换电路、1553通讯芯片及数据采集板和天线驱动接口插槽等组成。通过FPGA芯片与通讯芯片、电平转换电路和数据采集板配合来实现星载微波辐射计的系统控制，完成包括数据采集、遥测、RAD控制、天线控制和总线通讯的微波辐射计的系统功能。

图2是构成本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的FPGA内部模块结构的框图。如图2所示，FPGA芯片包括：总线通讯模块、数据传输模块、测控软核处理器、天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块，其中，

总线通讯模块，包括通讯软核处理器和总线通讯接口，用于实现辐射计控制系统跟地面的通讯功能，解读地面发出的各种指令，将指令传给其他各模块，把测控软核处理器组织的遥感数据包等数据下传给地面；

数据传输模块，用于通讯软核处理器和测控软核处理器之间的数据包传输，包括两个先进先出存储器，其中FIFO1供测控软核处理器采用循环写入的方式写入数据源包，以备总线通讯模块读取；总线通讯模块将卫星控制指令和状态信息采用刷新的方式写入FIFO2，以备测控软核处理器读取；

测控软核处理器，通过数据传输模块接收总线通讯模块传送过来的工作参数帧，提取卫星总线控制器发送过来的各种指令，协调控制天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块的工作；同时提取这三个模块产生的有效数据组织成为遥感数据包，通过数据传输模块传给总线通讯模块；

天线驱动接口模块，用于翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的天线控制指令，根据天线控制指令产生相应的天线扫描驱动控制电路所需的控制信号，并翻译天线部分产生的天线角度和状态信号形成天线角编码和天线状态信息，供测控软核处理器读取写入遥感数据包；

工作状态控制模块，用于翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的内部控制指令，译码后产生两个频段共5个通道的接收机的开关机信号，经CMOS电平转换输出到接收机前端控制接收机的通电和断电；同时实时更新各接收机的通电断电状态信息，供测控软核处理器读取写入遥感数据包；

数据采集和AGC控制模块，用于翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的数据采集指令，产生数据采集板DA部分的地址数据和控制信号，满足数据采集板DA的采集时序，获得采集的微波辐射计五通道对地观测数据、系统定标的热辐射源温度测量数据、监测仪器内部环境温度变化的仪器环境温度测量数据和N路AGC信号数据，供测控软核处理器读取写入遥感数据包；同时，用于翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的AGC注入指令、数据和AGC自动调整指令，产生的AGC控制信号经过CMOS电平转换和数据采集板的AD/DA部分调节系统增益，把系统增益控制在适当范围之内。

上述数据采集板由AD部分、DA部分和多路选通开关组成，测控软核处理器通过数据地址总线和控制信号对数据采集板进行控制，完成数据采集和AGC的控制等功能。数据采集板及天线驱动接口插槽的信号接口如图4所示。输出LVDS差分信号驱动天线，各LVDS信号的具体意义如表1所示。其中DTC是48位串行信号组成的天线的控制命令，它的发送时序图如图5所示；DTM是48位串行信号组成的天线角编码，它的读取时序图如图6所示。

表1：天线驱动接口模块的接口

信号名称	信号描述	I/O	所连接的电路	信号类型
					S-CMD+	写控制，正向	输出	天线驱动接口	LVDS
S-CMD-	写控制，反向	输出	天线驱动接口	LVDS
					S-ACQ+	读控制，正向	输出	天线驱动接口	LVDS
S-ACQ-	读控制，反向	输出	天线驱动接口	LVDS
					CLK+	时钟，正向	输出	天线驱动接口	LVDS
CLK	时钟，反向	输出	天线驱动接口	LVDS
					DTC+	命令，正向	输出	天线驱动接口	LVDS
DTC-	命令，反向	输出	天线驱动接口	LVDS
					DTM+	角编码及状态信息，正向	输入	天线驱动接口	LVDS
DTM-	角编码及状态信息，反向	输入	天线驱动接口	LVDS
					EN-TC-A+	天线驱动使能，正向	输出	天线驱动接口	LVDS
EN-TC-A-	天线驱动使能，反向	输出	天线驱动接口	LVDS
					EN-TC-B+	天线驱动使能，正向	输出	天线驱动接口	LVDS
EN-TC-B-	天线驱动使能，反向	输出	天线驱动接口	LVDS
					STAT-TM-A+	状态，正向	输入	天线驱动接口	LVDS
STAT-TM-A-	状态，反向	输入	天线驱动接口	LVDS
					STAT-TM-B+	状态，正向	输入	天线驱动接口	LVDS

