精品文檔-下載后可編輯基于FPGA和AVR單片機(jī)的自動(dòng)調(diào)諧系的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用1前言

發(fā)射機(jī)是無線通信的重要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于廣播電視、移動(dòng)通信、海洋運(yùn)輸及國防等領(lǐng)域。自動(dòng)控制技術(shù)在無線通信發(fā)射領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用，發(fā)射設(shè)備的數(shù)字化逐漸趨于成熟。但是，大功率短波發(fā)射機(jī)比起中波、調(diào)頻、電視發(fā)射機(jī)來說，具有變換工作頻率頻繁，倒頻時(shí)間短；不能實(shí)現(xiàn)整機(jī)固態(tài)化，可靠性降低，故障率較高；工作頻段范圍寬，很難保證在全頻段內(nèi)任意頻率穩(wěn)定工作等特點(diǎn)；加之目前尚無接口標(biāo)準(zhǔn)對大功率短波發(fā)射臺(tái)微機(jī)實(shí)時(shí)控制進(jìn)行規(guī)范，給大功率短波發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化帶來困難。短波發(fā)射機(jī)的自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)正是在這種環(huán)境下產(chǎn)生的。

本設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)是基于FPGA和AVR單片機(jī)的，其調(diào)諧對象是功率為150kW，發(fā)射頻率范圍為3．926．1MHz的短波發(fā)射機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2FPGA簡介

FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgram一ableGateArray)的簡稱，是新一代的自動(dòng)調(diào)諧控制單元，它采用VHDL語言進(jìn)行現(xiàn)場編程，其特點(diǎn)是：I／O資源豐富，運(yùn)算速度快(ns級(jí))，集成度高，穩(wěn)定性好，包含的LUT和觸發(fā)器數(shù)量豐富等等。

鑒于這些特點(diǎn)，系統(tǒng)擬采用單片機(jī)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)組合的方式。FPGA主要完成人機(jī)界面、測定發(fā)射機(jī)工作頻率及調(diào)整元件位置的邏輯設(shè)計(jì)，單片機(jī)則完成上位機(jī)通信、元件位置數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)等任務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要完成系統(tǒng)邏輯部分設(shè)計(jì)。圖2所示為系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)中的各邏輯模塊設(shè)計(jì)主要用VHDL硬件描述語言完成。

3系統(tǒng)功能概述

3．1自動(dòng)調(diào)諧

發(fā)射機(jī)自動(dòng)調(diào)諧是指在調(diào)諧過程中根據(jù)當(dāng)前發(fā)射機(jī)的工作頻率，將各個(gè)調(diào)諧元件調(diào)到與該頻率相對應(yīng)位置的操作過程。短波發(fā)射機(jī)各用電單元的通斷，是通過配電箱中相應(yīng)接觸器的通斷來實(shí)現(xiàn)?？刂平佑|器通斷的信號(hào)是由調(diào)諧邏輯小盒產(chǎn)生。自動(dòng)調(diào)諧控制套箱是用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)射機(jī)的高頻回路元件在換頻時(shí)的機(jī)械定位進(jìn)行調(diào)諧控制。為了達(dá)到調(diào)諧的目的，自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)需要完成以下幾項(xiàng)工作：(1)為了實(shí)現(xiàn)工作人員對發(fā)射臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要將自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)與在線計(jì)算機(jī)相連；(2)系統(tǒng)需要設(shè)置各種參數(shù)，需要有簡易的人機(jī)界面，主要是鍵盤和LED顯示；(3)系統(tǒng)參數(shù)的存儲(chǔ)及調(diào)用；(4)發(fā)射機(jī)實(shí)際工作頻率的測定；(5)調(diào)諧元件位置信息的采集；(6)控制執(zhí)行電機(jī)調(diào)節(jié)元件位置。

