CN106647472A - 一种天线数字控制卡 - Google Patents

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Abstract

一种天线数字控制卡，能够实现对天线伺服系统的高精度控制，包括FPGA模块、处理器模块、CPCI模块、串行通信模块、A/D模块、D/A模块以及信号隔离模块。FPGA模块同时采集接收机信号、推杆信号、时间信号、串行数字信号送入处理器模块，处理器模块通过网络或通过FPGA模块控制CPCI模块接收上位机控制指令并将天线状态信息提供给上位机，处理器模块将送入其中的信号处理之后，生成驱动控制指令输出到驱动机构，从而实现对天线伺服系统的控制。本发明的天线数字控制卡基于PCI总线设计并具备网络通信功能，具有数据处理能力强、即插即用、使用方便、兼容性强等优点。

Description

一种天线数字控制卡
技术领域
本发明涉及一种天线数字控制卡，用于对天线伺服系统的高精度控制，该控制卡同样适用于高性能、高集成度天线伺服系统的控制。
背景技术
天线伺服系统是遥测系统中重要的组成部分，其主要作用是当目标进入视线范围内时，使接收天线自动搜索并捕获目标，以一定的跟踪精度连续跟踪目标，使目标始终处于主波束的中心线附近，从而以最大接收增益可靠地连续接收遥测信号。特别是当出现故障，目标偏离预定飞行轨道时，天线伺服系统能在较大空域范围内搜索捕获目标并进行跟踪，获得重要的遥测数据以判断故障。在遥测跟踪设备中，数字伺服系统的优越性已经日益明显。
现有的天线控制器分为模拟控制器和数字控制器两大类。由于模拟控制器难于实现比较复杂的控制算法，难于满足天线伺服系统高精度控制的需要，因此数字控制器是必然选择。目前以Ti公司的DSP为控制核心的天线控制器比较普遍，这类方案虽然能够实现天线伺服系统的控制，但也存在以下缺点：(1)数据处理能力不够，(2)外设接口不足，(3)兼容性差。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种天线数字控制卡，该数字控制卡具备多种通信接口，数据处理能力强，使用方便，适用于高精度、高集成要求的天线伺服系统中。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种天线数字控制卡，包括FPGA模块、处理器模块、CPCI模块、串行通信模块、A/D模块、D/A模块以及信号隔离模块；
A/D模块用于将外部输入的模拟信号进行模数转换，并通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理；
串行通信模块用于将外部输入的串行差分信号进行信号转换处理，并通过FPGA模块进行解码，再发送到处理器模块进行处理；
信号隔离模块用于将外部输入的I/O信号进行电平转换处理，并通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理；
CPCI模块用于将带有CPCI插槽的上位机发出的控制指令通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理；同时，处理器模块输出的天线状态信息也通过FPGA模块和CPCI模块发送给所述带有CPCI插槽的上位机；
处理器模块用于接收和处理上位机发出的网络控制指令，同时，处理器模块也将FPGA模块发过来的天线状态信息通过网络提供给上位机；
处理器模块将送入其中的信号处理之后，生成驱动控制指令，通过FPGA模块和D/A模块输出给驱动机构，从而控制天线动作。
当天线处于跟踪模式时，FPGA模块接收来自于A/D模块和信号隔离模块的接收机模拟信号或者FPGA模块接收来自串行通信模块的接收机串行数字信号；
FPGA模块将接收到的接收机模拟信号提供给处理器模块进行处理；
FPGA模块接收接收机串行数字信号时，FPGA模块对接收机串行数字信号进行解码后提供给处理器模块进行处理。
当天线处于手动位置模式或者手动速度模式时，FPGA模块接收来自于A/D模块的推杆方位/俯仰模拟信号和来自于信号隔离模块的推杆按键模拟信号，提供给处理器模块进行处理。