STAT-TM-B-

状态，反向

输入

天线驱动接口

LVDS

CMOS电平转换与数据采集板数据地址总线、数据总线及控制线(地址总线、数据总线及控制线详见图4)连接，弥补了FPGA的LVTTL逻辑电平与采集板的CMOS逻辑电平不同标准的差别。数据的采样点根据读出的天线角编码和采样大周期确定，测控处理器一个循环程序对应一个采样大周期，在对地观测区内，起始角度和终止角度分别对应第一个和最后一个面元的中心，每个采样点的角度对应各个面元的中心。每条扫描线共有98个采样点，采样方法为等时间间隔采样。热源和冷空定标区内，设有3个采样点。等时间间隔采样。采样时，对应每个采样点接收一次天线角编码，然后采集5个通道的定标数据。

采集的数据来源于数据采集板的DA部分，并经过多路选通开关和CMOS的电平转换。其上的A/D芯片转换速率为200kBPS。16比特双极性输出。最高位是符号位，1表示负数；0表示正数。操作地址如表2所示。数据采集的操作过程为：向多路开关片选地址FF28H输入00H-1FH，通道选择之后首先启动AD，即向地址FF00H或FF08H写入任意值，然后查询busy信号先变高再变低后即可读数。先向FF28H地址送数，送D7位为1读高8位，D7位为0读低8位。

表2：数据采集地址

数据总线	信号名称	地址总线	控制信号(busy)
				00H	+5V	FF00H	P3.2
01H	CH5	FF00H	P3.2
				02H	CH4	FF00H	P3.2
03H	CH3	FF00H	P3.2
				04H	CH2	FF00H	P3.2
05H	CH1	FF00H	P3.2
				06H	T1	FF00H	P3.2
07H	T2	FF00H	P3.2
				08H	T3	FF00H	P3.2
09H	T4	FF00H	P3.2
				0AH	T5	FF00H	P3.2
0BH	T6	FF00H	P3.2
				0CH	T7	FF00H	P3.2
0DH	T8	FF00H	P3.2
				0EH	T9	FF00H	P3.2
0FH	T10	FF00H	P3.2
				10H	T11	FF08H	P3.3
11H	T12	FF08H	P3.3

12H	T13	FF08H	P3.3
				13H	T14	FF08H	P3.3
14H	T15	FF08H	P3.3
				15H	T16	FF08H	P3.3
16H	T17	FF08H	P3.3
				17H	T18	FF08H	P3.3
18H	T19	FF08H	P3.3
				19H	T20	FF08H	P3.3
1AH	CH1	FF08H	P3.3
				1BH	CH2	FF08H	P3.3
1CH	CH3	FF08H	P3.3
				1DH	CH4	FF08H	P3.3
1EH	CH5	FF08H	P3.3
				1FH	+5V	FF08H	P3.3

