SOPC和ZigBee的三維移動(dòng)天線平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘要：利用ZigBee通信協(xié)議棧和可編程片上系統(tǒng)(System On a Programmable Chip，SOPC)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)三維移動(dòng)天線平臺(tái)的協(xié)調(diào)動(dòng)作與綜合控制。通過(guò)設(shè)計(jì)符合Avalon總線標(biāo)準(zhǔn)的自定義步進(jìn)電機(jī)控制模塊，減小了步進(jìn)電機(jī)控制的軟件開(kāi)銷。使用激光測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)三維移動(dòng)平臺(tái)的精確定位。構(gòu)建了基于ZigBee技術(shù)的分布式無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，增強(qiáng)了多任務(wù)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)具有集成度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、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(tǒng)；無(wú)線通信技術(shù)；自定義IP核；嵌入式操作系統(tǒng)；激光測(cè)距傳感器

引言
    高精度的三維移動(dòng)天線平臺(tái)在許多測(cè)試測(cè)量場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的高精度天線平臺(tái)大多為單一平臺(tái)，本文提出了一種多平臺(tái)組合控制、協(xié)調(diào)工作的解決辦法。

1 系統(tǒng)組成
    三維移動(dòng)天線平臺(tái)系統(tǒng)按照功能劃分，主要由測(cè)控系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。其中，測(cè)控系統(tǒng)由測(cè)控計(jì)算機(jī)、手持控制器組成；通信網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩個(gè)差動(dòng)轉(zhuǎn)速輪式移動(dòng)平臺(tái)搭載高精度天線桅桿構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝有兩個(gè)ELDS—C高精度激光測(cè)距傳感器(測(cè)距范圍0．05～30 m、精度±3 mm)及用于移動(dòng)平臺(tái)初始對(duì)準(zhǔn)的一字激光發(fā)射器和接收器。

2 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)定義
    為了確定運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方向與坐標(biāo)，定義天線移動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系，如圖2所示。以兩水平移動(dòng)控制電機(jī)同步正轉(zhuǎn)行進(jìn)方向?yàn)閥正方向，以從x軸方向向y軸方向旋轉(zhuǎn)為平臺(tái)旋轉(zhuǎn)正方向(對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)正轉(zhuǎn))，天線向上升高方向?yàn)閦正方向(對(duì)應(yīng)升降控制電機(jī)正轉(zhuǎn))。

2．2 運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)
    運(yùn)動(dòng)控制器在水平移動(dòng)控制電機(jī)、天線升降移動(dòng)控制電機(jī)、天線旋轉(zhuǎn)極化控制電機(jī)以及激光測(cè)距傳感器等部件的支持下完成天線位置與姿態(tài)的測(cè)量與控制。運(yùn)動(dòng)控制器分為主控板和接口板兩部分。
2．2．1 主控板
    運(yùn)動(dòng)控制器主控板由處理器單元(Nios II軟核)、存儲(chǔ)器、JTAG調(diào)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(shè)計(jì)，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、專用外部存儲(chǔ)器接口電路、4 Kb嵌入式存儲(chǔ)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(duì)測(cè)控對(duì)象的測(cè)控需求與電氣接口特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，它將主控板的通用電接口轉(zhuǎn)換為測(cè)控專用接口，包括水平運(yùn)動(dòng)控制接口電路、垂直升降運(yùn)動(dòng)控制接口電路、旋轉(zhuǎn)極化控制接口電路、初始對(duì)準(zhǔn)輔助設(shè)備接口電路、系統(tǒng)狀態(tài)燈驅(qū)動(dòng)電路等，其組成與連接關(guān)系如圖4所示。

    步進(jìn)電機(jī)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(shè)計(jì)了一個(gè)符合Avalon總線標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)控制IP核。該IP核可以像操作標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)一樣讀寫相應(yīng)寄存器，實(shí)現(xiàn)具體的控制。其寄存器映射如表1所列。其中，period寄存器值對(duì)應(yīng)電機(jī)運(yùn)行速度，number寄存器對(duì)應(yīng)電機(jī)運(yùn)行距離。

