基于TMS320VC54X的实时卫星信号跟踪系统

●应用与设计

图1系统的功能框图

基于T MS320VC54X 的实时卫星信号跟踪系统

孙华伟,

郑林华

(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)

摘要:介绍了一种在移动载体上实现卫星信号实时跟踪的系统设计方案,该方法以T MS320VC54X

为核心信号处理芯片,利用姿态敏感元件稳定运动中的卫星接收天线,以使其始终对准所要跟踪的同步卫星,文章给出了这种方法的硬件原理和主要的软件设计思路。关键词:姿态敏感;DSP;光纤陀螺;卫星通信分类号:T N927

文献标识码:B

文章编号:1006-6977(2004)01-0007-04

The R esearch of the R eal -time Trackin g S y stem of Satellite Si g nals

B ased on TMS320VC54X

SUN Hua-w ei ,

ZHENG Lin -hua

Abstract :T he desi g n m easures of the real -tim e trackin g s y stem of satellite si g nals on the m ovin g carrier is p ro 2p osed.T he T MS320VC54X is selected as its kernel chi p s.W ith the g esture sensitivit y elem ents ′

stabilizin g ,the satellite -receive antenna in m ovin g can aim at the s y nchronouse satellite.Its hardw are structure and m ain soft 2w are device are also described.K e y w ords :g esture sensitivit y ;

DSP;

statellite commuciation

1引言

实现运动中的卫星通信通常是利用姿态敏感元件来消除由于载体本身和运动所产生的天线对准精度的影响,从而使卫星天线的主轴或主瓣始终对准卫星方向。在姿态敏感元件中,陀螺仪是一个不可缺少的关键器件。近年来,随着精度的提高和价格的降低,光纤陀螺得到了越来越广泛的应用。本文即采用光纤陀螺作为主要的姿态敏感元件。

随着数字处理芯片功能的越来越强,精度越来越高,采用低成本高性能的数字处理芯片实现实时高精度的信号跟踪已成为可能。

现有的移动卫星信号跟踪系统多采用工控计算机来实现,这种方法不仅体积庞大,而且造价较高,本文选用TI 公司的T MS320VC54X 芯片设计了一个移动卫星电视信号跟踪系统。该系统体积小、性价比高。可广泛用于汽车、火车、轮船等移动载体。

2系统功能

本系统采用光纤陀螺稳定条件下的单脉冲自动

跟踪方式。系统工作时,首先由数字罗盘和光纤陀

螺产生天线的姿态信号,然后由DSP 芯片定时地引入这些姿态信号,再进行纠偏处理并与单脉冲信标接收机产生的俯仰角及横滚角误差信号以及AG C 信号做融合运算,从而产生精确的角度控制信号并实时地将此信号按照一定的频率输送到伺服控制卡,最终产生驱动电机的功率信号。

如果连续几次采样的AG C 信号都小于预设的阈值,则认为系统处于“丢星”状态,此时系统将转去执行丢星处理程序。当然,系统也可以接收用户的手动输入选星信息。图1所示是该系统的功能框图。

3系统硬件平台的设计

根据以上分析,该系统的硬件可采用模块化设

图2系统的硬件结构框图

计方式,整个系统分为三大模块:姿态敏感模块(由数字罗盘、光纤陀螺及信标接收机

组成)、姿态控制信号生成模块(由DSP 芯片及CP LD 电路组成)、天线驱动模块(由DSP 驱动卡、驱动器及相应的交流电机组成)。其中姿态控制信号生成模块是整个系统的核心,该模块的功能和接口能否达到要求,决定着整个系统的性能。为了使综合系统能在实际应用中达到所要求的指标,姿态控制信号生成模块应能达到以下要求:

(1)具有多路异步串口输入能力,能够同时处理

两路光纤陀螺信号及一路数字罗盘信号;

(2)具有对多路模拟信号实时高精度采集的能力,这些模拟信号包括单脉冲信标接收机输出的两路天线姿态角的误差信号以及AG C 信号;