1553通讯芯片是一款智能的控制芯片，通讯软核处理器通过对1553通讯芯片的内部寄存器和数据存储区的读写就能完成与卫星总线控制器(CTU)的通讯功能，通过1553总线通讯，提供了高可靠性和高速率的数据传输，保证与地面的通讯通畅无阻。图3是表示本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统的数据信息流向示意图。该图3的数据信息流向图清楚地描述了整个通讯的数据流向。图3所示，在中断程序中，总线通讯模块由中断的方式(由通讯软核处理器的中断程序完成)，总线通讯模块经CMOS电平转换从1553通讯芯片中读取方式指令和总线下传数据并组成工作参数帧，采用刷新的方式写入数据传输模块的FIFO2，等待测控软核处理器来读取；在主程序中，总线通讯模块由循环的方式(即通讯软核处理器主程序中的大周期为一个循环周期)读出数据传输模块的由测控软核处理器循环写入FIFO1的遥感数据包，从遥感数据包中提取有效数据组成载荷源包和工程参数帧(如图3所示的上传数据与指令响应)，并经CMOS电平转换写入1553通讯芯片的数据存储区，然后置矢量寄存器的发送请求位通知1553通讯芯片，本控制系统每个循环周期(2秒)给1553总线发送两个遥感数据包，每包1024字节；每14秒发送一次工程参数帧，每帧20个字节；总线控制模块还将辐射计测控模块产生的报警信号与本模块的报警信号合成后计数，累计8次报警后，经LVDS发送芯片驱动遥测信号变为异常；图3所示所述测控软核处理器由循环的方式向FIFO1写入遥感数据包，等待总线通讯模块读取；测控软核处理器和总线通讯模块都需要操作数据传输模块的FIFO，通过TCM_USE和RT_USE两个握手信号进行握手，防止同时操作同一个FIFO。

另外，图7是本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制方法的流程图。如图7所示，本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制方法，包括如下步骤：

1)当卫星总线控制器通过1553总线发送地面指令到各载荷设备时，指令中包含有载荷设备编号，各载荷设备识别出自己的编号，把发送给自己编号的指令保存在所述通讯芯片中，同时忽略掉不是发送给自己编号的指令；

2)收到有效的指令后，所述通讯芯片经CMOS电平转换给所述FPGA芯片内的总线通讯模块中的通讯软核处理器发送一个中断信号；

3)所述通讯软核处理器收到中断信号后进入中断处理程序，经CMOS电平转换读取所述通讯芯片的中断状态寄存器，获取中断类别信息，读取相应的数据和处理相应的指令，把各指令和数据组成工作参数帧；

4)所述通讯软核处理器经所述FPGA芯片内的数据传输模块将工作参数帧传送给所述FPGA芯片内的测控软核处理器，测控软核处理器再把指令数据进行解码；

5)所述测控软核处理器依据指令执行天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块的动作；

6)当卫星总线控制器不发送卫星总线指令时，所述测控软核处理器将各个功能部分的工作状态(包括接收机的状态，天线的转动模式和角度等)、已执行过的指令、收到的广播消息和GPS数据、遥感观测数据、温度数据等组织成为遥感数据包；

7)所述测控软核处理器将组织好的遥感数据包经数据传输模块传送给所述通讯软核处理器，所述通讯软核处理器将有效数据提取，添加包头包尾包序号等数据组织成为卫星总线控制器能够识别的载荷源包；

8)所述通讯软核处理器将组织好的载荷源包写入所述通讯芯片内相应的数据存储区，并置所述通讯芯片内部的发送请求位为1，请求发送载荷源包数据；

9)所述通讯芯片响应发送请求，通过总线发送载荷源包至卫星总线控制器，并置所述通讯芯片内部的发送请求位为0，清除发送请求。

所述FPGA芯片包括：总线通讯模块、数据传输模块、测控软核处理器、天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块，其中，

总线通讯模块，用中断的方式，经CMOS电平转换通过1553通讯芯片接收卫星控制指令和状态信息，将卫星控制指令和状态信息组成工作参数帧，采用刷新的方式写入数据传输模块的FIFO2，转发给测控软核处理器；读出数据传输模块的由测控软核处理器循环写入FIFO1的遥感数据包(数据包的长度可以根据实际需要来定)；每个遥感数据包传输周期经CMOS电平转换通过1553芯片向卫星总线控制器发送两个遥感数据包；每个工程参数帧传输周期经CMOS电平转换通过卫星总线控制器发送一次工程参数帧(工程参数帧的长度可以根据实际需要来定)；将辐射计测控模块产生的报警信号与本模块的报警信号合成后计数，累计N(该值可以根据实际需要来定)次报警后，经LVDS发送芯片驱动遥测信号变为异常。

