基于XScale處理器的天線控制系統(tǒng)的設計

0 引言

　　隨著信息社會的到來，人類的生產(chǎn)方式、生活方式以及工作方式也隨著現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展而發(fā)生變化。無論在民用還是軍用方面，都需要一種可以在移動中實時、大容量、不間斷地傳遞語音、數(shù)據(jù)、動態(tài)圖像等多媒體信息的衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)。因此，機動性能強、抗干擾能力強、保密性強的衛(wèi)星通信系統(tǒng)理所當然地成為了當前移動通信研究領域的熱點與重點。

　　本文所介紹的基于XScale微處理器的“動中通”移動衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)，能夠在各種條件下保證天線高精度地對準目標衛(wèi)星，準確而快速實現(xiàn)平臺天線和衛(wèi)星之間的實時通信。由于采用了嵌入式控制系統(tǒng)進行開發(fā)，該衛(wèi)星移動天線控制系統(tǒng)體積小，性價比優(yōu)良，實時性好。

　　1 系統(tǒng)總體設計

　　1.1  總體方案

　　采用“開環(huán)穩(wěn)定+閉環(huán)跟蹤”的控制方案?？傮w思想如下：通過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(wèi)星，將慣性角速率陀螺儀作為電機伺服控制的反饋元件，敏感載體運動過程中天線平臺在方位和俯仰方向的變化，通過反饋補償保證載體運動過程中平臺的穩(wěn)定。同時，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，滿足衛(wèi)星通信對跟蹤精度的要求，在陀螺穩(wěn)定的基礎上還配以電平信號步進跟蹤以達到高精度穩(wěn)定跟蹤目標衛(wèi)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，但是天線俯仰軸相對于水平面的橫滾變化卻無法消除。該變化對螺旋天線、平板天線影響不大，但是會影響拋物面天線接收信號的強度。這時可以在兩軸穩(wěn)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(tǒng)組成

　　嵌入式系統(tǒng)設計是本文的重點內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)。它是一種專用于某個應用或者產(chǎn)品的基于計算機的系統(tǒng)，既可以是一個獨立的系統(tǒng)，也可以是更大系統(tǒng)的一部分[1]?？傮w而言，一個嵌入式系統(tǒng)有三個主要組成部分：支撐硬件、主應用軟件和實時操作系統(tǒng)（RTOS）。實時操作系統(tǒng)和主應用軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)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(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)能更有效的管理資源并支持多任務環(huán)境。為了移植Windows CE操作系統(tǒng)與開發(fā)相關的程序，我們選用基于Intel XScale PXA255處理器的高端嵌入式解決方案XSBASE255作為實驗平臺。

　　該開發(fā)板具有我們系統(tǒng)實驗所需的大部分硬件配置。同時，硬件設備廠商為客戶提供了Windows CE.NET下PXA255的BSP，所以在硬件擴展加以改動時，可以很方便的進行BSP開發(fā)，只需對現(xiàn)有的源代碼進行修改。

　　Intel XScale PXA255是32位RISC處理器，支持ARMv5TE指令集，采用7級超流水線，32KB指令緩存和32KB數(shù)據(jù)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(nèi)存。引導程序、Image等所有的軟件都是存儲在Flash中。同時，PXA255提供眾多的外設接口為開發(fā)提供了極大的擴展性和適應性。

　　2  系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　2.1  軟件支持

　　在嵌入式計算機應用中使用實時操作系統(tǒng)，可使控制系統(tǒng)的實時性得到保證，同時良好的多任務規(guī)劃設計及根據(jù)需求對軟件進行裁剪，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　Microsoft Windows CE是一個開放的、可裁剪的、32位的實時嵌入式窗口操作系統(tǒng)。可以工作在12種不同的處理器體系結(jié)構(gòu)、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(tǒng)和產(chǎn)品。擁有多線程、多任務、確定性的實時、完全搶占式優(yōu)先級的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向只有有限資源的硬件系統(tǒng)[2]。同時，它的模塊化設計方式使得系統(tǒng)開發(fā)人員和應用開發(fā)人員能夠為多種多樣的產(chǎn)品來定制它。

　　Windows CE內(nèi)核是Windows CE操作系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)運行時，Windows CE的內(nèi)核表現(xiàn)為NK.EXE進程。NK.EXE是所有基于Windows CE的系統(tǒng)中都存在的核心進程，它實現(xiàn)了Win32 API核心進程創(chuàng)建加載、線程調(diào)度、中斷處理和內(nèi)存管理等核心功能[3]。

　　當Windows CE加載一個應用程序時，它就產(chǎn)生了一個進程。多個進程使用戶可以同時工作于多個應用程序，而多個線程可以使一個應用程序同時完成多個任務。在任務調(diào)度過程，內(nèi)核維護一個當前操作系統(tǒng)所有線程的優(yōu)先級列表。每個進程可能包含多個線程，而每一個線程都是一個可執(zhí)行單元。調(diào)度系統(tǒng)控制這些執(zhí)行單元的執(zhí)行順序，并允許他們相互之間以可預測的方式交換數(shù)據(jù)[4]。當中斷發(fā)生時，調(diào)度系統(tǒng)重新排列所有線程的優(yōu)先級。

　　下面是一些與調(diào)度有關的主要函數(shù)介紹[5]：

　　1、MakeRunIfNeeded（HANDLE hth）函數(shù)：主要功能是在需要時調(diào)度線程；

　　2、MakeRun（PTHREAD pth）函數(shù)：如果當前沒有可運行的線程，或者指定的線程pth是優(yōu)先級最高的線程，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(diào)度策略；