当天线处于程控模式时，FPGA模块接收来自于信号隔离模块的时间信号并提供给处理器模块进行处理。
天线的工作模式通过处理器模块处理上位机发送的模式控制指令确定，上位机发送的模式控制指令通过网络发送给处理器模块或者通过CPCI模块和FPGA模块提供给处理器模块；所述天线的工作模式包括跟踪模式、程控模式、手动位置模式和手动速度模式。
所述A/D模块包括A/D转换芯片和数据缓冲芯片，A/D模块至少包括14路转换通道，其中12路用于转换接收机AGC、方位角误差和俯仰角误差信号，2路用于转换推杆方位模拟信号和推杆俯仰模拟信号。
所述串行通信模块包括至少8路发送/接收通道，其中4路用于接收来自接收机的串行数字信号，所述串行数字信号包括锁定信号、AGC信号、方位角误差和俯仰角误差信号；4路用于接收/发送来自于驱动机构的串行通信信号。
所述处理器模块包括处理器芯片、存储芯片、网络接口和USB接口，处理器芯片采用型号为CH563的芯片。
本发明的有益效果是：
(1)较传统的以运算放大器为核心的模拟控制器而言，本发明具有数字控制器的优点：调试灵活、方便、体积小、重量轻、便于实现复杂的控制算法。较现有的定点DSP为核心的数字控制器而言，本数字控制卡的数据处理能力显著提高，能够满足复杂控制算法的实时性要求。
(2)本发明能够兼容多种外部接口，包括：CPCI接口、网络接口、USB接口、串行通信接口，满足了系统对于外设接口众多的需求，使得系统的集成度进一步提高。
(3)该发明实现了系统的数字化、模块化、集成化，并且实现了外设可重构，可以在不改变电路设计的基础上满足系统不同外设的需求，实现了对天线伺服系统的高精度控制。
附图说明
图1为本发明的组成框图；
具体实施方式
如图1所示本发明提出的一种天线数字控制卡包括FPGA模块、处理器模块、CPCI模块、串行通信模块、A/D模块、D/A模块以及信号隔离模块。
A/D模块用于将外部输入的模拟信号进行模数转换，并通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理。A/D模块包括两片A/D转换芯片AD7891和两片电平转换接口芯片SN74ALVC164245，AD7891是一款8通道、12位模拟数字转换芯片，A/D模块中一片SN74ALVC164245芯片和一片AD7891芯片为一组实现将8个通道模拟信号分别转换为数字信号，两组芯片可以将16个通道模拟信号转换为数字信号。AD7891芯片内置一个多路复用器、一个片内采样保持放大器、一个12位高速ADC、一个+2.5V基准电压源和一个高速接口，采用+5V电源供电。SN74ALVC164245是一种16位电平转换接口芯片，芯片的使能管脚和方向选择管脚可以实现双向电平转换，能够完成3.3V电压和5V电压之间互相转换。FPGA模块通过SN74ALVC164245芯片控制AD7891芯片8个通道之间的切换，AD7891芯片转换完成的12位数字量信息通过SN74ALVC164245芯片发送到FPGA模块进行处理。
串行通信模块用于将外部输入的串行差分信号进行信号转换处理，并通过FPGA模块进行解码，再发送到处理器模块进行处理。串行通信模块包括多片MAX3490芯片，MAX3490芯片由一路RS-485/RS-422接收器和一路RS-485/RS-422驱动器组成，支持全双工通信工作方式，芯片内部的接收器将外部差分信号转换为+3.3V电平串行信号发送至FPGA模块，芯片内部的驱动器将FPGA模块输出的+3.3V电平串行信号转换为差分信号输出至外部设备，实现了天线数字控制卡与驱动机构及其它设备的通信。
信号隔离模块用于将外部输入的I/O信号进行电平转换处理，并通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理，信号隔离模块包括多片TLP281-4芯片。
CPCI模块用于将带有CPCI插槽的上位机发出的控制指令通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理；同时，处理器模块输出的天线状态信息也通过FPGA模块和CPCI模块发送给所述带有CPCI插槽的上位机。CPCI模块包括PCI桥接芯片PLX9054、配置芯片FM93CS56、晶振和CPCI接插件，PLX9054内部提供完整的PCI总线接口逻辑，兼容PCI2.1和PCI2.2规范，在PCI接口电路设计时将PLX9054的PCI信号总线与上位机PCI插槽信号对应即可。CPCI模块作为FPGA模块和上位机之间的桥接，进行数据格式转换，实现了天线数字控制卡的即插即用。
