基于XScale處理器的天線(xiàn)控制系統的設計

0 引言

　　隨著(zhù)信息社會(huì )的到來(lái)，人類(lèi)的生產(chǎn)方式、生活方式以及工作方式也隨著(zhù)現代技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)生變化。無(wú)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(yǔ)音、數據、動(dòng)態(tài)圖像等多媒體信息的衛星天線(xiàn)跟蹤系統的出現。因此，機動(dòng)性能強、抗干擾能力強、保密性強的衛星通信系統理所當然地成為了當前移動(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)衛星天線(xiàn)控制系統，能夠在各種條件下保證天線(xiàn)高精度地對準目標衛星，準確而快速實(shí)現平臺天線(xiàn)和衛星之間的實(shí)時(shí)通信。由于采用了嵌入式控制系統進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該衛星移動(dòng)天線(xiàn)控制系統體積小，性?xún)r(jià)比優(yōu)良，實(shí)時(shí)性好。

　　1 系統總體設計

　　1.1 總體方案

　　采用“開(kāi)環(huán)穩定+閉環(huán)跟蹤”的控制方案?？傮w思想如下：通過(guò)GPS接收機得出載體方位信息，使用姿態(tài)傳感器敏感載體的姿態(tài)角，快速初始對準衛星，將慣性角速率陀螺儀作為電機伺服控制的反饋元件，敏感載體運動(dòng)過(guò)程中天線(xiàn)平臺在方位和俯仰方向的變化，通過(guò)反饋補償保證載體運動(dòng)過(guò)程中平臺的穩定。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的特性等諸多復雜因素的影響，滿(mǎn)足衛星通信對跟蹤精度的要求，在陀螺穩定的基礎上還配以電平信號步進(jìn)跟蹤以達到高精度穩定跟蹤目標衛星的目的。

　　采用方位和俯仰兩軸控制，雖可以避免三軸控制的復雜性，但是天線(xiàn)俯仰軸相對于水平面的橫滾變化卻無(wú)法消除。該變化對螺旋天線(xiàn)、平板天線(xiàn)影響不大，但是會(huì )影響拋物面天線(xiàn)接收信號的強度。這時(shí)可以在兩軸穩定控制的基礎上增加極化軸，用電機尋找最佳極化角度。

1.2 嵌入式系統組成

　　嵌入式系統設計是本文的重點(diǎn)內容。嵌入式系統是一種將嵌入了軟件的計算機硬件作為其最重要的一部分的系統。它是一種專(zhuān)用于某個(gè)應用或者產(chǎn)品的基于計算機的系統，既可以是一個(gè)獨立的系統，也可以是更大系統的一部分[1]?？傮w而言，一個(gè)嵌入式系統有三個(gè)主要組成部分：支撐硬件、主應用軟件和實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）。實(shí)時(shí)操作系統和主應用軟件集成于計算機硬件系統之中，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。嵌入式系統的體系結構如圖2所示：

1.3 硬件支持

　　設計中首先要考慮的是如何使操作系統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操作系統與開(kāi)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)驗平臺。

　　該開(kāi)發(fā)板具有我們系統實(shí)驗所需的大部分硬件配置。同時(shí)，硬件設備廠(chǎng)商為客戶(hù)提供了Windows CE.NET下PXA255的BSP，所以在硬件擴展加以改動(dòng)時(shí)，可以很方便的進(jìn)行BSP開(kāi)發(fā)，只需對現有的源代碼進(jìn)行修改。

　　Intel XScale PXA255是32位RISC處理器，支持ARMv5TE指令集，采用7級超流水線(xiàn)，32KB指令緩存和32KB數據緩存，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，采用兩片32MB SDRAM組成64MB作為主內存。引導程序、Image等所有的軟件都是存儲在Flash中。同時(shí)，PXA255提供眾多的外設接口為開(kāi)發(fā)提供了極大的擴展性和適應性。

　　2 系統軟件實(shí)現

　　2.1 軟件支持

　　在嵌入式計算機應用中使用實(shí)時(shí)操作系統，可使控制系統的實(shí)時(shí)性得到保證，同時(shí)良好的多任務(wù)規劃設計及根據需求對軟件進(jìn)行裁剪，有助于提高系統的穩定性和可靠性。

　　Microsoft Windows CE是一個(gè)開(kāi)放的、可裁剪的、32位的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統?？梢怨ぷ髟?2種不同的處理器體系結構、180余種CPU上；緊湊、高效和可擴展的特性，使它適用于各種嵌入式系統和產(chǎn)品。擁有多線(xiàn)程、多任務(wù)、確定性的實(shí)時(shí)、完全搶占式優(yōu)先級的操作系統環(huán)境，專(zhuān)門(mén)面向只有有限資源的硬件系統[2]。同時(shí)，它的模塊化設計方式使得系統開(kāi)發(fā)人員和應用開(kāi)發(fā)人員能夠為多種多樣的產(chǎn)品來(lái)定制它。

　　Windows CE內核是Windows CE操作系統的核心。系統運行時(shí)，Windows CE的內核表現為NK.EXE進(jìn)程。NK.EXE是所有基于Windows CE的系統中都存在的核心進(jìn)程，它實(shí)現了Win32 API核心進(jìn)程創(chuàng )建加載、線(xiàn)程調度、中斷處理和內存管理等核心功能[3]。

　　當Windows CE加載一個(gè)應用程序時(shí)，它就產(chǎn)生了一個(gè)進(jìn)程。多個(gè)進(jìn)程使用戶(hù)可以同時(shí)工作于多個(gè)應用程序，而多個(gè)線(xiàn)程可以使一個(gè)應用程序同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)。在任務(wù)調度過(guò)程，內核維護一個(gè)當前操作系統所有線(xiàn)程的優(yōu)先級列表。每個(gè)進(jìn)程可能包含多個(gè)線(xiàn)程，而每一個(gè)線(xiàn)程都是一個(gè)可執行單元。調度系統控制這些執行單元的執行順序，并允許他們相互之間以可預測的方式交換數據[4]。當中斷發(fā)生時(shí)，調度系統重新排列所有線(xiàn)程的優(yōu)先級。

　　下面是一些與調度有關(guān)的主要函數介紹[5]：

　　1、MakeRunIfNeeded（HANDLE hth）函數：主要功能是在需要時(shí)調度線(xiàn)程；

　　2、MakeRun（PTHREAD pth）函數：如果當前沒(méi)有可運行的線(xiàn)程，或者指定的線(xiàn)程pth是優(yōu)先級最高的線(xiàn)程，那么把pth插入到可運行隊列的最前面，并判斷是否需要重新修改調度策略；

　　3、RunqDequeue（PTHREAD pth,DWORD cprio）函數：從運行隊列中刪除一個(gè)線(xiàn)程；

　　4、SleepqDequeue（PTHREAD pth）函數：把一個(gè)線(xiàn)程從睡眠隊列中刪除；

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