　　3、RunqDequeue（PTHREAD pth,DWORD cprio）函數(shù)：從運行隊列中刪除一個線程；

　　4、SleepqDequeue（PTHREAD pth）函數(shù)：把一個線程從睡眠隊列中刪除；

　　5、ThreadSleep（DWORD time）函數(shù)：讓線程睡眠一段時間。

[!--empirenews.page--]　2.2  任務劃分

　　天線控制系統(tǒng)功能復雜、任務繁多，且各個任務之間需要進行信息交流，彼此聯(lián)系，互為因果。利用多任務機制對各個功能進行管理調(diào)度，保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性。

　　對本系統(tǒng)而言，任務劃分實際上就是對天線控制系統(tǒng)的工作流程做一個分解，使其每一動作都對應在一個任務中實現(xiàn)，由動作的執(zhí)行順序確定多任務中每一任務的優(yōu)先級。系統(tǒng)進入開機狀態(tài)后，通過選擇輸入衛(wèi)星參數(shù)（衛(wèi)星參數(shù)信息固化在程序中），系統(tǒng)開始初始化。通過串口提取GPS提供的有用信息，通過姿態(tài)解算計算出天線的初始對星角度，并在基準確定的基礎上進行角度修正，通過嵌入式控制系統(tǒng)驅(qū)動完成初始對星。在對星狀態(tài)完成之后，開始進行電平搜索，得到準確的天線指向并鎖定該位置，之后系統(tǒng)進入自動跟蹤狀態(tài)，同時陀螺進入閉環(huán)工作狀態(tài)。

2.3  Windows CE移植

　　引導加載程序（Boot Loader）是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。雖然在Boot Loader中并不嚴格規(guī)定如何獲得操作系統(tǒng)映像，但絕大多數(shù)Boot Loader都會從開發(fā)機下載映像到目標機，然后把映像放到內(nèi)存里執(zhí)行。在所有下載映像的Boot Loader中，通過以太網(wǎng)進行下載的Boot Loader占絕大多數(shù)，稱為Etherent Boot Loader，簡稱EBoot。在本系統(tǒng)中，EBoot主要有以下功能：

　　1、初始化目標硬件設備，包括初始化內(nèi)存、中斷控制器、時鐘和MMU等；

　　2、控制啟動過程，提供簡單的菜單與用戶交互，讓用戶選擇啟動過程；

　　3、下載并執(zhí)行操作系統(tǒng)映像。

　　總體而言，EBoot的唯一目標就是加載并執(zhí)行操作系統(tǒng)映像。因此，Boot Loader必須在OS被下載前就先安裝在目標機上，并與Platform Builder交互。

　　在ARM/ XScale系統(tǒng)中，我們使用JTAG將Boot Loader程序燒寫到Flash存儲器中，待系統(tǒng)加電或重置時自動執(zhí)行。

　　2.4  軟件開發(fā)與調(diào)試

　　基于Windows CE設備的開發(fā)過程是由不斷修改、增加配置特征、構(gòu)建、下載、調(diào)試等組成的一個遞歸開發(fā)過程。每當在Platform Builder中添加或修改一個特征時，都必須重新構(gòu)建操作系統(tǒng)映像，并將它下載到目標設備硬件上進行執(zhí)行和調(diào)試。一旦完成操作系統(tǒng)配置，我們就可以利用Platform Builder提供的導出SDK工具，為應用程序開發(fā)者導出一個定制的SDK，應用程序?qū)С龅?SDK安裝到eMbedded Visual C++ 4.0后，就可以為特定的硬件平臺開發(fā)應用程序，并在特定硬件上進行調(diào)試和測試了。

　　在天線控制系統(tǒng)工作原理的基礎上，采用多線程、分時共享技術，根據(jù)任務規(guī)劃流程建立多任務和用戶應用程序，具體劃分如下模塊：用戶界面線程、信號采集線程、數(shù)據(jù)處理線程、初始對準線程、動態(tài)跟蹤線程、狀態(tài)判斷線程、衛(wèi)星搜索線程、穩(wěn)定控制線程。相關算法集合在各個任務之中。

　　軟件移植主要包括Windows CE操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼定制、裁剪，實現(xiàn)其核心代碼在XScale處理器上的移植，針對系統(tǒng)實際需求對Windows CE進行操作系統(tǒng)本身的功能擴展，并移植到硬件平臺，實現(xiàn)天線的每一步具體動作。主要實現(xiàn)“陀螺閉環(huán)穩(wěn)定+程序跟蹤+步進跟蹤”控制跟蹤方案的算法實現(xiàn)與優(yōu)化，并把用C++語言實現(xiàn)的控制程序移植到XScale處理器上，最后基于Windows CE建立完整實用的RTOS對天線控制系統(tǒng)進行控制。

　　3  結(jié)束語

　　基于Intel XScale PXA255處理器作為硬件設計、移植Windows CE操作系統(tǒng)并在天線控制系統(tǒng)整體方案的基礎上，開發(fā)了天線控制系統(tǒng)的多任務軟件系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的模塊化設計，為日后的擴展、移植和維護工作提供了方便。同時表明，應用嵌入式實時操作系統(tǒng)Windows CE開發(fā)天線控制系統(tǒng)軟件能夠有效地降低軟件設計的復雜度，顯著提高軟件的可靠性和運行效率。該設計方案在實際中有很好的應用前景。