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

2．3 運(yùn)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)
    由于運(yùn)動(dòng)控制器需要完成本地按鍵任務(wù)、遠(yuǎn)程鍵盤任務(wù)、PC機(jī)任務(wù)，其中PC機(jī)任務(wù)又分為平臺(tái)水平初始對(duì)準(zhǔn)任務(wù)、天線垂直調(diào)零任務(wù)、天線極化調(diào)零任務(wù)、運(yùn)動(dòng)任務(wù)等，因此運(yùn)動(dòng)控制器軟件系統(tǒng)使用μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成任務(wù)的調(diào)度和處理。
    系統(tǒng)上電完成必要設(shè)備初始化之后，控制通信模塊上電，完成無(wú)線組網(wǎng)功能。操作系統(tǒng)創(chuàng)建本地按鍵任務(wù)、遠(yuǎn)程鍵盤任務(wù)和PC機(jī)任務(wù)。本地按鍵任務(wù)由外部中斷觸發(fā)Key_Sem信號(hào)量控制執(zhí)行。遠(yuǎn)程鍵盤任務(wù)和PC機(jī)任務(wù)由通信模塊控制執(zhí)行。按鍵命令格式：KEY：key_value：YEK(12字節(jié))，按鍵命令取值如表2所列。

    計(jì)算機(jī)命令取值如表3所列，計(jì)算機(jī)命令格式如下：
   

    系統(tǒng)命令可劃分為簡(jiǎn)單非定量命令(前進(jìn)、后退等)，復(fù)雜非定量命令(水平對(duì)準(zhǔn)、垂直調(diào)零等)和定量命令(水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng))3種。其中簡(jiǎn)單非定量命令在相應(yīng)任務(wù)中獲取解析后直接讀／寫步進(jìn)電機(jī)控制模塊寄存器完成控制。而接到復(fù)雜非定量命令后，根據(jù)命令取值建立不同的任務(wù)，在新建任務(wù)完成相應(yīng)操作后向命令發(fā)送方回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)，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(biāo)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(yīng)電機(jī)控制寄存器值(即包含速度、距離、方向控制信息)，相應(yīng)任務(wù)直接提取數(shù)據(jù)完成電機(jī)控制。坐標(biāo)值命令包含預(yù)定目標(biāo)x、y坐標(biāo)值，系統(tǒng)根據(jù)自身坐標(biāo)(當(dāng)前傳感器值)計(jì)算得出電機(jī)控制寄存器值完成動(dòng)作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

    系統(tǒng)子任務(wù)中，水平初始對(duì)準(zhǔn)任務(wù)和天線垂直調(diào)零任務(wù)最為重要。它不僅是移動(dòng)平臺(tái)位置初始化過(guò)程，更是系統(tǒng)建立空間坐標(biāo)系的基礎(chǔ)。因此，該任務(wù)實(shí)現(xiàn)的好壞，直接影響移動(dòng)平臺(tái)控制的可靠性。設(shè)計(jì)完善的應(yīng)答機(jī)制，合理地使用信號(hào)量、標(biāo)志組等，是任務(wù)設(shè)計(jì)合理可靠的關(guān)鍵。其簡(jiǎn)化流程圖如圖7所示。

3 無(wú)線通信設(shè)計(jì)
3．1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介
    ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無(wú)線通信技術(shù)。我國(guó)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(guó)工作在2．4 GHz頻段，采用較高階的QPSK調(diào)制技術(shù)，可以達(dá)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(tǒng)兼容性。網(wǎng)絡(luò)層方面，ZigBee聯(lián)盟規(guī)定可以采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)洹?br />     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)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    考慮到系統(tǒng)除測(cè)控計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)外，其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)均為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)范圍在30 m左右，而手持控制器使用5號(hào)電池供電，功耗敏感。因此，設(shè)計(jì)采用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。即測(cè)控計(jì)算機(jī)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，1號(hào)移動(dòng)天線平臺(tái)為路由器，2號(hào)移動(dòng)天線平臺(tái)和手持控制器為終端設(shè)備。手持控制器采用低頻喚醒機(jī)制以延長(zhǎng)電池使用壽命。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖8所示。

結(jié)語(yǔ)
    針對(duì)雙三維移動(dòng)天線平臺(tái)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(yàn)驗(yàn)證，移動(dòng)天線平臺(tái)行進(jìn)方向誤差5 mm。天線水平極化和垂直極化誤差0．2°。系統(tǒng)充分利用了SOPC技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完成了兩平臺(tái)的綜合控制和協(xié)調(diào)工作。證明了系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、高集成等特點(diǎn)。