本發(fā)明涉及一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板及天線跟蹤方法，屬于動中通天線的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微波通信系統(tǒng)的通信容量大，抗干擾能力強(qiáng)，但它是一種視距通信手段，受地形和環(huán)境因素影響明顯，雖然通過多次中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以實現(xiàn)通信，但組網(wǎng)效率和傳輸效率均大大折扣。因此，利用空中平臺進(jìn)行中繼通信，是一種非常有前景的通信方式?？罩衅脚_可以是系留氣球、飛艇、直升機(jī)、無人機(jī)等。

為了實時保持與空中平臺的對準(zhǔn)通信，設(shè)計滿足需求的車載動中通天線系統(tǒng)已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。車載動中通天線系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多學(xué)科的技術(shù)密集綜合體，包含慣性導(dǎo)航技術(shù)、微慣性傳感器應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及信號處理技術(shù)、精密機(jī)械、運(yùn)動控制技術(shù)、閉環(huán)伺服控制技術(shù)等多項技術(shù)，是多個學(xué)科有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物?；谲囕d動中通天線的微波通信系統(tǒng)，適用于公安消防、搶險救災(zāi)、野外作業(yè)等多種場合。

由于車載動中通天線系統(tǒng)復(fù)雜，為了保持天線方向角始終對準(zhǔn)空中節(jié)點(diǎn)，要涉及到陀螺傳感器信息、傾角儀傳感器信息、電子羅盤信息、信標(biāo)信號信息、地址位置信息、步進(jìn)電機(jī)控制信息及設(shè)備內(nèi)部通信信息等各種數(shù)據(jù)的收集、處理、控制、交互等，所以如何設(shè)計一種通用、高效、成本低、可移植的車載動中通天線核心控制板及跟蹤方法，成為技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板。

本發(fā)明還提供一種上述核心控制板的跟蹤方法。本發(fā)明結(jié)合高效的跟蹤策略，有效地發(fā)揮了FPGA芯片在I/O資源、時鐘資源、DSP資源、邏輯資源等方 面的優(yōu)勢和特點(diǎn)，并借助其可編程、并行處理的優(yōu)點(diǎn)，擠掉MCU成為控制板的核心部件，減少了電路復(fù)雜性和成本，提高了平臺的通用性和可移植性。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板，包括分別與FPGA芯片相連的DC/DC電源變換模塊、陀螺傳感器接口模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、電子羅盤接口模塊、GPS/北斗模塊、傾角儀接口模塊、信標(biāo)接口模塊、室內(nèi)通信接口模塊、SRAM存儲模塊和時鐘晶振模塊。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述FPGA芯片的型號為GW2A-55。本發(fā)明采用的GW2A-55產(chǎn)品具有豐富的I/O資源、邏輯資源、靜態(tài)隨機(jī)存儲器(B-SRAM)資源、分布式靜態(tài)隨機(jī)存儲器(S-SRAM)、鎖相環(huán)(PLL)資源、數(shù)字信號處理模塊(DSP)資源和多種I/O電平標(biāo)準(zhǔn)資源。主要完成各種傳感器數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)計算、天線伺服控制、信標(biāo)捕獲和跟蹤，同時通過以太網(wǎng)接口完成與室內(nèi)設(shè)備的信息交互。

