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

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