基于XScale處理器的天線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

　　隨著信息社會(huì)的到來，人類的生產(chǎn)方式、生活方式以及工作方式也隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)生變化。無論在民用還是軍用方面，都需要一種可以在移動(dòng)中實(shí)時(shí)、大容量、不間斷地傳遞語音、數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)圖像等多媒體信息的衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)。因此，機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)理所當(dāng)然地成為了當(dāng)前移動(dòng)通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

　　本文所介紹的基于XScale微處理器的“動(dòng)中通”移動(dòng)衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)，能夠在各種條件下保證天線高精度地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，準(zhǔn)確而快速實(shí)現(xiàn)平臺(tái)天線和衛(wèi)星之間的實(shí)時(shí)通信。由于采用了嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，該衛(wèi)星移動(dòng)天線控制系統(tǒng)體積小，性價(jià)比優(yōu)良，實(shí)時(shí)性好。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1  總體方案

　　采用“開環(huán)穩(wěn)定+閉環(huán)跟蹤”的控制方案?？傮w思想如下：通過GPS接收機(jī)得出載體方位信息，使用姿態(tài)傳感器敏感載體的姿態(tài)角，快速初始對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，將慣性角速率陀螺儀作為電機(jī)伺服控制的反饋元件，敏感載體運(yùn)動(dòng)過程中天線平臺(tái)在方位和俯仰方向的變化，通過反饋補(bǔ)償保證載體運(yùn)動(dòng)過程中平臺(tái)的穩(wěn)定。同時(shí)，為克服載體姿態(tài)變化快、幅度大，以及陀螺的漂移和電機(jī)的特性等諸多復(fù)雜因素的影響，滿足衛(wèi)星通信對(duì)跟蹤精度的要求，在陀螺穩(wěn)定的基礎(chǔ)上還配以電平信號(hào)步進(jìn)跟蹤以達(dá)到高精度穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的目的。

　　采用方位和俯仰兩軸控制，雖可以避免三軸控制的復(fù)雜性，但是天線俯仰軸相對(duì)于水平面的橫滾變化卻無法消除。該變化對(duì)螺旋天線、平板天線影響不大，但是會(huì)影響拋物面天線接收信號(hào)的強(qiáng)度。這時(shí)可以在兩軸穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上增加極化軸，用電機(jī)尋找最佳極化角度。

1.2  嵌入式系統(tǒng)組成

　　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)是一種將嵌入了軟件的計(jì)算機(jī)硬件作為其最重要的一部分的系統(tǒng)。它是一種專用于某個(gè)應(yīng)用或者產(chǎn)品的基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，既可以是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以是更大系統(tǒng)的一部分[1]?？傮w而言，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)有三個(gè)主要組成部分：支撐硬件、主應(yīng)用軟件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和主應(yīng)用軟件集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，也就是軟件與硬件的一體化。軟件和硬件之間由BSP層（板極支持包）連接。嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示：

1.3  硬件支持

　　設(shè)計(jì)中首先要考慮的是如何使操作系統(tǒng)能更有效的管理資源并支持多任務(wù)環(huán)境。為了移植Windows CE操作系統(tǒng)與開發(fā)相關(guān)的程序，我們選用基于Intel XScale PXA255處理器的高端嵌入式解決方案XSBASE255作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　該開發(fā)板具有我們系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所需的大部分硬件配置。同時(shí)，硬件設(shè)備廠商為客戶提供了Windows CE.NET下PXA255的BSP，所以在硬件擴(kuò)展加以改動(dòng)時(shí)，可以很方便的進(jìn)行BSP開發(fā)，只需對(duì)現(xiàn)有的源代碼進(jìn)行修改。

　　Intel XScale PXA255是32位RISC處理器，支持ARMv5TE指令集，采用7級(jí)超流水線，32KB指令緩存和32KB數(shù)據(jù)緩存，主頻為400MHz，具有MMU（Memory Management Unit）。XSBASE255采用兩片16MB的Flash Rom提供了32MB的非易失存儲(chǔ)，采用兩片32MB SDRAM組成64MB作為主內(nèi)存。引導(dǎo)程序、Image等所有的軟件都是存儲(chǔ)在Flash中。同時(shí)，PXA255提供眾多的外設(shè)接口為開發(fā)提供了極大的擴(kuò)展性和適應(yīng)性。