数据传输模块，包括两个先进先出存储器，其中FIFO1供测控软核处理器采用循环写入的方式写入数据源包，以备总线通讯模块读取；总线通讯模块将卫星控制指令和状态信息采用刷新的方式写入FIFO2，以备测控软核处理器读取。

天线驱动接口模块，翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的天线控制指令，根据天线控制指令产生相应的天线扫描驱动控制电路所需的控制信号，经LVDS发送芯片输出N(N为8的倍数)位串行LVDS信号(低压差分信号)，由于LVDS信号的抗干扰能力强，传送速率最高可以达到100Mbps；每个循环周期经LVDS接收芯片读取(A+B+B)次{每个采样点读取一次，对地观测时读A(A的取值可以根据实际需要来定)次，热空定标时读B(B的取值可以根据实际需要来定)次，冷空定标时读B(B的取值可以根据实际需要来定，冷空定标的次数与热空定标的次数一致)}串行天线角编码和状态信息并转换为并行数据，详见具体实施方式第四段)，用于数据的后处理，输入信号为N(N为8的倍数)位串行数据，转换为N字节8位并行数据，经LVDS接收芯片转换后的输入为LVTTL电平。

工作状态控制模块，翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的内部控制指令，译码后产生两个频段共5个通道的接收机的开关机信号，经CMOS电平转换输出到接收机前端控制接收机的通电和断电，输出负脉冲信号，输出电流≥180mA；同时实时更新各接收机的通电断电状态信息，供测控软核处理器读取写入遥感数据包。

数据采集和AGC控制模块和测控软核处理器配合，每个循环周期经数据采集板的AD部分和CMOS转换采集一次微波辐射计N(N的取值可以根据实际需要来定)通道的对地观测数据(详见具体实施方式第四段)，输入模拟地观测信号经AD量化转换和CMOS电平转换后，变为适用于FPGA处理的LVTTL信号，数据采集的速率由AD的速率来定，由于FPGA软核处理器的速度很快，最高可以达到100Mbps的速度；每个循环周期经数据采集板的AD部分和CMOS转换采集一次热辐射源(黑体)温度测量数据和一次冷辐射源温度测量数据(详见具体实施方式第四段)，用于系统定标，输入N(N的取值可以根据实际需要来定)路模拟温度定标源信号经AD量化转换和CMOS电平转换后，变为适用于FPGA处理的LVTTL信号；每个循环周期经数据采集板的AD部分和CMOS转换采集一次仪器环境温度测量数据，监测仪器内部环境温度变化，输入N(N的取值可以根据实际需要来定)路模拟仪器环境温度信号经AD量化转换和CMOS电平转换后，变为适用于FPGA处理的LVTTL信号；每个循环周期经数据采集板的AD部分和CMOS转换采集一次AGC信号，输入N(N的取值可以根据实际需要来定)路模拟AGC信号经AD量化转换和CMOS电平转换后，变为适用于FPGA处理的LVTTL信号；通过测控软核处理器从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取卫星总线控制器通过1553B总线发送过来的AGC注入指令、数据和AGC自动调整指令，产生AGC控制信号经CMOS转换和数据采集板的DA部分作DA转换后输出N(N的取值可以根据实际需要来定)路模拟AGC信号，将系统增益控制在适当范围之内。

