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    衛(wèi)星信道模擬器觸摸屏參數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    2018-04-11 06:34:42郭業(yè)才萬逸儒
    實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2018年2期
    關(guān)鍵詞:參數(shù)設(shè)置模擬器觸摸屏

    郭業(yè)才, 萬逸儒, 彭 舒, 胡 崢

    (1. 南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 南京 210044;2. 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044)

    0 引 言

    隨著衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展,衛(wèi)星移動(dòng)通信在自然災(zāi)害救援、偏遠(yuǎn)地區(qū)通信以及軍事通信中具有不可替代的作用。與有線通信和地面無線通信相比,衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的服務(wù)范圍廣,更容易全球覆蓋,是通信領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[1,2]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,租用實(shí)際衛(wèi)星鏈路進(jìn)行試驗(yàn)代價(jià)高昂,可行性差[3]。衛(wèi)星信道模擬器能夠模擬接近衛(wèi)星通信的傳播特性,用于設(shè)備的通信調(diào)試,極大地降低了研發(fā)成本[4,5]。在參數(shù)配置上,有的衛(wèi)星信道模擬器參數(shù)幾乎是固定不變的;有的采用上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,需要與計(jì)算機(jī)相連,這樣的參數(shù)設(shè)置既不方便,適應(yīng)性也差。

    針對(duì)上述問題,設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星信道模擬器觸摸屏參數(shù)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)以FPGA作為主控單元,通過觸摸屏控制實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信道模擬器的參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置的方法:只要系統(tǒng)上電,系統(tǒng)就開始自行加載程序,然后對(duì)觸摸屏進(jìn)行初始化并顯示首界面和參數(shù)設(shè)置界面等信息,接著觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信道參數(shù)設(shè)置。與參數(shù)固定的衛(wèi)星信道模擬器相比,該系統(tǒng)參數(shù)可調(diào);與利用上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置相比,該系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置更加便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、人機(jī)交互界面友好。

    1 參數(shù)控制結(jié)構(gòu)

    衛(wèi)星信道模擬器的觸摸屏參數(shù)控制結(jié)構(gòu),如圖1所示。信號(hào)在FPGA中進(jìn)行多普勒頻移、多徑時(shí)延與增益、瑞利Rayleigh分布、對(duì)數(shù)正態(tài)log-normal分布和高斯白噪聲等衛(wèi)星信道環(huán)境模擬時(shí),為了使衛(wèi)星信道參數(shù)可調(diào),通過FPGA控制觸摸屏實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信道參數(shù)設(shè)置界面顯示和衛(wèi)星信道參數(shù)輸入??烧{(diào)的參數(shù)包括多徑條數(shù)、多徑增益、多普勒頻移以及高斯噪聲增益等。

    圖1衛(wèi)星信道模擬器的觸摸屏參數(shù)控制結(jié)構(gòu)圖

    2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件結(jié)構(gòu)、芯片選型及硬件電路設(shè)計(jì)。

    2.1 硬件結(jié)構(gòu)

    衛(wèi)星信道模擬器的觸摸屏參數(shù)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括FPGA模塊、觸摸屏模塊、SDRAM、串行Flash和JTAG&PS下載接口,如圖2所示。

    圖2硬件結(jié)構(gòu)圖

    圖2中,F(xiàn)PGA模塊作為主控單元,實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏模塊的控制;觸摸屏模塊作為顯示和觸摸單元,用來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信道模擬器參數(shù)設(shè)置與顯示;SDRAM作為緩存單元,用來緩存圖片和字符等數(shù)據(jù);串行Flash用來存儲(chǔ)程序,防止程序掉電丟失;JTAG&PS下載接口用來實(shí)現(xiàn)程序的測試和固化。

    2.2 芯片選型及硬件電路設(shè)計(jì)