所述DC/DC電源變換模塊完成所述核心控制板上所需電源的轉(zhuǎn)換，包括1.0V、3.3V。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，陀螺傳感器接口模塊包括方位陀螺接口芯片、俯仰陀螺接口芯片、橫滾陀螺接口芯片；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述方位陀螺接口芯片、俯仰陀螺接口芯片和橫滾陀螺接口芯片的型號均為TXB0108。所述陀螺傳感器接口模塊，完成陀螺傳感與FPGA芯片的電路連接，實現(xiàn)接口電平轉(zhuǎn)換、驅(qū)動和保護(hù)作用。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊包括方位電機(jī)驅(qū)動芯片、俯仰電機(jī)驅(qū)動芯片、橫滾電機(jī)驅(qū)動芯片；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述方位電機(jī)驅(qū)動芯片、俯仰電機(jī)驅(qū)動芯片、橫滾電機(jī)驅(qū)動芯片的型號均為THB6064AH。本發(fā)明選取高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，保證了天線對準(zhǔn)方向的準(zhǔn)確性。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和FPGA芯片之間設(shè)置有光耦隔離電路。本發(fā)明為保證步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊可靠工作，在其與FPGA芯片的控制信號間增加光耦隔離電路。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述電子羅盤接口模塊通過RS232接口實現(xiàn)接口電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步優(yōu)選的，所述電子羅盤接口模塊的型號為MAX3232。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述GPS/北斗模塊的型號為GA833-3。本發(fā)明所述 GPS/北斗模塊實現(xiàn)地理信息實時測量計算，包括車體當(dāng)前經(jīng)度、緯度和高度信息等，送到FPGA芯片內(nèi)實時處理，為快速捕捉目標(biāo)節(jié)點(diǎn)提供了依據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述傾角儀接口模塊通過RS232接口芯片實現(xiàn)接口電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步優(yōu)選的，所訴傾角儀接口模塊的型號為MAX3232。該模塊完成橫滾傾角儀、俯仰傾角儀與FPGA芯片的電路連接。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述信標(biāo)接口模塊的型號為TXB0108。所述所述信標(biāo)接口模塊完成信標(biāo)模塊與FPGA芯片的電路連接，實現(xiàn)接口電平轉(zhuǎn)換、驅(qū)動和保護(hù)作用。通過收集的信標(biāo)信號信息，通過FPGA芯片計算出的方位角可實現(xiàn)天線實時閉環(huán)跟蹤。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，室內(nèi)通信接口模塊的型號為88E3018。此處設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于，選取通用的以太網(wǎng)接口，很方便實現(xiàn)與室內(nèi)管理單元間的對接，實現(xiàn)實時工作參數(shù)和狀態(tài)信息的交互。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述SRAM存儲模塊的型號為IS61WV51216BLL-10TLI。本發(fā)明中，可以選擇滿足使用條件的內(nèi)存，如，16Mb，滿足FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時的存儲需求，大大提高FPGA芯片對各種數(shù)據(jù)處理的吞吐量。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述時鐘晶振模塊為100MHz頻率的時鐘晶振。為FPGA芯片內(nèi)部處理提供可靠穩(wěn)定的時鐘。

一種上述核心控制板的跟蹤方法，包括：

1)天線姿態(tài)初始化；

2)采集天線環(huán)境背景噪聲；

3)捕獲信標(biāo)信號；

4)通過實時采集天線在固定偏移角和方向上的信標(biāo)信號來計算最強(qiáng)信標(biāo)信號所對應(yīng)的方向；

5)按照最強(qiáng)信標(biāo)信號所對應(yīng)偏移角度和方向，實時調(diào)整天線角度，實現(xiàn)實時跟蹤。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟2)中，所述采集天線環(huán)境背景噪聲包括采集天線所處空間的信號噪聲并取平均值予以保存。此處設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于，F(xiàn)PGA芯片驅(qū)動天線360度全空域掃描，便于實時獲取天線所處空間的背景噪聲，用以精確識別空間內(nèi)的信標(biāo)信號，排除空間其它電信號干擾。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟3)中，捕獲信標(biāo)信號的方法包括：

當(dāng)GPS/北斗信號可用時，按照捕獲到的位置信息，計算出信標(biāo)信號方位角，控制天線對準(zhǔn)，然后進(jìn)入實時跟蹤狀態(tài)；

當(dāng)GPS/北斗信號不可用時，則通過不斷進(jìn)行空間信標(biāo)信號強(qiáng)度采樣，分析比較找出信標(biāo)信號最大值所在方位，調(diào)整天線角度實現(xiàn)實時跟蹤。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟4)中，實時跟蹤采集信標(biāo)信號的方法包括：

通過FPGA芯片控制天線通道開關(guān)，有規(guī)律地在上、下、左、右四個方向偏移0.5°～3°角上進(jìn)行切換控制，同時分別采集對應(yīng)上述偏移角度和方向時的信標(biāo)信號強(qiáng)度；