另外，图8是本发明控制系统的FPGA芯片的总线通讯软核处理器的主程序顺序流程图。如图8所示，总线通讯模块的主程序顺序流程包括：

a)系统开机后，先进行总线通讯模块的初始化，其中包括：通讯软核处理器的初始化、内部RAM和外部RAM的初始化、通讯芯片的初始化以及FIFO2的初始化等；

b)判断FIFO2是否有可供读取的遥感数据包，当判断出有可读取的遥感数据包时，则把FIFO2的遥感数据包读到通讯软核处理器的RAM中并组成卫星总线控制器可识别的载荷源包等待发送；

c)判断通讯芯片的载荷源包存储区是否为空，当判断出通讯芯片的载荷源包存储区为空且通讯软核处理器的RAM中有等待发送的载荷源包时，开始把载荷源包写入通讯芯片的载荷源包存储区，并置位通讯芯片的载荷源包发送请求位为1，等待通讯芯片的响应；

d)判断发送工程参数帧的14秒计时是否已到，如果判断出14秒计时已到，则组织工程参数帧写入通讯芯片的工程参数帧存储区，并置位通讯芯片的工程参数帧发送请求位为1，等待通讯芯片的响应。

e)将中断程序中读取的指令数据等组成工作参数帧，写入FIFO1中等待测控软核处理器读取。

图9是本发明控制系统的FPGA芯片的总线通讯软核处理器的中断程序流程图。如图9所示，总线通讯模块的中断过程包括如下步骤：

a)所述通讯软核处理器接收到所述通讯芯片发出的中断信号后，进入中断程序。首先开始保护中断现场，包括寄存器A，R0，R1……，DPTR等；

b)所述通讯软核处理器读取所述通讯芯片的中断状态寄存器和命令堆栈指针寄存器，判断中断的类别，获取相应的指令类别、存储地址和状态字等信息。如果状态字表示接收消息完毕且无通讯错误，则解析通讯芯片的命令字，并读取通讯芯片的指令和数据到通讯软核处理器的RAM中等待写入FIFO1。然后更新通讯芯片的命令堆栈指针，在处理完所有的消息后返回通讯软核处理器的主程序。

图10是本发明控制系统的FPGA芯片的测控软核处理器的测控流程图。图11是本发明控制系统的FPGA芯片测控软核处理器在正常工作模式的测控流程图。图12是本发明控制系统的FPGA芯片的测控软核处理器在故障工作模式的测控流程图。如图10所示，系统开机后，根据地面指令的数据注入识别出系统命令该装置工作的模式，默认为正常工作模式，然后进入相应工作模式的循环程序。如系统判断该装置故障的情况下，向该装置发出切换到故障工作模式的指令，则该装置切换到故障工作模式的循环程序。如图12所示，在故障工作模式下，该装置只执行采集对地观测数据、热源定标数据、冷空定标数据打包下传和执行地面注入的指令。所以在通讯错误的情况下本发明的控制系统仍能在错误模式下工作，并保存数据以备恢复时传输。

如图11所示，在正常工作模式下，观测控制软件负责微波辐射计前端及各通道的电源控制、AGC的调整和设置、控制天线扫描驱动机构、以及数据采集等工作。初始化之后按照天线对定标区和对地观测区的的扫描时序来进行观测。每个观测周期的观测顺序是：热源定标区→冷空定标区→对地观测区→热源定标区。同时通过执行内部指令，天线控制指令、调节AGC等操作对系统的工作状态加以控制。通过调整AGC的大小，使系统对热源的输出低于9.0V，对冷空的输出高于1.0V。AGC的输出经过数据采集板的DA转换，控制的数据总线，地址总线和控制线同数据采集的总线一致，其操作的地址如表3所示，调整方式为步进式调整，调整的步进间隔是2比特。

表3：测控软核处理器AGC操作地址

测控软核处理器在工作过程中，通过接收并解释执行由地面注入的内部指令来控制各通道电源的开关状态。通过注入程控指令方式，地面每次只注入一条指令；通过数据注入方式，每次可以注入多条指令。执行多条注入指令时，按指令从前到后的排列顺序执行。连续执行多条指令时，指令间的时间间隔大于1秒钟。根据地面注入的天线指令，来控制天线开始或者停止。

内部指令的操作为向相应的地址及数据位发送逻辑1持续80ms±10ms，连续执行多条指令，每条指令之间至少间隔1秒钟时间延时。内部指令的操作的数据地址总线同数据采集的数据地址总线一致，其操作地址如表4所示。