    考慮到同等價(jià)格條件下Altera公司的FPGA資源比Xilinx的豐富,而且整個(gè)衛(wèi)星信道模擬器的設(shè)計(jì)中大約用到了9 000個(gè)邏輯單元和100個(gè)I/O口,因此選用了Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列的EP3C16Q240C8N。該芯片共有15 408個(gè)邏輯單元,0.5 Mbit的RAM,160個(gè)I/O口,20個(gè)全局時(shí)鐘域,4個(gè)鎖相環(huán),56個(gè)乘法器,具有成本低、性能高和功耗低的特點(diǎn)。

    時(shí)鐘、SDRAM、串行Flash、JTAG&PS下載接口和FPGA一起構(gòu)成了FPGA最小系統(tǒng)。時(shí)鐘采用50 MHz的有源晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘。SDRAM采用了美光公司生產(chǎn)的MT48LC4M16A2,該芯片有16位數(shù)據(jù)總線、12位地址總線、存儲(chǔ)空間為64 Mbit,程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求,具有低成本的優(yōu)點(diǎn)。串行 Flash采用的是 EPCS16,存儲(chǔ)空間為16 Mbit,該芯片是Cyclone系列芯片專用串行Flash,和其他串行Flash相比,控制程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡單。FPGA下載電路有3種方式:JTAG配置、AS配置和PS配置,JTAG配置的特點(diǎn)是下載速度快,程序掉電丟失;AS配置和PS配置的特點(diǎn)是下載速度慢,程序掉電不丟失,AS配置需要單獨(dú)的下載接口,而PS配置和JTAG配置共用一個(gè)接口。由于程序在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行測試和固化,為了節(jié)約PCB空間采用JTAG和PS兩者配置方式。

    觸摸屏模塊由顯示控制芯片和觸摸控制芯片組成。顯示控制芯片RA8875,最大支持800×480分辨率的面板,內(nèi)建768KB顯示內(nèi)存,支持2D的(Block Transfer Engine,BTE)圖形加速引擎和幾何圖形加速引擎,支持8 bit和16 bit的8080/6800 MCU系列總線接口,支持串行SPI通信接口,相對(duì)于其他顯示控制芯片,RA8875具有功能強(qiáng)大、成本低和易開發(fā)等優(yōu)點(diǎn),因此顯示控制芯片采用RA8875。由于BTE加速引擎只對(duì)并行總線接口開放并且16 bit總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸速率是8 bit總線結(jié)構(gòu)的2倍,因此顯示芯片通信采用16 bit的8080總線接口。觸摸控制芯片GT811,能同時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別5個(gè)觸摸點(diǎn)的位置,移動(dòng)軌跡和觸摸面,并根據(jù)需要讀取相應(yīng)觸摸點(diǎn)的觸摸信息,相對(duì)于其他觸摸控制芯片,具有觸摸屏自動(dòng)校準(zhǔn)、觸摸電壓與觸摸坐標(biāo)值之間無需轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn),因此觸摸控制芯片采用GT811。GT811與FPGA之間采用3線-SPI通信,中斷T_IN采用軟件中斷控制。

    引腳連接上,JTAG和EPCS16采用專用引腳連接,RA8875、GT811和MT48LC4M16A2的時(shí)鐘引腳與FPGA相鄰的時(shí)鐘引腳連接,其余引腳與FPGA的I/O引腳連接,如圖3所示。

    圖3硬件電路

    3 程序設(shè)計(jì)

    觸摸屏控制采用基于Nios II嵌入式設(shè)計(jì),包括基于Qsys的Nios II軟核設(shè)計(jì)和基于C語言的觸摸屏程序設(shè)計(jì)。由于觸摸屏輸入的衛(wèi)星信道參數(shù)傳給FPGA后無法直接進(jìn)行參數(shù)更新,因此需要參數(shù)控制模塊來實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制與算法模塊之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換,參數(shù)控制模塊采用Verilog語言設(shè)計(jì)。下面將詳細(xì)設(shè)計(jì)Nios II軟核、觸摸屏程序以及參數(shù)控制模塊。