(3)应有W atchD o g 和电源监视能力,还应有较大的程序、数据存储空间以满足复杂的程序运算。

整个系统的硬件结构框图如图2所示。3.1硬件选择

系统中的陀螺传感器E -CORE2000是采用E ?C ore 专利技术和高精度光纤陀螺技术生产的,启动时间为1s ,分辨率为0.014°/s ,瞬间带宽为100H z ,具有16位分辨率的角度变化时间。E -CORE2000的数据接口为RS232,其输出为异步串行数据,波特率为9600b p s ,数据格式是1位起始位、1位结束位、8位数据位。串行输出为连续的8组字符,每组字符有8位,角速率为DAT A0～DAT A15,共16位,最高一位为同步标志位。表1所列是其输出格式。

数字罗盘选用的是美国霍尼威尔公司生产的HMR3000,它能以NMEA 格式通过RS232串口提供俯仰角、方位角和航偏变化量输出,其快速响应时间最高可达20H z ,响应时间为0.1s ,航向精度为±0.5°,分辨率为0.1°,倾斜角(俯仰,方位)在±40°时的精度为±0.1°,可在恶劣环境中长时间工作。其输出的ASCII 字符格式有1位起始位、8位数据位(首位是最低有效位,最高有效位总是零)和1位停止位,无奇偶校验位,并有多种波特率、语句输出频率可选。

姿态误差计算机是产生精确控制信号的关键,考虑到姿态控制的精确性和实时性以及产品的成本要求,姿态误差计算机选用的是TI 公司的DSP 芯片

T MS320VC5409,它的指令周期为10ns ,运算能力为100MIPS ,带有16kB 的16位RAM ,4kB 的16位ROM

,片外数据空间可扩充至64kbit

,程序空间可扩

图3ST 16C554接口图4系统的软件流程图

充至1M bit 。该DSP 可在3.3V 电压下工作,并带有两个自动缓冲串口。

该系统中的驱动模块处理芯片选用TI 公司的T MS320C541B ,该芯片的主频为66MH z ,有5kB 的16位RAM 、28kB 的16位ROM ,该芯片也工作在3.3V 电压下,并带有两个标准串口。

异步串口扩展芯片使用ST 16C554,该器件具有1.5M b p s 的收发速率,通过软件可设置其波特率。它还带有4个异步串行接口,并有4个16字节的FIFO 缓冲器。可用于发送数据,因而可提高数据的传输效率和准确度。

CP LD 选用XI LINX 公司生产的XC9536X L 芯

片,它的工作频率为178MH z ,TPD 为5.0ns ,该芯片有36个宏单元和800个逻辑门,内核电压为3.3V ,有34个I/O 引脚。3.2硬件工作原理

为达到系统实时性要求,鉴于DSP 本身结构上的限制,需要对其接口部分重新设计,本文采用DSP 和CP LD 的组合来实现多路信号的分时输入。

由于T MS320C54x 系列DSP 芯片没有提供标准的UART 接口,故不能直接与光纤陀螺连接,因此采用扩展芯片来实现异步信号的输入,其基本过程为:首先对ST 16C554初始化,然后由CP LD 依次选通三路输入的片选端口,在选通期间,当接收数据满时,由ST 16C554通过CP LD 向DSP 提出中断,然后由CP LD 向ST 16C554发出读信号以将数据读入存储区。ST 16C554的主要接口如图3所示。

两路模拟信号转换电路的工作过程为:先由DSP 触发FIFO 复位以使其读写指针复位,然后让指针指向预先设定的物理单元,同时通过CP LD 来触发采样过程。

由于FIFO 的读、写过程是完全独立的,所以

DSP 芯片在每一个定时中断中可一次性将采样数据

读入DSP 的内存区域,读完数据后进入下一个采样

过程。因此,整个系统硬件工作顺序如下:

(1)DSP 加电复位后,通过CP LD 触发扩展串口,

然后分时输入光纤陀螺的测量值;

(2)由DSP 输入单脉冲信标接收机的输出值;(3)为DSP 输入AG C 信号;

(4)为DSP 驱动卡输入上位计算机的角度误差

信号。

4系统软件设计

4.1基本原理

由于光纤陀螺输出的是被测体的角速度变化率

(用16位的数字量表示),因此,对其进行积分便可

得到被测体的角度变化量Δ

θ。Δθ=θ0+∫i i +1

i k (ωi +1-ω0)dt

其中:k 为陀螺传感器的标度系数;ωi +1为陀螺传感器在i +1时间内的角速率输出量;ω0为陀螺传感器在静止状态时的角速率输出量;θ0为起始状态时的航向角,一般情况下,可将数字罗盘的输出值作为初始角。