表4：测控软件内部指令操作地址

内部指令	地址及执行位
		150GHz前端上电	FF60H----D0
150GHz前端下电	FF60H----D1
		183GHz前端上电	FF60H----D2
183GHz前端下电	FF60H----D3
		CH1上电	FF60H----D4
CH1下电	FF60H----D5
		CH2上电	FF60H----D6
CH2下电	FF60H----D7
		CH3上电	FF68H----D0
CH3下电	FF68H----D1

CH4上电	FF68H----D2
		CH4下电	FF68H----D6
CH5上电	FF68H----D4
		CH5下电	FF68H----D5

表5：

综上所述，可以看出本发明的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计控制系统具有高可靠性、体积小、重量轻、功耗低、速度快等特点的，适用于系统可靠性要求很高，同时对重量、体积、功耗又限制较大的系统。由于外围电路具有LVDS和CMOS的电平转换，使该系统可以跟不同工艺的数据采集系统搭配工作和为远距离传输控制提供了接口。系统易实现、易升级、易移植，具有较强的适应性和可扩展性，只需要更改FPGA内部的设计电路和两个51软核处理器的ROM程序，就可以适应不同任务的具体要求。

Claims (7)

1.一种基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制系统，包括：通讯芯片、电平转换电路、数据采集板接口以及天线驱动接口插槽，还包括FPGA芯片，通过该FPGA芯片与所述通讯芯片、电平转换电路和数据采集板配合来实现星载微波辐射计的系统控制，完成包括数据采集、遥测、RAD控制、天线控制和总线通讯的微波辐射计的系统功能，其特征在于，所述FPGA芯片包括：总线通讯模块、数据传输模块、测控软核处理器、天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块，其中，

所述总线通讯模块，包括通讯软核处理器和总线通讯接口，用于实现辐射计控制系统跟地面的通讯功能，解读地面发出的各种指令，将指令传给其他各模块，把所述测控软核处理器组织的包括遥感数据包的数据下传给地面；

所述数据传输模块，用于所述通讯软核处理器和测控软核处理器之间的数据包传输，包括两个先进先出存储器，其中FIFO1供测控软核处理器采用循环写入的方式写入数据源包，以备总线通讯模块读取；总线通讯模块将卫星控制指令和状态信息采用刷新的方式写入FIFO2，以备测控软核处理器读取；

所述测控软核处理器，通过所述数据传输模块接收所述总线通讯模块传送过来的工作参数帧，提取卫星总线控制器发送过来的各种指令，协调控制所述天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块的工作；同时提取这三个模块产生的有效数据组织成为遥感数据包，通过所述数据传输模块传给所述总线通讯模块；

所述天线驱动接口模块，用于翻译所述测控软核处理器输出的从所述数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的天线控制指令，根据天线控制指令产生相应的天线扫描驱动控制电路所需的控制信号，并翻译天线部分产生的天线角度和状态信号形成天线角编码和天线状态信息，供所述测控软核处理器读取写入遥感数据包；

所述工作状态控制模块，用于翻译所述测控软核处理器输出的从所述数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的内部控制指令，译码后产生两个频段共5个通道的接收机的开关机信号，经CMOS电平转换输出到接收机前端控制接收机的通电和断电；同时实时更新各接收机的通电断电状态信息，供所述测控软核处理器读取写入遥感数据包；

所述数据采集和AGC控制模块，用于翻译所述测控软核处理器输出的从所述数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的数据采集指令，产生数据采集板DA部分的地址数据和控制信号，满足数据采集板DA的采集时序，获得采集的微波辐射计五通道对地观测数据、系统定标的热辐射源温度测量数据、监测仪器内部环境温度变化的仪器环境温度测量数据和N路AGC信号数据，供所述测控软核处理器读取写入遥感数据包；同时，用于翻译所述测控软核处理器输出的从所述数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的AGC注入指令、数据和AGC自动调整指令，产生的AGC控制信号经过CMOS电平转换和数据采集板的AD/DA部分调节系统增益，把系统增益控制在适当范围之内。

