SOPC和ZigBee的三維移動(dòng)天線(xiàn)平臺設計

摘要：利用ZigBee通信協(xié)議棧和可編程片上系統(System On a Programmable Chip，SOPC)技術(shù)，實(shí)現了兩個(gè)三維移動(dòng)天線(xiàn)平臺的協(xié)調動(dòng)作與綜合控制。通過(guò)設計符合Avalon總線(xiàn)標準的自定義步進(jìn)電機控制模塊，減小了步進(jìn)電機控制的軟件開(kāi)銷(xiāo)。使用激光測距傳感器，實(shí)現三維移動(dòng)平臺的精確定位。構建了基于ZigBee技術(shù)的分布式無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。結合μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統，增強了多任務(wù)的實(shí)時(shí)性。系統具有集成度高、可擴展性強、可靠性高和控制精度高的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：可編程片上系統；無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)；自定義IP核；嵌入式操作系統；激光測距傳感器

引言
高精度的三維移動(dòng)天線(xiàn)平臺在許多測試測量場(chǎng)合得到廣泛應用。然而，現有的高精度天線(xiàn)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)調工作的解決辦法。

1 系統組成
三維移動(dòng)天線(xiàn)平臺系統按照功能劃分，主要由測控系統、通信網(wǎng)絡(luò )、運動(dòng)執行機構組成，如圖1所示。其中，測控系統由測控計算機、手持控制器組成；通信網(wǎng)絡(luò )采用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )；運動(dòng)執行機構由兩個(gè)差動(dòng)轉速輪式移動(dòng)平臺搭載高精度天線(xiàn)桅桿構成。運動(dòng)執行機構裝有兩個(gè)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(dòng)平臺初始對準的一字激光發(fā)射器和接收器。

2 運動(dòng)執行系統設計
2．1 運動(dòng)執行機構坐標定義
為了確定運動(dòng)執行機構的移動(dòng)方向與坐標，定義天線(xiàn)移動(dòng)平臺坐標系，如圖2所示。以?xún)伤揭苿?dòng)控制電機同步正轉行進(jìn)方向為y正方向，以從x軸方向向y軸方向旋轉為平臺旋轉正方向(對應旋轉控制電機正轉)，天線(xiàn)向上升高方向為z正方向(對應升降控制電機正轉)。

2．2 運動(dòng)控制器硬件設計
運動(dòng)控制器在水平移動(dòng)控制電機、天線(xiàn)升降移動(dòng)控制電機、天線(xiàn)旋轉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(xiàn)位置與姿態(tài)的測量與控制。運動(dòng)控制器分為主控板和接口板兩部分。
2．2．1 主控板
運動(dòng)控制器主控板由處理器單元(Nios II軟核)、存儲器、JTAG調試接口等組成，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工藝設計，Cyclone II器件提供了4 608到68 416個(gè)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(zhuān)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(diǎn)設計的，它將主控板的通用電接口轉換為測控專(zhuān)用接口，包括水平運動(dòng)控制接口電路、垂直升降運動(dòng)控制接口電路、旋轉極化控制接口電路、初始對準輔助設備接口電路、系統狀態(tài)燈驅動(dòng)電路等，其組成與連接關(guān)系如圖4所示。

步進(jìn)電機控制接口部分充分利用Nios II軟核的高度可制定性，自定義設計了一個(gè)符合Avalon總線(xiàn)標準的步進(jìn)電機控制IP核。該IP核可以像操作標準外設一樣讀寫(xiě)相應寄存器，實(shí)現具體的控制。其寄存器映射如表1所列。其中，period寄存器值對應電機運行速度，number寄存器對應電機運行距離。

圖5為Quartus II軟件生成的步進(jìn)電機控制IP核的從外設框圖。

2．3 運動(dòng)控制器軟件設計
由于運動(dòng)控制器需要完成本地按鍵任務(wù)、遠程鍵盤(pán)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任務(wù)、天線(xiàn)垂直調零任務(wù)、天線(xiàn)極化調零任務(wù)、運動(dòng)任務(wù)等，因此運動(dòng)控制器軟件系統使用μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統完成任務(wù)的調度和處理。
系統上電完成必要設備初始化之后，控制通信模塊上電，完成無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)功能。操作系統創(chuàng )建本地按鍵任務(wù)、遠程鍵盤(pán)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信號量控制執行。遠程鍵盤(pán)任務(wù)和PC機任務(wù)由通信模塊控制執行。按鍵命令格式：KEY：key_value：YEK(12字節)，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：

系統命令可劃分為簡(jiǎn)單非定量命令(前進(jìn)、后退等)，復雜非定量命令(水平對準、垂直調零等)和定量命令(水平運動(dòng)、垂直運動(dòng))3種。其中簡(jiǎn)單非定量命令在相應任務(wù)中獲取解析后直接讀／寫(xiě)步進(jìn)電機控制模塊寄存器完成控制。而接到復雜非定量命令后，根據命令取值建立不同的任務(wù)，在新建任務(wù)完成相應操作后向命令發(fā)送方回復應答數據，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電機控制寄存器值(即包含速度、距離、方向控制信息)，相應任務(wù)直接提取數據完成電機控制。坐標值命令包含預定目標x、y坐標值，系統根據自身坐標(當前傳感器值)計算得出電機控制寄存器值完成動(dòng)作。系統軟件流程圖如圖6所示。

系統子任務(wù)中，水平初始對準任務(wù)和天線(xiàn)垂直調零任務(wù)最為重要。它不僅是移動(dòng)平臺位置初始化過(guò)程，更是系統建立空間坐標系的基礎。因此，該任務(wù)實(shí)現的好壞，直接影響移動(dòng)平臺控制的可靠性。設計完善的應答機制，合理地使用信號量、標志組等，是任務(wù)設計合理可靠的關(guān)鍵。其簡(jiǎn)化流程圖如圖7所示。

3 無(wú)線(xiàn)通信設計
3．1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介
ZigBee技術(shù)是一種應用于短距離、低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無(wú)線(xiàn)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調制技術(shù)，可以達到250 kb／s的速率，并減少工作時(shí)間，以降低功耗。在MAC層采用CSMA／CA方式，以提高系統兼容性。網(wǎng)絡(luò )層方面，ZigBee聯(lián)盟規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(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )拓撲結構
考慮到系統除測控計算機節點(diǎn)外，其余3個(gè)節點(diǎn)均為移動(dòng)節點(diǎn)，移動(dòng)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，設計采用簇狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。即測控計算機為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，1號移動(dòng)天線(xiàn)平臺為路由器，2號移動(dòng)天線(xiàn)平臺和手持控制器為終端設備。手持控制器采用低頻喚醒機制以延長(cháng)電池使用壽命。網(wǎng)絡(luò )拓撲圖如圖8所示。

結語(yǔ)
針對雙三維移動(dòng)天線(xiàn)平臺精確定位與控制，提出了一種切實(shí)可行的方案。經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，移動(dòng)天線(xiàn)平臺行進(jìn)方向誤差5 mm。天線(xiàn)水平極化和垂直極化誤差0．2°。系統充分利用了SOPC技術(shù)優(yōu)勢，完成了兩平臺的綜合控制和協(xié)調工作。證明了系統具有高精度、高可靠性、高集成等特點(diǎn)。