3．2調(diào)諧原理

操作人員先通過控制面板創(chuàng)建各個(gè)工作頻道，每個(gè)工作頻道中保存有發(fā)射機(jī)的工作頻率及頻率所對應(yīng)的可調(diào)元件位置值。創(chuàng)建完工作頻道后，就可以進(jìn)入正常的調(diào)諧工作。選擇一個(gè)工作頻道，并按功能鍵，系統(tǒng)將向單片機(jī)發(fā)出中斷請求，F(xiàn)PGA從單片機(jī)的EEPROM中取出該頻道所對應(yīng)的頻率值及8個(gè)調(diào)諧元件位置信息，經(jīng)單片機(jī)采集的8路調(diào)諧元件實(shí)際位置信息也傳送給FPGA，用于與預(yù)置值相比較，差值用于控制電機(jī)。調(diào)諧系統(tǒng)還有一個(gè)自動(dòng)測頻模塊，該模塊用于測定發(fā)射機(jī)實(shí)際工作頻率，當(dāng)該數(shù)值與預(yù)定值相等時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)置元件位置值。

系統(tǒng)的主要有效參數(shù)有：工作頻道、工作頻率、被調(diào)元件的位置值。

全機(jī)共有8個(gè)被調(diào)元件：1路——高前級(jí)回路電容器，作為本級(jí)調(diào)諧(粗調(diào)、細(xì)調(diào))用；2路——高末級(jí)腔體短路板，僅作粗調(diào)：3路——高末級(jí)態(tài)調(diào)諧電容，作為粗調(diào)、細(xì)調(diào)用；4路——高末級(jí)調(diào)諧電容，作為粗調(diào)用；5路——高末級(jí)調(diào)載電容，作為粗調(diào)、細(xì)調(diào)用：6路——高末級(jí)調(diào)載線圈，作為粗調(diào)用；7路——作為備用；8路——高前級(jí)調(diào)諧電感，作為粗調(diào)用。

3．3調(diào)諧方式

本系統(tǒng)具有“手動(dòng)”、“半自動(dòng)”、“自動(dòng)’，3種調(diào)諧方式。系統(tǒng)正常工作過程中主要使用“自動(dòng)”調(diào)諧方式；能采用“預(yù)置”的前提是被調(diào)元件到位，系統(tǒng)的機(jī)械回差和電氣都在允許的范圍內(nèi)；“半自動(dòng)”方式是輔助方式，它能克服自動(dòng)方式中總有個(gè)別頻率不能調(diào)到狀態(tài)的缺點(diǎn)。

(1)手動(dòng)方式“手動(dòng)”方式是在操作面板上進(jìn)行人工調(diào)諧的工作方式，用于初調(diào)諧和創(chuàng)建頻道、工作頻率及相應(yīng)被調(diào)元件的位置值。全部被調(diào)元件的細(xì)調(diào)和初始粗調(diào)都用手動(dòng)控制完成的；“手動(dòng)”給定位值的獲得，可通過面板上的使能鍵和0-9數(shù)字鍵盤手動(dòng)進(jìn)行頻道初始化、工作頻率設(shè)置、8個(gè)可調(diào)元件的位置設(shè)置，每設(shè)置完一個(gè)頻道，可保存設(shè)置值。

設(shè)置一個(gè)頻道參數(shù)。一個(gè)頻道中的頻道值、工作頻率、元件位置值具有一一對應(yīng)關(guān)系，其中一個(gè)工作頻率對應(yīng)的8路元件值是給定值，如果存在偏差，可以進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)后再次保存。微調(diào)是人工目測，直至“鑒相器”的輸出值為零時(shí)，微調(diào)就告完成。通過微調(diào)以達(dá)到獲的數(shù)據(jù)的目的。

