基于FPGA的天线伺服控制系统开发
发布时间：2021-02-07 20:03
雷达系统的天线是舰船接收和发送信号的关键设备,为了能够在船舶航行过程中始终获取高质量的检测信号,舰船的天线必须满足俯仰角度和方位的灵活控制。伺服控制系统经历了较长的发展时间,目前已经日益成熟。本文结合当前流行的FPGA+ARM的控制器组合方式,开发了一种舰船雷达天线的伺服控制系统,重点对舰船雷达天线伺服控制系统的整体设计、FPGA芯片的时钟振荡电路设计和FPGA与ARM芯片的传输问题进行了研究。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(16)北大核心
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
FPGA芯片与ARM芯片的信号通信原理Fig.4Theprincipleofsignalcommunicationbetween
图1为船舶天线伺服控制系统的总体设计框架。图1船舶天线伺服控制系统的总体设计框架Fig.1Generaldesignframeworkofshipantennaservocontrolsystem舰船天线伺服控制系统的功能包括以下几方面：1）伺服电机控制天线伺服控制系统能够对伺服电机进行有效控制，包括天线平台的方位电机，俯仰电机和旋转电机等。在进行伺服电机的控制时，可以有多种控制方式以供选择，如电机连续的运动控制和定量的运动控制。伺服电机的控制响应速度决定了舰船雷达天线平台的响应速度，因此，伺服电机控制功能是该系统的最主要功能。2）上位机信号响应在天线伺服控制系统中，控制器接收来自上位机的编码器信号、报警信号、启停信号等，伺服控制器必须根据上位机发出的信号进行快速响应。3）位置管理功能雷达天线的位置管理通常采用加/减计数器，其中加计数器用于伺服控制系统内部驱动脉冲计数，减计数器用于输入信号的编码器信号计数。加/减计数器的位数为32位，满足逻辑位置计数的需求。4）数据处理功能天线伺服控制系统的数据处理主要是指数据的插补功能，从而保证脉冲信号是一种连续信号，实现伺服电机的快速响应。2基于FPGA的天线伺服控制系统开发2.1伺服控制系统的控制器设计船舶雷达天线伺服控制系统的核心是控制器，相当于伺服控制系统的大脑，控制器速度越快，对船舶天线位置信号的处理能力越高。FPGA控制器具有非常高的集成性，能将伺服控制系统的主要功能都集成在单片FPGA器件中，大大减少了控制系统所需的元器件个数。同时，FPGA控制器具有良好的扩展性，能够支持UART接口、USB接口、LCD接口等。本文考虑到FPGA控制器的成本因素，选用了一种Altera公
本文应用的EP2D12Q2310系列FPGA芯片中，采用的时钟振荡电路为有源晶振，时钟的输入频率范围为16-387MHz，输出频率范围为16-275MHz。FP-GA芯片中的时钟管理模块能够根据系统需要调整系统时钟的输入、输出频率，满足系统运行速度的需求。图3为FPGA芯片的时钟源电路图。图3FPGA芯片的时钟源电路图Fig.3ClocksourcecircuitdiagramofFPGAchip该时钟源的有源晶振采用3.3V电源，2个引脚接地。2.2伺服控制器的FPGA与ARM通信方式的研究尽管EP2D12Q2310型FPGA控制器芯片具有较高的集成度和较强的功能，但考虑成本因素和舰船天线伺服控制系统的复杂程度，本文最终选择了一种ARM+FPGA的伺服控制系统硬件方案，一方面充分利用FP-GA的优越特性，另一方面基于ARM的嵌入式特点，使舰船天线伺服控制系统的灵活性、拓展性增加。在功能分工上，ARM芯片负责控制系统的D/A转换、伺服电机的控制信号产生、上位机的信号传输；FPGA芯片负责方位电机，俯仰电机和旋转电机的驱动脉冲信号产生、船舶雷达天线位置数据的测量和计数、I/O端口编程控制等。EP2D12Q2310型FPGA芯片与ARM的信号通信是船舶天线伺服控制系统能够成功的关键，本文利用ARM的中断逻辑+存储器等设备，将FPGA芯片作为ARM芯片外接设备，实现核心控制器的搭建。FPGA芯片与ARM芯片的信号通信原理如图4所示。将FPGA芯片作为ARM芯片的外挂设备，结合中断逻辑+存储器的方式实现数据通信，FPGA芯片和ARM芯片的数据总线是16位，地址总线是8位。因此，ARM芯片的端口可以通过CS0与FPGA的CS1相连。此外，2个控制器芯片的数
【参考文献】：
期刊论文
[1]新技术引领厕所改造升级,知识产权发挥助推作用[J]. 徐子航. 河南科技. 2018(04)
