SOPC和ZigBee的三維移動天線平臺設(shè)計

莊熠，孟曉風(fēng)，李欣

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

引 言

高精度的三維移動天線平臺在許多測試測量場合得到廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的高精度天線平臺大多為單一平臺，本文提出了一種多平臺組合控制、協(xié)調(diào)工作的解決辦法。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)組成框圖

三維移動天線平臺系統(tǒng)按照功能劃分，主要由測控系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。其中，測控系統(tǒng)由測控計算機(jī)、手持控制器組成；通信網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)；運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩個差動轉(zhuǎn)速輪式移動平臺搭載高精度天線桅桿構(gòu)成。運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝有兩個ELDS－C高精度激光測距傳感器（測距范圍0.05～30 m、精度±3mm）及用于移動平臺初始對準(zhǔn)的一字激光發(fā)射器和接收器。

2 運動執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計

2.1 運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)定義

圖2 坐標(biāo)定義示意圖

為了確定運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動方向與坐標(biāo)，定義天線移動平臺坐標(biāo)系，如圖2所示。以兩水平移動控制電機(jī)同步正轉(zhuǎn)行進(jìn)方向為y正方向，以從x軸方向向y軸方向旋轉(zhuǎn)為平臺旋轉(zhuǎn)正方向（對應(yīng)旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)），天線向上升高方向為z正方向（對應(yīng)升降控制電機(jī)正轉(zhuǎn)）。

2.2 運動控制器硬件設(shè)計

運動控制器在水平移動控制電機(jī)、天線升降移動控制電機(jī)、天線旋轉(zhuǎn)極化控制電機(jī)以及激光測距傳感器等部件的支持下完成天線位置與姿態(tài)的測量與控制。運動控制器分為主控板和接口板兩部分。

2.2.1 主控板

運動控制器主控板由處理器單元（Nios II軟核）、存儲器、JTAG調(diào)試接口等組成，它具有通用的DI、DO、RS232等接口。

核心芯片選用Atera公司的Cyclone II系列FPGA芯片EP2C8Q208C。Altera Cyclone II采用全銅層、1.2V SRAM工藝設(shè)計，Cyclone II器件提供了4 608到68 416個邏輯單元（LE），并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式18位×18位乘法器、專用外部存儲器接口電路、4Kb嵌入式存儲器塊、鎖相環(huán)（PLL）和高速差分I／O能力[1]。主控板組成框圖如圖3所示。

圖3 運動控制器主板組成框圖

2.2.2 接口板

接口板是針對測控對象的測控需求與電氣接口特點設(shè)計的，它將主控板的通用電接口轉(zhuǎn)換為測控專用接口，包括水平運動控制接口電路、垂直升降運動控制接口電路、旋轉(zhuǎn)極化控制接口電路、初始對準(zhǔn)輔助設(shè)備接口電路、系統(tǒng)狀態(tài)燈驅(qū)動電路等，其組成與連接關(guān)系如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)控制接口部分充分利用Nios II軟核的高度可制定性，自定義設(shè)計了一個符合Avalon總線標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)控制IP核。該IP核可以像操作標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)一樣讀寫相應(yīng)寄存器，實現(xiàn)具體的控制。其寄存器映射如表1所列。其中，period寄存器值對應(yīng)電機(jī)運行速度，number寄存器對應(yīng)電機(jī)運行距離。

圖4 運動控制器接口板組成與連接關(guān)系

表1 步進(jìn)電機(jī)控制IP核寄存器映像表

圖5為Quartus II軟件生成的步進(jìn)電機(jī)控制IP核的從外設(shè)框圖。

圖5 步進(jìn)電機(jī)控制IP核從外設(shè)模塊框圖

2.3 運動控制器軟件設(shè)計

由于運動控制器需要完成本地按鍵任務(wù)、遠(yuǎn)程鍵盤任務(wù)、PC機(jī)任務(wù)，其中PC機(jī)任務(wù)又分為平臺水平初始對準(zhǔn)任務(wù)、天線垂直調(diào)零任務(wù)、天線極化調(diào)零任務(wù)、運動任務(wù)等，因此運動控制器軟件系統(tǒng)使用μC／OS－II實時操作系統(tǒng)完成任務(wù)的調(diào)度和處理。