計算出最強(qiáng)信標(biāo)信號所對應(yīng)偏移方向和偏移角度，實時調(diào)整天線角度，實現(xiàn)實時跟蹤。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟1)中，天線姿態(tài)初始化，包括對天線的俯仰水平調(diào)平、橫滾水平調(diào)平、陀螺零點(diǎn)初步校正。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述步驟5)中：

當(dāng)天線所捕獲的信標(biāo)信號丟失時，首先保持當(dāng)前的天線姿態(tài)固定時間，

若在該固定時間內(nèi)所述天線重新捕獲信標(biāo)信號時，按步驟4)實現(xiàn)天線恢復(fù)跟蹤；

若在該固定時間內(nèi)所述天線未捕獲信標(biāo)信號時，按步驟3)、4)實現(xiàn)天線捕獲信標(biāo)信號、實時跟蹤。對于劇烈外部因素作用或環(huán)境遮擋導(dǎo)致信標(biāo)信號丟失的情況，本發(fā)明引入等待固定時間的步驟，避免重新進(jìn)行捕獲信標(biāo)信號操作，直接進(jìn)行實時跟蹤，提高了天線的跟蹤效率。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

本發(fā)明針對國產(chǎn)FPGA芯片進(jìn)行全方位設(shè)計為核心控制板實現(xiàn)對天線根據(jù)信標(biāo)信號進(jìn)行實時跟蹤，發(fā)揮了FPGA芯片在I/O資源、時鐘資源、DSP資源、邏輯資源等方面的優(yōu)勢和特點(diǎn)，并借助其可編程、并行處理的優(yōu)點(diǎn)，減少了電路板設(shè)計復(fù)雜性和成本，提高了平臺的通用性和可移植性。

本發(fā)明還采用高云半導(dǎo)體的GW2A-55芯片，通過GW2A-55芯片強(qiáng)大的硬件資源和數(shù)據(jù)處理能力實現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)、信標(biāo)數(shù)據(jù)、地理位置數(shù)據(jù)的收集、處理，通過步進(jìn)電機(jī)實時控制天線對準(zhǔn)方向，結(jié)合高效的跟蹤策略，實現(xiàn)快速移動環(huán)境下可靠穩(wěn)定的微波通信。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述控制板的電路連接示意圖；1、FPGA芯片；2、陀螺傳感器接口模塊；3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊；4、DC/DC電源變換模塊；5、傾角儀接口模塊；6、信標(biāo)接口模塊；7、GPS/北斗模塊；8、電子羅盤接口模塊；9、室內(nèi)通信接口模塊；10、時鐘晶振模塊；11、SRAM存儲模塊；12、光耦隔離電路。

圖2是本發(fā)明所述控制板控制天線實現(xiàn)實時跟蹤方法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明做詳細(xì)的說明，但不限于此。

實施例1、

一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板，包括分別與FPGA芯片1相連的DC/DC電源變換模塊4、陀螺傳感器接口模塊2、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊3、電子羅盤接口模塊8、GPS/北斗模塊7、傾角儀接口模塊5、信標(biāo)接口模塊6、室內(nèi)通信接口模塊9、SRAM存儲模塊11和時鐘晶振模塊10。

所述FPGA芯片1的型號為GW2A-55。

實施例2、

如實施例1所述的一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板，其區(qū)別在于，陀螺傳感器接口模塊包括方位陀螺接口芯片、俯仰陀螺接口芯片、橫滾陀螺接口芯片；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述方位陀螺接口芯片、俯仰陀螺接口芯片和橫滾陀螺接口芯片的型號均為TXB0108。

所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊3包括方位電機(jī)驅(qū)動芯片、俯仰電機(jī)驅(qū)動芯片、橫滾電機(jī)驅(qū)動芯片；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述方位電機(jī)驅(qū)動芯片、俯仰電機(jī)驅(qū)動芯片、橫滾電機(jī)驅(qū)動芯片的型號均為THB6064AH。

實施例3、

如實施例2所述的一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板，其區(qū)別在于，在所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊3和FPGA芯片1之間設(shè)置有光耦隔離電路12。