处理器模块用于接收和处理上位机发出的网络控制指令，同时，处理器模块也将FPGA模块发过来的天线状态信息通过网络提供给上位机。处理器模块包括处理器芯片、存储芯片、网络接口和USB接口，处理器芯片采用型号为CH563的芯片。CH563是一款类似ARM9的32位RISC精简指令集CPU，指令集兼容ARMv5TE，支持16位Thumb指令和增强DSP指令，默认系统主频为100MHz，最高可达130MHz。CH563芯片内置MAC和基于DSP的10/100Base-TX快速Ethernet收发器(PHY)，支持10/100Mbps双绞线网络通讯，兼容IEEE 802.3、802.3u和FDDI-TP-PMD，实现与外部网络通信。CH563芯片内置高速USB收发器(PHY)和USB控制器，支持USB2.0，兼容EHCI，支持主/从模式，支持高速/全速/低速传输，实现与外部USB通信。处理器模块可通过网络接口与上位机通信，也可通过PCI总线与上位机通信，处理器模块还支持USB接口，大大提高了天线数字控制卡的兼容性。
当天线处于跟踪模式时，FPGA模块接收来自于A/D模块和信号隔离模块的接收机模拟信号或者FPGA模块接收来自串行通信模块的接收机串行数字信号。FPGA模块将接收到的接收机模拟信号提供给处理器模块进行处理，所述的接收机模拟信号包括AGC模拟信号、方位角误差模拟信号、俯仰角误差模拟信号和锁定模拟信号，在A/D模块中将AGC模拟信号、方位角误差模拟信号、俯仰角误差模拟信号转换为12位数字信号送入FPGA模块，在信号隔离模块中将锁定信号转换为+3.3V逻辑电平信号送入FPGA模块。FPGA模块接收接收机串行数字信号时，FPGA模块对接收机串行数字信号进行解码后提供给处理器模块进行处理，在FPGA模块中解码的接收机串行数字信号包括AGC数字信号、方位角误差数字信号、俯仰角误差数字信号和锁定数字信号。在该模式下处理器模块还通过FPGA模块和串行通信模块读取天线实时状态信息，根据接收机数字信息和天线实时状态信息进行处理，天线实时状态信息包括方位实时角、俯仰实时角。
当天线处于手动位置模式或者手动速度模式时，FPGA模块接收来自于A/D模块的推杆方位/俯仰模拟信号和来自于信号隔离模块的推杆按键模拟信号，提供给处理器模块进行处理。在该模式下处理器模块还通过FPGA模块和串行通信模块读取天线实时状态信息，根据推杆信息和天线实时状态信息进行处理，天线实时状态信息包括方位实时角、俯仰实时角。
当天线处于程控模式时，FPGA模块接收来自于信号隔离模块的时间信号并提供给处理器模块进行处理。在该模式下处理器模块还通过FPGA模块和串行通信模块读取天线实时状态信息，根据时间信息和天线实时状态信息进行处理，天线实时状态信息包括方位实时角、俯仰实时角。
天线的工作模式通过处理器模块处理上位机发送的模式控制指令确定，上位机发送的模式控制指令通过网络发送给处理器模块或者通过CPCI模块和FPGA模块提供给处理器模块；所述天线的工作模式包括跟踪模式、程控模式、手动位置模式和手动速度模式。
处理器模块将送入其中的信号处理之后，生成驱动控制指令，通过FPGA模块和D/A模块输出给驱动机构，从而控制天线动作。D/A模块包括电平转换接口芯片SN74ALVC164245、D/A转换芯片DAC8412和基准电源芯片AD688，DAC8412是由ADI公司推出的4路、12位数模转换器，电源电压是±15V，参考电压±10V,功耗小于330mW，AD688为DAC8412提供电压基准，它是一款精密基准电压源，输出电压±10.000V。D/A模块在FPGA模块控制下能够将两路12位数字信号分别转换为模拟信号输出。
所述A/D模块包括A/D转换芯片和数据缓冲芯片，A/D模块至少包括14路转换通道，其中12路用于转换接收机AGC、方位角误差和俯仰角误差信号，2路用于转换推杆方位模拟信号和推杆俯仰模拟信号。