系統(tǒng)上電完成必要設(shè)備初始化之后，控制通信模塊上電，完成無線組網(wǎng)功能。操作系統(tǒng)創(chuàng)建本地按鍵任務(wù)、遠(yuǎn)程鍵盤任務(wù)和PC機(jī)任務(wù)。本地按鍵任務(wù)由外部中斷觸發(fā)Key＿Sem信號量控制執(zhí)行。遠(yuǎn)程鍵盤任務(wù)和PC機(jī)任務(wù)由通信模塊控制執(zhí)行。按鍵命令格式：KEY：key＿value：YEK（12字節(jié)），按鍵命令取值如表2所列。

表2 按鍵命令取值

計算機(jī)命令取值如表3所列，計算機(jī)命令格

式如下：

表3 計算機(jī)命令取值

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)命令可劃分為簡單非定量命令（前進(jìn)、后退等），復(fù)雜非定量命令（水平對準(zhǔn)、垂直調(diào)零等）和定量命令（水平運動、垂直運動）3種。其中簡單非定量命令在相應(yīng)任務(wù)中獲取解析后直接讀／寫步進(jìn)電機(jī)控制模塊寄存器完成控制。而接到復(fù)雜非定量命令后，根據(jù)命令取值建立不同的任務(wù)，在新建任務(wù)完成相應(yīng)操作后向命令發(fā)送方回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)，并刪除自身，等待下一次命令再次新建該任務(wù)。定量命令包括坐標(biāo)值命令（水平命令、垂直命令）和寄存器值命令（單步命令）。單步命令中包含相應(yīng)電機(jī)控制寄存器值（即包含速度、距離、方向控制信息），相應(yīng)任務(wù)直接提取數(shù)據(jù)完成電機(jī)控制。坐標(biāo)值命令包含預(yù)定目標(biāo)x、y坐標(biāo)值，系統(tǒng)根據(jù)自身坐標(biāo)（當(dāng)前傳感器值）計算得出電機(jī)控制寄存器值完成動作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)子任務(wù)中，水平初始對準(zhǔn)任務(wù)和天線垂直調(diào)零任務(wù)最為重要。它不僅是移動平臺位置初始化過程，更是系統(tǒng)建立空間坐標(biāo)系的基礎(chǔ)。因此，該任務(wù)實現(xiàn)的好壞，直接影響移動平臺控制的可靠性。設(shè)計完善的應(yīng)答機(jī)制，合理地使用信號量、標(biāo)志組等，是任務(wù)設(shè)計合理可靠的關(guān)鍵。其簡化流程圖如圖7所示。

圖7 單平臺初始對準(zhǔn)任務(wù)流程圖

3 無線通信設(shè)計

3.1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)。我國目前可以使用的ISM（Industrial，Scientific and Medical）頻帶為433 MHz和2.4GHz。ZigBee技術(shù)在我國工作在2.4GHz頻段，采用較高階的QPSK調(diào)制技術(shù)，可以達(dá)到250kb／s的速率，并減少工作時間，以降低功耗。在MAC層采用CSMA／CA方式，以提高系統(tǒng)兼容性。網(wǎng)絡(luò)層方面，ZigBee聯(lián)盟規(guī)定可以采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)鋄2－3]。

ZigBee具有以下特性：功耗低、可靠性高、網(wǎng)絡(luò)容量大、保密性高。

3.2 無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

考慮到系統(tǒng)除測控計算機(jī)節(jié)點外，其余3個節(jié)點均為移動節(jié)點，移動范圍在30m左右，而手持控制器使用5號電池供電，功耗敏感。因此，設(shè)計采用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。即測控計算機(jī)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，1號移動天線平臺為路由器，2號移動天線平臺和手持控制器為終端設(shè)備。手持控制器采用低頻喚醒機(jī)制以延長電池使用壽命。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

結(jié) 語

針對雙三維移動天線平臺精確定位與控制，提出了一種切實可行的方案。經(jīng)過實驗驗證，移動天線平臺行進(jìn)方向誤差5mm。天線水平極化和垂直極化誤差0.2°。系統(tǒng)充分利用了SOPC技術(shù)優(yōu)勢，完成了兩平臺的綜合控制和協(xié)調(diào)工作。證明了系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、高集成等特點。

[1] Altera.Quartus II Handbook Version 8.1Volume 5：Embedded Peripherals，2012

[2] TI.Datasheet for CC2530[EB／OL].[2012－08－12].http：／／www.ti.com.cn.

[3] IEEE 15.4—2006.Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low－Rate Wireless Personal Area Networks（WPANs）[S].