　　2  系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　2.1  軟件支持

　　在嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用中使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可使控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證，同時(shí)良好的多任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)及根據(jù)需求對(duì)軟件進(jìn)行裁剪，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　Microsoft Windows CE是一個(gè)開放的、可裁剪的、32位的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統(tǒng)。可以工作在12種不同的處理器體系結(jié)構(gòu)、180余種CPU上；緊湊、高效和可擴(kuò)展的特性，使它適用于各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。擁有多線程、多任務(wù)、確定性的實(shí)時(shí)、完全搶占式優(yōu)先級(jí)的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向只有有限資源的硬件系統(tǒng)[2]。同時(shí)，它的模塊化設(shè)計(jì)方式使得系統(tǒng)開發(fā)人員和應(yīng)用開發(fā)人員能夠?yàn)槎喾N多樣的產(chǎn)品來定制它。

　　Windows CE內(nèi)核是Windows CE操作系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，Windows CE的內(nèi)核表現(xiàn)為NK.EXE進(jìn)程。NK.EXE是所有基于Windows CE的系統(tǒng)中都存在的核心進(jìn)程，它實(shí)現(xiàn)了Win32 API核心進(jìn)程創(chuàng)建加載、線程調(diào)度、中斷處理和內(nèi)存管理等核心功能[3]。

　　當(dāng)Windows CE加載一個(gè)應(yīng)用程序時(shí)，它就產(chǎn)生了一個(gè)進(jìn)程。多個(gè)進(jìn)程使用戶可以同時(shí)工作于多個(gè)應(yīng)用程序，而多個(gè)線程可以使一個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)。在任務(wù)調(diào)度過程，內(nèi)核維護(hù)一個(gè)當(dāng)前操作系統(tǒng)所有線程的優(yōu)先級(jí)列表。每個(gè)進(jìn)程可能包含多個(gè)線程，而每一個(gè)線程都是一個(gè)可執(zhí)行單元。調(diào)度系統(tǒng)控制這些執(zhí)行單元的執(zhí)行順序，并允許他們相互之間以可預(yù)測(cè)的方式交換數(shù)據(jù)[4]。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)重新排列所有線程的優(yōu)先級(jí)。

　　下面是一些與調(diào)度有關(guān)的主要函數(shù)介紹[5]：

　　1、MakeRunIfNeeded（HANDLE hth）函數(shù)：主要功能是在需要時(shí)調(diào)度線程；

　　2、MakeRun（PTHREAD pth）函數(shù)：如果當(dāng)前沒有可運(yùn)行的線程，或者指定的線程pth是優(yōu)先級(jí)最高的線程，那么把pth插入到可運(yùn)行隊(duì)列的最前面，并判斷是否需要重新修改調(diào)度策略；

　　3、RunqDequeue（PTHREAD pth,DWORD cprio）函數(shù)：從運(yùn)行隊(duì)列中刪除一個(gè)線程；

　　4、SleepqDequeue（PTHREAD pth）函數(shù)：把一個(gè)線程從睡眠隊(duì)列中刪除；

　　5、ThreadSleep（DWORD time）函數(shù)：讓線程睡眠一段時(shí)間。

[!--empirenews.page--]　2.2  任務(wù)劃分

　　天線控制系統(tǒng)功能復(fù)雜、任務(wù)繁多，且各個(gè)任務(wù)之間需要進(jìn)行信息交流，彼此聯(lián)系，互為因果。利用多任務(wù)機(jī)制對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行管理調(diào)度，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

　　對(duì)本系統(tǒng)而言，任務(wù)劃分實(shí)際上就是對(duì)天線控制系統(tǒng)的工作流程做一個(gè)分解，使其每一動(dòng)作都對(duì)應(yīng)在一個(gè)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)，由動(dòng)作的執(zhí)行順序確定多任務(wù)中每一任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)進(jìn)入開機(jī)狀態(tài)后，通過選擇輸入衛(wèi)星參數(shù)（衛(wèi)星參數(shù)信息固化在程序中），系統(tǒng)開始初始化。通過串口提取GPS提供的有用信息，通過姿態(tài)解算計(jì)算出天線的初始對(duì)星角度，并在基準(zhǔn)確定的基礎(chǔ)上進(jìn)行角度修正，通過嵌入式控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)完成初始對(duì)星。在對(duì)星狀態(tài)完成之后，開始進(jìn)行電平搜索，得到準(zhǔn)確的天線指向并鎖定該位置，之后系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，同時(shí)陀螺進(jìn)入閉環(huán)工作狀態(tài)。