實施例4、

如實施例1所述的一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板，其區(qū)別在于，所述電子羅盤接口模塊通過RS232接口實現(xiàn)接口電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步優(yōu)選的，所述電子羅盤接口模塊的型號為MAX3232。

所述GPS/北斗模塊的型號為GA833-3。

實施例5、

如實施例1所述的一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板，其區(qū)別在于，所述傾角儀接口模塊通過RS232接口芯片實現(xiàn)接口電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步優(yōu)選的，所訴傾角儀接口模塊的型號為MAX3232。

所述信標(biāo)接口模塊的型號為TXB0108。

室內(nèi)通信接口模塊的型號為88E3018。

實施例6、

如實施例1所述的一種基于國產(chǎn)FPGA的動中通天線核心控制板，其區(qū)別在于，所述SRAM存儲模塊的型號為IS61WV51216BLL-10TLI。

所述時鐘晶振模塊為100MHz頻率的時鐘晶振。

實施例7、

一種如實施例1-6所述核心控制板的跟蹤方法，包括：

1)天線姿態(tài)初始化；

2)采集天線環(huán)境背景噪聲；

3)捕獲信標(biāo)信號；

4)通過實時采集天線在固定偏移角和方向上的信標(biāo)信號來計算最強(qiáng)信標(biāo)信號所對應(yīng)的方向；

5)按照最強(qiáng)信標(biāo)信號所對應(yīng)偏移角度和方向，實時調(diào)整天線角度，實現(xiàn)實時跟蹤。

實施例8、

如實施例7所述核心控制板的跟蹤方法，其區(qū)別在于，所述步驟2)中，所述采集天線環(huán)境背景噪聲包括采集天線所處空間的信號噪聲并取平均值予以保存。

實施例9、

如實施例7所述核心控制板的跟蹤方法，其區(qū)別在于，所述步驟3)中，捕獲信標(biāo)信號的方法包括：

當(dāng)GPS/北斗信號可用時，按照捕獲到的位置信息，計算出信標(biāo)信號方位角，控制天線對準(zhǔn)，然后進(jìn)入實時跟蹤狀態(tài)；

當(dāng)GPS/北斗信號不可用時，則通過不斷進(jìn)行空間信標(biāo)信號強(qiáng)度采樣，分析比較找出信標(biāo)信號最大值所在方位，調(diào)整天線角度實現(xiàn)實時跟蹤。

實施例10、

如實施例7所述核心控制板的跟蹤方法，其區(qū)別在于，實時跟蹤采集信標(biāo)信號的方法包括：

通過FPGA芯片控制天線通道開關(guān)，有規(guī)律地在上、下、左、右四個方向偏移2°角上進(jìn)行切換控制，同時分別采集對應(yīng)上述偏移角度和方向時的信標(biāo)信號強(qiáng)度；

計算出最強(qiáng)信標(biāo)信號所對應(yīng)偏移方向和偏移角度，實時調(diào)整天線角度，實現(xiàn)實時跟蹤。

上述，有規(guī)律地在上、下、左、右四個方向偏移0.5°角上進(jìn)行切換控制；或有規(guī)律地在上、下、左、右四個方向偏移3°角上進(jìn)行切換控制。

實施例11、

如實施例7所述核心控制板的跟蹤方法，其區(qū)別在于，所述步驟1)中，天線姿態(tài)初始化，包括對天線的俯仰水平調(diào)平、橫滾水平調(diào)平、陀螺零點(diǎn)初步校正。

實施例12、

如實施例7所述核心控制板的跟蹤方法，其區(qū)別在于，在所述步驟5)中：

當(dāng)天線所捕獲的信標(biāo)信號丟失時，首先保持當(dāng)前的天線姿態(tài)固定時間，

若在該固定時間內(nèi)所述天線重新捕獲信標(biāo)信號時，按步驟4)實現(xiàn)天線恢復(fù)跟蹤；

若在該固定時間內(nèi)所述天線未捕獲信標(biāo)信號時，按步驟3)、4)實現(xiàn)天線捕獲信標(biāo)信號、實時跟蹤。