2.一种基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制系统的控制方法，该控制系统包括：通讯芯片、电平转换电路、数据采集板接口、天线驱动接口插槽以及FPGA芯片，该控制方法包括如下步骤：

1）当卫星总线控制器通过1553总线发送地面指令到各载荷设备时，指令中包含有载荷设备编号，各载荷设备识别出自己的编号，把发送给自己编号的指令保存在所述通讯芯片中，同时忽略掉不是发送给自己编号的指令；

2）收到有效的指令后，所述通讯芯片经CMOS电平转换给所述FPGA芯片内的总线通讯模块中的通讯软核处理器发送一个中断信号；

3）所述通讯软核处理器收到中断信号后进入中断处理程序，经CMOS电平转换读取所述通讯芯片的中断状态寄存器，获取中断类别信息，读取相应的数据和处理相应的指令，把各指令和数据组成工作参数帧；

4）所述通讯软核处理器经所述FPGA芯片内的数据传输模块将工作参数帧传送给所述FPGA芯片内的测控软核处理器，测控软核处理器再把指令数据进行解码；

5）所述测控软核处理器依据指令执行天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块的动作；

6）当卫星总线控制器不发送卫星总线指令时，所述测控软核处理器将各个功能部分的工作状态，包括接收机的状态以及天线的转动模式和角度、已执行过的指令、收到的广播消息和GPS数据、遥感观测数据、温度数据组织成为遥感数据包；

7）所述测控软核处理器将组织好的遥感数据包经数据传输模块传送给所述通讯软核处理器，所述通讯软核处理器将有效数据提取，添加包括包头、包尾以及包序号的数据组织成为卫星总线控制器能够识别的载荷源包；

8）所述通讯软核处理器将组织好的载荷源包写入所述通讯芯片内相应的数据存储区，并置所述通讯芯片内部的发送请求位为1，请求发送载荷源包数据；

9）所述通讯芯片响应发送请求，通过总线发送载荷源包至卫星总线控制器，并置所述通讯芯片内部的发送请求位为0，清除发送请求。

3.如权利要求2所述的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制系统的控制方法，其特征在于，所述FPGA芯片包括：总线通讯模块、数据传输模块、测控软核处理器、天线驱动接口模块、工作状态控制模块以及数据采集和AGC控制模块，其中，

所述总线通讯模块，用中断的方式，经CMOS电平转换通过1553通讯芯片接收的卫星控制指令和状态信息，将卫星控制指令和状态信息组成工作参数帧，采用刷新的方式写入数据传输模块的FIFO2，转发给测控软核处理器；读出数据传输模块的由测控软核处理器循环写入FIFO1的遥感数据包；每个遥感数据包传输周期经CMOS电平转换通过1553芯片向卫星总线控制器发送两个遥感数据包；每个工程参数帧传输周期经CMOS电平转换通过卫星总线控制器发送一次工程参数帧；将辐射计测控模块产生的报警信号与本模块的报警信号合成后计数，累计N次报警后，经LVDS发送芯片驱动遥测信号变为异常；

所述数据传输模块，包括两个先进先出存储器，其中FIFO1供测控软核处理器采用循环写入的方式写入数据源包，以备总线通讯模块读取；总线通讯模块将卫星控制指令和状态信息采用刷新的方式写入FIFO2，以备测控软核处理器读取；

所述天线驱动接口模块，翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的天线控制指令，根据天线控制指令产生相应的天线扫描驱动控制电路所需的控制信号，经LVDS发送芯片和天线驱动接口输出N位串行LVDS信号；

所述工作状态控制模块，翻译测控软核处理器输出的从数据传输模块的FIFO2读出的工作参数帧中提取的内部控制指令，译码后产生两个频段共5个通道的接收机的开关机信号，经CMOS电平转换输出到接收机前端控制接收机的通电和断电，输出负脉冲信号,输出电流≥180mA；同时实时更新各接收机的通电断电状态信息，供测控软核处理器读取写入遥感数据包；