2.3  Windows CE移植

　　引導(dǎo)加載程序（Boot Loader）是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。雖然在Boot Loader中并不嚴(yán)格規(guī)定如何獲得操作系統(tǒng)映像，但絕大多數(shù)Boot Loader都會(huì)從開發(fā)機(jī)下載映像到目標(biāo)機(jī)，然后把映像放到內(nèi)存里執(zhí)行。在所有下載映像的Boot Loader中，通過以太網(wǎng)進(jìn)行下載的Boot Loader占絕大多數(shù)，稱為Etherent Boot Loader，簡(jiǎn)稱EBoot。在本系統(tǒng)中，EBoot主要有以下功能：

　　1、初始化目標(biāo)硬件設(shè)備，包括初始化內(nèi)存、中斷控制器、時(shí)鐘和MMU等；

　　2、控制啟動(dòng)過程，提供簡(jiǎn)單的菜單與用戶交互，讓用戶選擇啟動(dòng)過程；

　　3、下載并執(zhí)行操作系統(tǒng)映像。

　　總體而言，EBoot的唯一目標(biāo)就是加載并執(zhí)行操作系統(tǒng)映像。因此，Boot Loader必須在OS被下載前就先安裝在目標(biāo)機(jī)上，并與Platform Builder交互。

　　在ARM/ XScale系統(tǒng)中，我們使用JTAG將Boot Loader程序燒寫到Flash存儲(chǔ)器中，待系統(tǒng)加電或重置時(shí)自動(dòng)執(zhí)行。

　　2.4  軟件開發(fā)與調(diào)試

　　基于Windows CE設(shè)備的開發(fā)過程是由不斷修改、增加配置特征、構(gòu)建、下載、調(diào)試等組成的一個(gè)遞歸開發(fā)過程。每當(dāng)在Platform Builder中添加或修改一個(gè)特征時(shí)，都必須重新構(gòu)建操作系統(tǒng)映像，并將它下載到目標(biāo)設(shè)備硬件上進(jìn)行執(zhí)行和調(diào)試。一旦完成操作系統(tǒng)配置，我們就可以利用Platform Builder提供的導(dǎo)出SDK工具，為應(yīng)用程序開發(fā)者導(dǎo)出一個(gè)定制的SDK，應(yīng)用程序?qū)?dǎo)出的 SDK安裝到eMbedded Visual C++ 4.0后，就可以為特定的硬件平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用程序，并在特定硬件上進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試了。

　　在天線控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，采用多線程、分時(shí)共享技術(shù)，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃流程建立多任務(wù)和用戶應(yīng)用程序，具體劃分如下模塊：用戶界面線程、信號(hào)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程、初始對(duì)準(zhǔn)線程、動(dòng)態(tài)跟蹤線程、狀態(tài)判斷線程、衛(wèi)星搜索線程、穩(wěn)定控制線程。相關(guān)算法集合在各個(gè)任務(wù)之中。

　　軟件移植主要包括Windows CE操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼定制、裁剪，實(shí)現(xiàn)其核心代碼在XScale處理器上的移植，針對(duì)系統(tǒng)實(shí)際需求對(duì)Windows CE進(jìn)行操作系統(tǒng)本身的功能擴(kuò)展，并移植到硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)天線的每一步具體動(dòng)作。主要實(shí)現(xiàn)“陀螺閉環(huán)穩(wěn)定+程序跟蹤+步進(jìn)跟蹤”控制跟蹤方案的算法實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化，并把用C++語言實(shí)現(xiàn)的控制程序移植到XScale處理器上，最后基于Windows CE建立完整實(shí)用的RTOS對(duì)天線控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

　　3  結(jié)束語

　　基于Intel XScale PXA255處理器作為硬件設(shè)計(jì)、移植Windows CE操作系統(tǒng)并在天線控制系統(tǒng)整體方案的基礎(chǔ)上，開發(fā)了天線控制系統(tǒng)的多任務(wù)軟件系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，為日后的擴(kuò)展、移植和維護(hù)工作提供了方便。同時(shí)表明，應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Windows CE開發(fā)天線控制系統(tǒng)軟件能夠有效地降低軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，顯著提高軟件的可靠性和運(yùn)行效率。該設(shè)計(jì)方案在實(shí)際中有很好的應(yīng)用前景。