    3.1 Nios II軟核設(shè)計(jì)

    Nios II軟核采用Quatus Ⅱ的Qsys搭建,作用是把系統(tǒng)組件與外設(shè)之間進(jìn)行配置和連接,從而實(shí)現(xiàn)FPGA與外設(shè)之間端口的連接和通信[5,6],通過并行輸入/輸出(Pararel Input Output,PIO)總線把設(shè)定的衛(wèi)星道信道參數(shù)傳給參數(shù)控制模塊。

    Nios II軟核主要包括標(biāo)準(zhǔn)控制組件和用戶定義組件[7],如圖4所示。Nios II軟核設(shè)計(jì)的具體步驟如下:(1) 啟動(dòng)Qsys,創(chuàng)建一個(gè)IP核,命名為MyCPU。(2) 添加CLK時(shí)鐘源,設(shè)置為50MHz 。(3) 添加NiosⅡ處理器,類型為NiosⅡ/f。(4) 添加JTAG_UART,緩存深度為64 byte。(5) 添加SDRAM Controller,數(shù)據(jù)位寬16 bit,數(shù)據(jù)行地址線12 bit,列地址總線8 bit,內(nèi)存大小64 Mbit。(6) 添加EPCS Controller ,默認(rèn)設(shè)置。(7) 添加驅(qū)動(dòng)LCD的PIO,包括LCD_DB(16位雙向)、LCD_CS(1位輸出)、LCD_RS(1位輸出)、LCD_WR(1位輸出)、LCD_RD(1位輸出)、LCD_RST(1位輸出)、LCD_PS(1位輸出)。(8) 添加驅(qū)動(dòng)Touch的PIO,包括T_INT(1位輸入)、T_SDA(1位輸出/輸出)、T_CLK(1位輸入)。(9) 添加DMA,采用默認(rèn)設(shè)置。(10) 添加多徑條數(shù)控制的PIO,命名為pathes(3位輸出),多徑條數(shù)選擇為1~5條。(11)添加控制第幾條路徑選擇的PIO,命名為path(3位輸出),選擇為第1~第5條。(12) 添加控制路徑衰落比例的PIO,命名為fading(4位輸出),比例范圍0.1~0.9。(13) 添加多普勒頻移大小控制的PIO,命名為doppler_db(16位輸出),范圍1 KHz ~500 KHz。(14) 添加多普勒頻移方向的PIO,命名為doppler_dr(1位輸出)。(15) 添加高斯噪聲控制的PIO,命名為gauss_gain(9位輸出)。(16) 點(diǎn)擊 generate生成IP核。

    圖4Nios II軟核結(jié)構(gòu)框圖

    3.2 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

    觸摸屏程序設(shè)計(jì)包括觸摸屏顯示程序設(shè)計(jì)和觸摸程序設(shè)計(jì)。

    3.2.1顯示程序設(shè)計(jì)

    顯示內(nèi)容包括字符、圖片和按鍵圖標(biāo)。由于沒有外掛漢字字庫并且RA8875不能直接顯示漢字,因此采用字庫工具PCtoLCD把設(shè)定好大小的漢字轉(zhuǎn)換成字符數(shù)據(jù),采用點(diǎn)陣的方式顯示。對(duì)于圖片與圖標(biāo)采用圖像數(shù)據(jù)生成工具Image2Lcd轉(zhuǎn)換成字符數(shù)據(jù),同樣采用點(diǎn)陣顯示。