(2)自動(dòng)方式“自動(dòng)”和“半自動(dòng)”都是在“預(yù)置”的方式下完成的。預(yù)置是指根據(jù)需要將存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的有效參數(shù)(包括頻道、工作頻率、被調(diào)元件的實(shí)際位置)傳送至系統(tǒng)邏輯控制單元，用來重現(xiàn)曾經(jīng)調(diào)整正常的工作頻率。調(diào)諧裝置是根據(jù)激勵(lì)器的實(shí)際工作頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)諧工作的，自動(dòng)調(diào)整過程分為下面幾個(gè)步驟。①選定工作的頻道或工作頻率，為頻率預(yù)置；制器ATmega103。這個(gè)過程可稱4．2開發(fā)軟件②根據(jù)工作頻率預(yù)置8路元件位置值，頻率和電平；③將8路的預(yù)置位置分別與各自的實(shí)際位置進(jìn)行比較，計(jì)算出存在的比較誤差：④根據(jù)各自比較結(jié)果誤差的大小和極性來控制相應(yīng)的執(zhí)行電機(jī)的正／反轉(zhuǎn)，直至比較結(jié)果誤差等于零為止，電機(jī)不轉(zhuǎn)。

至此，系統(tǒng)調(diào)諧的粗調(diào)完成，這時(shí)整機(jī)無高頻輸出。，接通高頻，合上相應(yīng)高壓，令鑒相器工作，系統(tǒng)自動(dòng)地將發(fā)射機(jī)準(zhǔn)確地調(diào)諧在振點(diǎn)上，稱為細(xì)調(diào)。

自動(dòng)方式具有跟蹤工作頻率的能力，也稱為頻率跟蹤調(diào)諧。發(fā)射機(jī)共有8個(gè)可調(diào)元件，其中只有3個(gè)需要細(xì)調(diào)，分別為1路、3路和5路。

自動(dòng)調(diào)諧是按以下順序自動(dòng)完成調(diào)諧的全過程：粗調(diào)—前級(jí)細(xì)調(diào)一末級(jí)調(diào)諧—末級(jí)調(diào)載—激勵(lì)電平設(shè)置。

(3)半自動(dòng)方式“半自動(dòng)”方式是根據(jù)常用的工作頻道自動(dòng)進(jìn)行預(yù)置，用“手動(dòng)微調(diào)”手段進(jìn)行人工調(diào)諧的工作方式。主要是用于人工干預(yù)減緩調(diào)諧進(jìn)程和調(diào)試過程。半自動(dòng)調(diào)諧方式對各路可調(diào)元件而言。頻率預(yù)置是自動(dòng)進(jìn)行，而自動(dòng)調(diào)諧的5個(gè)步驟(粗調(diào)、前級(jí)細(xì)調(diào)、末級(jí)細(xì)調(diào)、末級(jí)調(diào)載、電平調(diào)整)是手動(dòng)干預(yù)分步進(jìn)行的。因此，頻率預(yù)置過程與自動(dòng)方式一樣。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1芯片選擇

本調(diào)諧系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的之一就是對偏遠(yuǎn)地區(qū)的廣播發(fā)射設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，因此調(diào)諧系統(tǒng)的開發(fā)成本是必須考慮的問題之一。另外，本調(diào)諧系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)大概需9萬邏輯門。而且FPGA芯片資源利用不宜過滿。據(jù)此，F(xiàn)PGA選用XILINX公司Spartan—II系列FPGA：XC2S100—5PQ208。

xc2s100—5PQ208提供的系統(tǒng)門數(shù)為1O萬門，具有208個(gè)引腳，速度等級(jí)為5。xC2S100的內(nèi)核采用2．5v供電，工作頻率可達(dá)200MHz。xC2S100具有豐富的I／O資源，I／O端口供電電壓為3．3V，可承受5V的輸入高電平，I／O口輸出緩沖器可以接收高達(dá)24mA的拉電流和48rnA的灌電流。

單片機(jī)采用ATMEL公司8位低功耗AVR微控制器ATmega103。

4．2開發(fā)軟件

使用XilinxFoudaTIonF3.1i軟件開發(fā)XC2S100—5PQ2O8芯片。設(shè)計(jì)流程為：首先用編寫VHDL語言程序、繪制原理圖或設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的方法生成表，功能仿真正確后，經(jīng)過邏輯綜合和布線、時(shí)序仿真，仿真通過后將編程。