所述串行通信模块包括至少8路发送/接收通道，其中4路用于接收来自接收机的串行数字信号，所述串行数字信号包括锁定信号、AGC信号、方位角误差和俯仰角误差信号；4路用于接收/发送来自于驱动机构的串行通信信号。
所述FPGA模块包括FPGA芯片、FPGA配置芯片及晶振，FPGA芯片采用Xilinx公司VirtexII系列的XC2V1000-4BG575I芯片。
依据本发明实现的数字控制卡连接上位机、驱动机构和天线座组成了天线伺服控制系统，经过系统测试在闭环周期为10ms时通过复杂控制算法实现了对天线的高精度控制。本发明作为天线伺服系统的数字控制装置，提供了足够的硬件资源和丰富的外部接口，应用者可以根据其特殊的应用领域通过编程来灵活方便地实现其功能。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种天线数字控制卡，其特征在于：包括FPGA模块、处理器模块、CPCI模块、串行通信模块、A/D模块、D/A模块以及信号隔离模块；
A/D模块用于将外部输入的模拟信号进行模数转换，并通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理；
串行通信模块用于将外部输入的串行差分信号进行信号转换处理，并通过FPGA模块进行解码，再发送到处理器模块进行处理；
信号隔离模块用于将外部输入的I/O信号进行电平转换处理，并通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理；
CPCI模块用于将带有CPCI插槽的上位机发出的控制指令通过FPGA模块发送到处理器模块进行处理；同时，处理器模块输出的天线状态信息也通过FPGA模块和CPCI模块发送给所述带有CPCI插槽的上位机；
处理器模块用于接收和处理上位机发出的网络控制指令，同时，处理器模块也将FPGA模块发过来的天线状态信息通过网络提供给上位机；
处理器模块将送入其中的信号处理之后，生成驱动控制指令，通过FPGA模块和D/A模块输出给驱动机构，从而控制天线动作。
2.根据权利要求1所述的一种天线数字控制卡，其特征在于：当天线处于跟踪模式时，FPGA模块接收来自于A/D模块和信号隔离模块的接收机模拟信号或者FPGA模块接收来自串行通信模块的接收机串行数字信号；
FPGA模块将接收到的接收机模拟信号提供给处理器模块进行处理；
FPGA模块接收接收机串行数字信号时，FPGA模块对接收机串行数字信号进行解码后提供给处理器模块进行处理。
3.根据权利要求1所述的一种天线数字控制卡，其特征在于：当天线处于手动位置模式或者手动速度模式时，FPGA模块接收来自于A/D模块的推杆方位/俯仰模拟信号和来自于信号隔离模块的推杆按键模拟信号，提供给处理器模块进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种天线数字控制卡，其特征在于：当天线处于程控模式时，FPGA模块接收来自于信号隔离模块的时间信号并提供给处理器模块进行处理。
5.根据权利要求2、3或4所述的一种天线数字控制卡，其特征在于：天线的工作模式通过处理器模块处理上位机发送的模式控制指令确定，上位机发送的模式控制指令通过网络发送给处理器模块或者通过CPCI模块和FPGA模块提供给处理器模块；所述天线的工作模式包括跟踪模式、程控模式、手动位置模式和手动速度模式。
6.根据权利要求1所述的一种天线数字控制卡，其特征在于：所述A/D模块包括A/D转换芯片和数据缓冲芯片，A/D模块至少包括14路转换通道，其中12路用于转换接收机AGC、方位角误差和俯仰角误差信号，2路用于转换推杆方位模拟信号和推杆俯仰模拟信号。
7.根据权利要求1所述的一种天线数字控制卡，其特征在于：所述串行通信模块包括至少8路发送/接收通道，其中4路用于接收来自接收机的串行数字信号，所述串行数字信号包括锁定信号、AGC信号、方位角误差和俯仰角误差信号；4路用于接收/发送来自于驱动机构的串行通信信号。
8.根据权利要求1所述的一种天线数字控制卡，其特征在于：所述处理器模块包括处理器芯片、存储芯片、网络接口和USB接口，处理器芯片采用型号为CH563的芯片。
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