    RA8875有兩種顯示方式:橫屏顯示(800×480)和豎屏顯示(480×800),本設(shè)計(jì)采用橫屏顯示。由于RA8875內(nèi)建BTE 2D圖形加速引擎,因此采用BTE模式顯示圖形。工作原理:設(shè)定圖片顯示目的位置坐標(biāo),然后設(shè)定BTE寬度緩存器和高度緩存器,接著設(shè)定BTE控制緩存器,設(shè)置BTE的工作模式,具體為REG[20h] Bit7=1,開始寫入一筆數(shù)據(jù),檢查狀態(tài)緩存器STSR Bit7,當(dāng)STSR Bit7=1時(shí),寫入下一筆數(shù)據(jù);當(dāng)STSR Bit7=0時(shí),數(shù)據(jù)寫完,結(jié)束程序,如圖5所示。

    圖5顯示程序流程圖

    3.2.2觸摸程序設(shè)計(jì)

    觸摸芯片GT811采用5點(diǎn)觸控,由于本設(shè)計(jì)中參數(shù)設(shè)計(jì)通常為單點(diǎn)觸控,為了防止誤觸,設(shè)計(jì)成單點(diǎn)觸控。設(shè)計(jì)思想:進(jìn)入程序后對(duì)GT811進(jìn)行初始化,設(shè)定當(dāng)觸摸屏受到按壓或點(diǎn)擊時(shí),GT811通過軟件中斷T_IN請(qǐng)求通知FPGA有觸摸發(fā)生,此時(shí)引腳T_IN輸出為低電平,向FPGA提出中斷請(qǐng)求,進(jìn)入中斷服務(wù)程序。通過判斷中斷輸入口電平的變化消除非意圖的觸摸產(chǎn)生的抖動(dòng),消除抖動(dòng)后,通過電壓的切換分別導(dǎo)通Y電極對(duì)、X電極對(duì)的模擬量,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,讀取相應(yīng)的坐標(biāo)值,將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值與設(shè)定的按鍵圖標(biāo)邊界值進(jìn)行比較,若在按鍵圖標(biāo)范圍內(nèi),則切換到相應(yīng)的觸發(fā)程序,否則開中斷返回到主程序,繼續(xù)等待外部觸摸中斷的發(fā)生[8-13]。程序流程,如圖6所示。

    圖6觸摸控制程序流程圖

    觸摸屏整體流程,如圖7所示。衛(wèi)星信道模擬器上電后,進(jìn)入產(chǎn)品介紹首界面,包括產(chǎn)品名稱、學(xué)校、作者和導(dǎo)師等信息,延時(shí)3 s后進(jìn)入衛(wèi)星信道模擬器參數(shù)設(shè)置界面,包括多徑時(shí)延與增益、多普勒頻移和高斯白噪聲等按鍵圖標(biāo),通過掃描觸摸屏的輸入的狀態(tài),根據(jù)各種狀態(tài)來做出相應(yīng)的處理。在觸摸屏輸入狀態(tài)下,檢測觸摸的坐標(biāo),當(dāng)坐標(biāo)不在任意按鍵圖標(biāo)內(nèi)時(shí),繼續(xù)掃描是否有按鍵被按下;當(dāng)坐標(biāo)在某一按鍵內(nèi)時(shí),進(jìn)行功能識(shí)別,然后更新相應(yīng)的衛(wèi)星信道參數(shù)。

    圖7觸摸屏整體流程圖

    3.3 參數(shù)控制模塊設(shè)計(jì)

    衛(wèi)星信道參數(shù)從觸摸屏傳輸?shù)剿惴K時(shí),經(jīng)過參數(shù)控制模塊最終完成衛(wèi)星信道參數(shù)更新,參數(shù)控制模塊主要包括多普勒頻移控制模塊、多徑時(shí)延與增益控制模塊以及高斯增益控制模塊。