4．3系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的特點(diǎn)之一，這樣可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)有利于協(xié)同設(shè)計(jì)。只需通過元件例化或原理圖連接將多個(gè)模塊聯(lián)系在一起，組成一個(gè)完整的邏輯系統(tǒng)。本調(diào)諧系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)由多個(gè)模塊組成，下面重點(diǎn)介紹通信模快、鍵盤掃描及顯示、測頻?？?、電機(jī)控制模塊。

4．3．1FPGA與單片機(jī)通信自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)是由單片機(jī)子系統(tǒng)及FPGA組成的，這就存在兩者之間的通信問題。單片機(jī)系統(tǒng)主要完成了可調(diào)元件的實(shí)際位置的數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)參數(shù)的存儲(chǔ)等，這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過FPGA的處理。

通信模塊要完成的數(shù)據(jù)傳輸有：頻道數(shù)、工作頻率及對應(yīng)的元件位置值，元件位置信息包括實(shí)際值和預(yù)置值，實(shí)際值有單片機(jī)系統(tǒng)采集得來，傳送至FPGA與預(yù)置值比較，產(chǎn)生控制信號(hào)。

通信模塊根據(jù)單片機(jī)的讀寫時(shí)序完成兩者之間的互相通信。ATmegal03訪問片外SRAM的時(shí)序見圖3。

仿真中的時(shí)序是按照單片機(jī)的時(shí)序，從仿真結(jié)果中看出FPGA與單片機(jī)能按預(yù)定時(shí)序交換數(shù)據(jù)。圖4所示為通信模塊中部分信號(hào)的功能仿真結(jié)果。

4．3．2鍵盤掃描及顯示

(1)鍵盤掃描在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I／O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，矩陣式鍵盤掃描及顯示都采用單片機(jī)來完成，這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)可以極方便的對矩陣式鍵盤進(jìn)行掃描控制。如果使用鍵盤顯示專用芯片，那將使控制變得更加簡單。但是，即使采用矩陣式鍵盤，掃描時(shí)仍然要占用大量的1／O資源，這對于I／O資源很有限的單片機(jī)來說，將會(huì)使編程變得很困難。對于本調(diào)諧系統(tǒng)來說，單片機(jī)需要完成于上位機(jī)的通信、元件數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多項(xiàng)工作，I／O資源已經(jīng)很緊張。因此，本系統(tǒng)用FPGA進(jìn)行鍵盤掃描及顯示。一方面可以充分利用FPGAI／O資源豐富的優(yōu)勢，另一方面FPGA的穩(wěn)定性也能保證輸入顯示工作的準(zhǔn)確無誤。

(2)數(shù)碼管顯示本模塊中的顯示采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。顯示位碼與寄存器acc中的數(shù)具有一一對應(yīng)關(guān)系，對應(yīng)關(guān)系由狀態(tài)掃描信號(hào)k來連接。信號(hào)k有5個(gè)狀態(tài)，對應(yīng)5位顯示位碼。顯示部分的是7段譯碼，本系統(tǒng)只需顯示數(shù)據(jù)，因此只對1O個(gè)數(shù)字進(jìn)行譯碼。

4．3．3測頻模塊為了保證測試的精度，一般對低頻信號(hào)采用測周期法，對高頻信號(hào)采用測頻法。本調(diào)諧系統(tǒng)所需測量的頻率范圍是：3．9MHz一26．1MHz，適合用測頻法，而且誤差不大。

根據(jù)系統(tǒng)的要求，測頻計(jì)需要對單位時(shí)間內(nèi)的信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而測量出信號(hào)的頻率。首先要產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)允許信號(hào)，即時(shí)基信號(hào)，時(shí)基信號(hào)的寬度為單位時(shí)間，例如1s或lOOms。在時(shí)基信號(hào)有效的時(shí)間內(nèi)對被測信號(hào)計(jì)數(shù)，即為信號(hào)頻率。測量過程結(jié)束，需要鎖存計(jì)數(shù)值或留出一段時(shí)間顯示測量值，下測量前，應(yīng)該對計(jì)數(shù)器清零。如圖5所示：