[2]基于FPGA的随机脉冲快速捕捉系统的设计与实现[J]. 员天佑,谢阅. 计算机测量与控制. 2007(03)
本文编号：3022752
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(16)北大核心
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
FPGA芯片与ARM芯片的信号通信原理Fig.4Theprincipleofsignalcommunicationbetween
图1为船舶天线伺服控制系统的总体设计框架。图1船舶天线伺服控制系统的总体设计框架Fig.1Generaldesignframeworkofshipantennaservocontrolsystem舰船天线伺服控制系统的功能包括以下几方面：1）伺服电机控制天线伺服控制系统能够对伺服电机进行有效控制，包括天线平台的方位电机，俯仰电机和旋转电机等。在进行伺服电机的控制时，可以有多种控制方式以供选择，如电机连续的运动控制和定量的运动控制。伺服电机的控制响应速度决定了舰船雷达天线平台的响应速度，因此，伺服电机控制功能是该系统的最主要功能。2）上位机信号响应在天线伺服控制系统中，控制器接收来自上位机的编码器信号、报警信号、启停信号等，伺服控制器必须根据上位机发出的信号进行快速响应。3）位置管理功能雷达天线的位置管理通常采用加/减计数器，其中加计数器用于伺服控制系统内部驱动脉冲计数，减计数器用于输入信号的编码器信号计数。加/减计数器的位数为32位，满足逻辑位置计数的需求。4）数据处理功能天线伺服控制系统的数据处理主要是指数据的插补功能，从而保证脉冲信号是一种连续信号，实现伺服电机的快速响应。2基于FPGA的天线伺服控制系统开发2.1伺服控制系统的控制器设计船舶雷达天线伺服控制系统的核心是控制器，相当于伺服控制系统的大脑，控制器速度越快，对船舶天线位置信号的处理能力越高。FPGA控制器具有非常高的集成性，能将伺服控制系统的主要功能都集成在单片FPGA器件中，大大减少了控制系统所需的元器件个数。同时，FPGA控制器具有良好的扩展性，能够支持UART接口、USB接口、LCD接口等。本文考虑到FPGA控制器的成本因素，选用了一种Altera公
本文应用的EP2D12Q2310系列FPGA芯片中，采用的时钟振荡电路为有源晶振，时钟的输入频率范围为16-387MHz，输出频率范围为16-275MHz。FP-GA芯片中的时钟管理模块能够根据系统需要调整系统时钟的输入、输出频率，满足系统运行速度的需求。图3为FPGA芯片的时钟源电路图。图3FPGA芯片的时钟源电路图Fig.3ClocksourcecircuitdiagramofFPGAchip该时钟源的有源晶振采用3.3V电源，2个引脚接地。2.2伺服控制器的FPGA与ARM通信方式的研究尽管EP2D12Q2310型FPGA控制器芯片具有较高的集成度和较强的功能，但考虑成本因素和舰船天线伺服控制系统的复杂程度，本文最终选择了一种ARM+FPGA的伺服控制系统硬件方案，一方面充分利用FP-GA的优越特性，另一方面基于ARM的嵌入式特点，使舰船天线伺服控制系统的灵活性、拓展性增加。在功能分工上，ARM芯片负责控制系统的D/A转换、伺服电机的控制信号产生、上位机的信号传输；FPGA芯片负责方位电机，俯仰电机和旋转电机的驱动脉冲信号产生、船舶雷达天线位置数据的测量和计数、I/O端口编程控制等。EP2D12Q2310型FPGA芯片与ARM的信号通信是船舶天线伺服控制系统能够成功的关键，本文利用ARM的中断逻辑+存储器等设备，将FPGA芯片作为ARM芯片外接设备，实现核心控制器的搭建。FPGA芯片与ARM芯片的信号通信原理如图4所示。将FPGA芯片作为ARM芯片的外挂设备，结合中断逻辑+存储器的方式实现数据通信，FPGA芯片和ARM芯片的数据总线是16位，地址总线是8位。因此，ARM芯片的端口可以通过CS0与FPGA的CS1相连。此外，2个控制器芯片的数
【参考文献】：
期刊论文
[1]新技术引领厕所改造升级,知识产权发挥助推作用[J]. 徐子航. 河南科技. 2018(04)
[2]基于FPGA的随机脉冲快速捕捉系统的设计与实现[J]. 员天佑,谢阅. 计算机测量与控制. 2007(03)
本文编号：3022752
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