    3.3.1多普勒頻移控制模塊

    多普勒頻移控制模塊如圖8所示。多普勒頻移原理是把輸入信號(hào)通過希爾伯特hilbert濾波器變換成I和Q兩路互相正交的信號(hào),然后分別與正余弦信號(hào)相乘,最后兩路輸出信號(hào)相加得到多普勒頻移輸出信號(hào)。為使多普勒頻移可調(diào),正余弦發(fā)生器DDS的頻率也要可調(diào),這里采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法(cordic法)生成頻率可調(diào)的DDS,通過頻率控制字控制輸出正余弦的頻率。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為fclk,輸出信號(hào)頻率為fout,頻率控制字為N位,頻率控制字為M,則輸出信號(hào)頻率為

    (1)

    則頻率控制字的表達(dá)式為

    (2)

    設(shè)計(jì)中N=32,多普勒頻移的最小為1 kHz,則相應(yīng)的控制字M= 85 899,對(duì)于觸摸屏輸出的頻率doppler_db=NkHz時(shí),對(duì)應(yīng)的頻率控制字為85 899×N。

    圖8多普勒頻移控制模塊結(jié)構(gòu)圖

    實(shí)踐中,用戶終端和衛(wèi)星之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),當(dāng)兩者逐漸靠近時(shí),壓縮波長,頻率增高;當(dāng)兩者逐漸遠(yuǎn)離時(shí),拉伸波長頻率降低。為了控制頻移增高或降低,采用Verliog語言編寫一個(gè)可切換的加/減法器,當(dāng)控制使能doppler_dr=1時(shí),為加法器,輸出頻率降低;當(dāng)doppler_dr=0時(shí),為減法器,頻率增高。

    3.3.2多徑時(shí)延與增益控制模塊

    本文設(shè)計(jì)的多徑最多為5條,時(shí)延采用寄存器時(shí)延實(shí)現(xiàn)[14],寄存器時(shí)延的位寬為16 bit,時(shí)延分辨率為系統(tǒng)時(shí)鐘周期,系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz,多徑時(shí)延分別為20、100、160、220、300 ns,如圖9所示。當(dāng)觸摸屏輸出的多徑條數(shù)pathes傳到多徑時(shí)延與增益模塊時(shí),通過多徑條數(shù)控制模塊把輸入多徑條數(shù)變成控制時(shí)延模塊的使能端(高電平有效),來控制相應(yīng)的路徑。多徑增益控制模塊由路徑控制path與增益比例fading兩部分組成,當(dāng)輸入相應(yīng)路徑時(shí),該路徑對(duì)應(yīng)的乘法器使能端有效,然后通過fading控制衰落比例。

    增益比例為小數(shù)并且FPGA芯片為32位定點(diǎn)處理器,無法直接進(jìn)行小數(shù)乘運(yùn)算,需要對(duì)定點(diǎn)乘法器進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的乘法器實(shí)現(xiàn)方法如下:假設(shè)時(shí)延輸后輸入為datain,增益后輸出為dataout,datain為16位有符號(hào)整數(shù),比例因子fading為4位小數(shù),對(duì)datain低位補(bǔ)4位小數(shù)(4’b0),變?yōu)?0位的{datain,4’b0},對(duì)fading高位補(bǔ)16位有符號(hào)整數(shù)位(16’b0),變?yōu)?0位的{16’b0,fading},兩數(shù)相乘的輸出dataout用40位有符號(hào)數(shù)表示。實(shí)際需要的輸出為16位,需要對(duì)輸出dataout截位,由于兩數(shù)相乘的8位小數(shù)位全為0且整數(shù)位高15位也為0,符號(hào)位取次高位,因此截位后的輸出為{dataout[38],dataout[22:8]}。

    圖9多徑時(shí)延與增益結(jié)構(gòu)圖

    3.3.3高斯增益控制模塊

    高斯增益控制模塊,如圖10所示。根據(jù)中心極限定理,多個(gè)m序列和值的概率密度趨近于正態(tài)分布,采用多個(gè)m序列相加得到高斯白噪聲[14-15]。為了控制噪聲的功率,將其與高斯噪聲增益因子gauss_gain相乘,高斯白噪聲用16 bit有符號(hào)數(shù)表示, gauss_gain采用9 bit有符號(hào)數(shù)表示,符號(hào)位為0,取值范圍為0~255,輸出截取16 bit有符號(hào)數(shù)(次高位以下16位數(shù)據(jù))表示。當(dāng)gauss_gain取最大值255時(shí),信噪比為0 dBm,當(dāng)gauss_gain減半時(shí),信噪比增加6 dBm,最大為48 dBm。