所述数据采集和AGC控制模块和测控软核处理器配合，每个循环周期经数据采集板的AD部分和CMOS转换采集一次微波辐射计N通道的对地观测数据，输入模拟的观测信号经AD量化转换和CMOS电平转换后，变为适用于FPGA处理的LVTTL信号。

4.如权利要求2所述的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制系统的控制方法，其特征在于，所述总线通讯模块的主程序顺序流程包括：

a）系统开机后，先进行总线通讯模块的初始化，包括：通讯软核处理器的初始化、内部RAM和外部RAM的初始化、通讯芯片的初始化以及FIFO2的初始化；

b）判断FIFO2是否有可供读取的遥感数据包，当判断出有可读取的遥感数据包时，则把FIFO2的遥感数据包读取到通讯软核处理器的RAM中并组成卫星总线控制器可识别的载荷源包等待发送；

c）判断通讯芯片的载荷源包存储区是否为空，当判断出通讯芯片的载荷源包存储区为空且通讯软核处理器的RAM中有等待发送的载荷源包时，开始把载荷源包写入通讯芯片的载荷源包存储区，并置位通讯芯片的载荷源包发送请求位为1，等待通讯芯片的响应；

d）判断发送工程参数帧的14秒计时是否已到，如果判断出14秒计时已到，则组织工程参数帧写入通讯芯片的工程参数帧存储区，并置位通讯芯片的工程参数帧发送请求位为1，等待通讯芯片的响应；

e）将中断程序中读取的指令数据组成工作参数帧，写入FIFO1中等待测控软核处理器读取。

5.如权利要求2所述的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制系统的控制方法，其特征在于，所述测控软核处理器的处理过程如下：

a）系统开机后，根据地面指令的数据注入识别出系统命令的工作模式，

这里，默认为正常工作模式，并进入相应工作模式的循环程序，

如果系统判断该处理器故障的情况下，则向该处理器发出切换到故障工作模式的指令，接到指令后该处理器切换到故障工作模式的循环程序；

b）在故障工作模式下，只执行采集对地观测数据、热源定标数据、冷空定标数据打包下传和执行地面注入的指令，从而使得控制系统在通讯错误的情况下仍能在错误模式下工作，并保存数据以备恢复时传输；

c）在正常工作模式下，负责微波辐射计前端及各通道的电源控制、AGC的调整和设置、控制天线扫描驱动机构、以及数据采集工作，初始化之后按照天线对定标区和对地观测区的的扫描时序来进行观测，每个观测周期的观测顺序是：热源定标区→冷空定标区→对地观测区→热源定标区，同时通过执行内部指令、天线控制指令以及调节AGC等操作对系统的工作状态加以控制。

6.如权利要求5所述的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制系统的控制方法，其特征在于，

所述测控软核处理器在正常工作模式下，通过调整AGC的大小，使系统对热源的输出低于9.0V，对冷空的输出高于1.0V，AGC的输出经过数据采集板的DA转换，数据总线，地址总线和控制总线同数据采集的总线一致，调整方式为步进式调整。

7.如权利要求5所述的基于FPGA软核处理器技术的星载微波辐射计的控制系统的控制方法，其特征在于，

所述测控软核处理器在工作过程中，通过接收并解释执行由地面注入的内部指令来控制各通道电源的开关状态，通过注入程控指令方式，地面每次只注入一条指令；通过数据注入方式，每次可以注入多条指令，执行多条注入指令时，按指令从前到后的排列顺序执行，连续执行多条指令时，指令间的时间间隔大于1秒钟，根据地面注入的天线指令，来控制天线开始或者停止；

内部指令的操作为向相应的地址及数据位发送逻辑1持续80ms±10ms，连续执行多条指令，每条指令之间至少间隔1秒钟时间延时，内部指令的操作的数据地址总线同数据采集的数据地址总线一致。

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