SOPC和ZigBee的三維移動天線平臺設(shè)計

摘要：利用ZigBee通信協(xié)議棧和可編程片上系統(tǒng)(System On a Programmable Chip，SOPC)技術(shù)，實現(xiàn)了兩個三維移動天線平臺的協(xié)調(diào)動作與綜合控制。通過設(shè)計符合Avalon總線標(biāo)準(zhǔn)的自定義步進電機控制模塊，減小了步進電機控制的軟件開銷。使用激光測距傳感器，實現(xiàn)三維移動平臺的精確定位。構(gòu)建了基于ZigBee技術(shù)的分布式無線通信網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合μC／OS—II實時操作系統(tǒng)，增強了多任務(wù)的實時性。系統(tǒng)具有集成度高、可擴展性強、可靠性高和控制精度高的特點。
關(guān)鍵詞：可編程片上系統(tǒng)；無線通信技術(shù)；自定義IP核；嵌入式操作系統(tǒng)；激光測距傳感器

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
    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)行機構(gòu)組成，如圖1所示。其中，測控系統(tǒng)由測控計算機、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±3 mm)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)行機構(gòu)坐標(biāo)定義
    為了確定運動執(zhí)行機構(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同步正轉(zhuǎn)行進方向為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、天線升降移動控制電機、天線旋轉(zhuǎn)極化控制電機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、1．2 VSRAM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、4 Kb嵌入式存儲器塊、鎖相環(huán)(PLL)和高速差分I／O能力。主控板組成框圖如圖3所示。

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。

    步進電機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)的步進電機控制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)電機運行速度，number寄存器對應(yīng)電機運行距離。

    圖5為Quartus II軟件生成的步進電機控制IP核的從外設(shè)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)、遠程鍵盤任務(wù)、PC機任務(wù)，其中PC機任務(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)、遠程鍵盤任務(wù)和PC機任務(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。遠程鍵盤任務(wù)和PC機任務(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。

    計算機命令取值如表3所列，計算機命令格式如下：
   

    系統(tǒng)命令可劃分為簡單非定量命令(前進、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／寫步進電機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。

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，Scien tific and Medical)頻帶為433MHz和2．4 GHz。ZigBee技術(shù)在我國工作在2．4 GHz頻段，采用較高階的QPSK調(diào)制技術(shù)，可以達到250 kb／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)狀拓撲。
    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)拓撲結(jié)構(gòu)
    考慮到系統(tǒng)除測控計算機節(jié)點外，其余3個節(jié)點均為移動節(jié)點，移動范圍在30 m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)拓撲結(jié)構(gòu)。即測控計算機為網(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制以延長電池使用壽命。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖8所示。

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，移動天線平臺行進方向誤差5 mm。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。