    圖10高斯增益控制模塊結(jié)構(gòu)圖

    4 測試與分析

    觸摸屏測試時(shí),先給衛(wèi)星信道模擬器上電,然后把程序通過JTAG口下載到FPGA中,接著觸摸屏開始顯示首界面,延時(shí)3S后顯示參數(shù)設(shè)置界面,接著對(duì)觸摸芯片初始化,然后進(jìn)行測試觸摸功能,點(diǎn)擊“頻移增大”按鍵圖標(biāo),顯示觸摸坐標(biāo)為(143,328),在按鍵圖標(biāo)范圍內(nèi),符合設(shè)計(jì)要求,具體如圖11所示。

    (1) 首界面

    (2) 參數(shù)設(shè)置界面

    (3) 觸摸坐標(biāo)圖

    圖12 多普勒頻移仿真圖

    參數(shù)控制模塊采用Modelsim進(jìn)行仿真,易于直接觀察參數(shù)控制效果。多普勒頻移仿真如圖12所示,輸入信號(hào)是一個(gè)2 MHz的正弦波,多普勒頻移的大小為doppler_db=200 kHz,頻移方向doppler_dr=1,即頻移減小,圖中datain表示輸入信號(hào),dataout表示頻移輸出信號(hào),sine和cosine表示DDS生成的正余弦信號(hào)。

    多徑時(shí)延與增益模塊仿真如圖13所示,輸入信號(hào)采用的是周期采樣32個(gè)點(diǎn)的正弦波。多徑條數(shù)控制仿真,多徑徑條數(shù)pathes=3,圖中out1~out5表示路徑1~5的輸出,可以觀察到路徑out1~out3有輸出,路徑out4~out5無輸出。

    圖13 多徑條數(shù)仿真圖

    多徑增益仿真如圖14,路徑條數(shù)pathes=5,第1條(path=1)路徑的增益比例為0.5,即fading=4’b0100。

    圖14 多徑增益仿真圖

    高斯白噪聲仿真如圖15所示,令輸出噪聲信噪比為24 dBm,對(duì)應(yīng)的gauss_gain=128,也就是輸出噪聲是輸入噪聲的0.5倍,圖中awgn_out表示生成的噪聲,awgn_gain表示增益后的噪聲。

    圖15 高斯增益仿真圖

    通過測試,表明觸摸屏衛(wèi)星信道模擬器參數(shù)設(shè)置界面顯示良好,按鍵圖標(biāo)觸摸有效,可以直觀地顯示多徑條數(shù)、多徑增益的比例、多普勒頻移方向及大小以及噪聲增益比例的控制精確等參數(shù)。

    5 結(jié) 語

    設(shè)計(jì)了基于FPGA可觸控衛(wèi)星信道器的觸摸屏參數(shù)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)的硬件電路、Nios II軟核、觸摸屏程序和參數(shù)控制模塊等進(jìn)行了分析。測試表明,觸摸屏響應(yīng)迅速,觸摸功能強(qiáng)勁,參數(shù)設(shè)置有效,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。與采用上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的信道模擬器相比,具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、參數(shù)設(shè)置方便等優(yōu)點(diǎn),具有很好的應(yīng)用前景。

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    ·名人名言·

    “學(xué)校的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是培養(yǎng)有獨(dú)立行動(dòng)和獨(dú)立思考的個(gè)人,不過他們要把為社會(huì)服務(wù)看作是自己人生的最高目標(biāo)。”

    ——愛因斯坦

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