測頻計(jì)由控制器、分頻器、計(jì)數(shù)器、鎖存器4部分組成?？刂破靼l(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，完成計(jì)數(shù)值的鎖存和計(jì)數(shù)器的清零。分頻器將標(biāo)頻信號(hào)分成一系列較低頻率信號(hào)，其中一個(gè)作為測量的時(shí)基信號(hào)，該系統(tǒng)的分頻器由專門的分頻模塊完成。計(jì)數(shù)器的作用是對一個(gè)時(shí)基信號(hào)中的被測信號(hào)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果即為被測頻率對所選用時(shí)基的相對值。鎖存器用來鎖存計(jì)數(shù)結(jié)果，以便其它模塊調(diào)用。

為了便于處理，系統(tǒng)采用頻率為1Hz的信號(hào)作為時(shí)基信號(hào)。圖6為測頻計(jì)工作時(shí)的時(shí)序。其中testf為被測信號(hào)，clock_ls為時(shí)基信號(hào)，enable為計(jì)數(shù)使能信號(hào)，為高時(shí)有效，lock為鎖存信號(hào)，脈沖上升沿工作，clear為清零信號(hào)，為低時(shí)清零。

計(jì)數(shù)使能信號(hào)enable是時(shí)基信號(hào)的二分頻信號(hào)，在enable為高的半個(gè)周期里，剛好可以計(jì)完一個(gè)時(shí)基信號(hào)周期。lock信號(hào)是enable信號(hào)的取反，在上升沿將恰好計(jì)完的計(jì)數(shù)值鎖存。Clear信號(hào)是在clock_ls信號(hào)和enable信號(hào)同時(shí)為低時(shí)置低，其它情況都為高。

通過功能仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被測信號(hào)換頻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小于被測頻率的計(jì)數(shù)值，2個(gè)周期后計(jì)數(shù)值正常顯示，這與實(shí)際情況完全相同。這是因?yàn)樵趽Q頻時(shí)，計(jì)數(shù)使能信號(hào)已經(jīng)有效，這就會(huì)少計(jì)數(shù)一段時(shí)間，導(dǎo)致計(jì)數(shù)值小于實(shí)際值。當(dāng)正常計(jì)數(shù)后，計(jì)數(shù)值會(huì)因?yàn)樾?shù)問題有微小的波動(dòng)，但很快趨于正常。見圖7

4．3．4電機(jī)控制通過單片機(jī)采集的調(diào)諧元件實(shí)際位置，與EEPROM中保存的此調(diào)諧元件的工作位置(理論值)相比較。如果不等，按其差值的大小和極性來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，直至二者的差值為零，即可達(dá)到調(diào)諧的目的。此模塊就是理論值和實(shí)際值相比較，輸出值用于控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的快慢。當(dāng)位置預(yù)置值大于實(shí)際位置值，控制電機(jī)正／反轉(zhuǎn)單元將發(fā)出指令控制電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)位置預(yù)置值小于實(shí)際位置值，控制電機(jī)正／反轉(zhuǎn)單元控制電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)位置預(yù)置值等于實(shí)際位置值，執(zhí)行電機(jī)不轉(zhuǎn)；該模塊還可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，理論值和實(shí)際值8位不等時(shí)，這表明兩者差值較大，控制電機(jī)以快速度轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)8位相等而次高4位(D4一D7)不等時(shí)，控制電機(jī)以次快速度轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)高l2位相等而D2一D3不等時(shí)，控制電機(jī)以較慢速度轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)2位(DO—D1)不等時(shí)，控制電機(jī)以慢速度轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)可以使每次換頻時(shí)的調(diào)諧時(shí)間基本一致，而且保證了自動(dòng)調(diào)諧的精度。

該模塊也是用VHDL語言描述實(shí)現(xiàn)，語