光纤陀螺存在的漂移是影响系统卫星对准的主要因素,因此要采用一定的纠偏算法来纠正漂移,本文中利用K ALM AN 滤波的方法纠正漂移,方法可将光纤陀螺的运动方程和观测方程抽象为:

其中,x (k )为光纤陀螺的角速度,假设w (k )为

白噪声,即E W =0,E WS W f =δf s σ

2

W ,y (k )为x (k )的观测方程,即光纤陀螺的输出角速率,假设v (k )为白

噪声,即E vt =0,Ev s v f =δf s σ2

v ,并假设w 、

ν是独立的,则根据K ALM AN 滤波理论,采用简化的光纤陀螺漂移模型(将其看作角速度变化为等随机加速的)即可完成滤波。4.2软件实现方法

为了高效实现上述功能,该软件可分为几个模块。其软件框图如图4所示。其中敏感元件信号处理

(上接第6页)输出数据的FIFO大小为256字节;

(5)对每块程序空间进行二进制代码装载,具体过程如下:

●向0x08寄存器写0x04,发送开始命令;

●等待Read y中断,清除Read y中断;

●向Data in寄存器0x01写256个字节;

●等待End of Data中断,然后清除中断;

(6)查程序空间的代码是否装载完毕,如没有,回到(5)继续装载。

3.3SZ1510视频数据的获取

SZ1510内部有一个256字节的FIFO。一旦该FIFO满,即产生一个FIFO Read y中断,以通知主机读取FIFO中的数据,然后通过256次读Data out寄存器来完成数据传输。

4注意事项

SZ1510芯片的P LL PC B设计要求如下:

(1)应用设计EMI滤波装置以减少VDDA的电源噪声。

(2)LPF到SZ1510的整体电路管脚长度应当小于0.5英寸。

(3)设计PC B时,外部LPF应尽量接近封装脚。

(4)VDDA和VSSA端应接0.1μF的旁路电容以减少噪音。

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[5]P LX9030Data Sheet.

收稿日期:2003-06-24

咨询编号:040101

模块主要完成三路姿态信号的纠漂处理,并将结果存储在预设的DSP内存区域;模拟信号处理模块主要完成信标信号、AG C信号的限幅、线性处理并存储结果;姿态变化角产生模块主要对单脉冲信标接收机测得的角度误差、光纤陀螺输出的姿态信息以及AG C信号等多路信息进行融合计算,以产生出精确的角度偏移;驱动模块主要是将上位计算机传送来的角度偏移信息进行转换,以生成功率驱动信息并驱动电极,同时检测驱动机组的运转情况。

“丢星”时通常的解决方法是利用G PS定位组件测量出载体当前的经纬度,然后利用所跟踪卫星的已知经纬度及载体的加速度推算出当前天线应保持的角度,本文没有采用G PS定位组件,所以不能利用卫星和天线的相对经纬度推算定位,但可以利用存储在内存中的天线的初始姿态所构建的数学平台,结合丢星时姿态敏感元件输出的载体和天线的姿态角做融合运算,以解算出天线大致的指向,然后根据AG C的变化进一步地调整。

对于用户交互模块(手动选星),可由用户输入所选卫星的编号,然后利用存储在内存中的数据计算出所需的角度,并结合姿态敏感元件测量的姿态角,再经过数据的拟合运算计算出所需调整的俯仰角、方位角等信息,最后驱动天线指向目标卫星。5结束语

本文提出了一种利用DSP芯片和CP LD芯片组合实现移动卫星电视接收系统实时跟踪的方案。在实验平台上的仿真结果表明,这种方法已达到设计要求,证明该系统是可行的。由于本系统所采用的姿态敏感元件易受周围环境的影响,因此在实际安装实验中还应考虑铁磁干扰等问题,必要时应进行一定的铁磁补偿。

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收稿日期:2003-07-14

咨询编号:040102