一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板及天线跟踪方法技术

一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，包括分别与FPGA芯片相连的DC/DC电源变换模块、陀螺传感器接口模块、步进电机驱动模块、电子罗盘接口模块、GPS/北斗模块、倾角仪接口模块、信标接口模块、室内通信接口模块、SRAM存储模块和时钟晶振模块。本发明专利技术针对国产FPGA芯片进行全方位设计为核心控制板实现对天线根据信标信号进行实时跟踪，发挥了FPGA芯片在I/O资源、时钟资源、DSP资源、逻辑资源等方面的优势和特点，并借助其可编程、并行处理的优点，减少了电路板设计复杂性和成本，提高了平台的通用性和可移植性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板及天线跟踪方法，属于动中通天线的

技术介绍
微波通信系统的通信容量大，抗干扰能力强，但它是一种视距通信手段，受地形和环境因素影响明显，虽然通过多次中继转发可以实现通信，但组网效率和传输效率均大大折扣。因此，利用空中平台进行中继通信，是一种非常有前景的通信方式。空中平台可以是系留气球、飞艇、直升机、无人机等。为了实时保持与空中平台的对准通信，设计满足需求的车载动中通天线系统已经成为新的研究热点。车载动中通天线系统是一个复杂的多学科的技术密集综合体，包含惯性导航技术、微惯性传感器应用技术、数据采集及信号处理技术、精密机械、运动控制技术、闭环伺服控制技术等多项技术，是多个学科有机结合的产物。基于车载动中通天线的微波通信系统，适用于公安消防、抢险救灾、野外作业等多种场合。由于车载动中通天线系统复杂，为了保持天线方向角始终对准空中节点，要涉及到陀螺传感器信息、倾角仪传感器信息、电子罗盘信息、信标信号信息、地址位置信息、步进电机控制信息及设备内部通信信息等各种数据的收集、处理、控制、交互等，所以如何设计一种通用、高效、成本低、可移植的车载动中通天线核心控制板及跟踪方法，成为技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板。本专利技术还提供一种上述核心控制板的跟踪方法。本专利技术结合高效的跟踪策略，有效地发挥了FPGA芯片在I/O资源、时钟资源、DSP资源、逻辑资源等方 面的优势和特点，并借助其可编程、并行处理的优点，挤掉MCU成为控制板的核心部件，减少了电路复杂性和成本，提高了平台的通用性和可移植性。本专利技术的技术方案如下：一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，包括分别与FPGA芯片相连的DC/DC电源变换模块、陀螺传感器接口模块、步进电机驱动模块、电子罗盘接口模块、GPS/北斗模块、倾角仪接口模块、信标接口模块、室内通信接口模块、SRAM存储模块和时钟晶振模块。根据本专利技术优选的，所述FPGA芯片的型号为GW2A-55。本专利技术采用的GW2A-55产品具有丰富的I/O资源、逻辑资源、静态随机存储器(B-SRAM)资源、分布式静态随机存储器(S-SRAM)、锁相环(PLL)资源、数字信号处理模块(DSP)资源和多种I/O电平标准资源。主要完成各种传感器数据采集、姿态计算、天线伺服控制、信标捕获和跟踪，同时通过以太网接口完成与室内设备的信息交互。所述DC/DC电源变换模块完成所述核心控制板上所需电源的转换，包括1.0V、3.3V。根据本专利技术优选的，陀螺传感器接口模块包括方位陀螺接口芯片、俯仰陀螺接口芯片、横滚陀螺接口芯片；进一步优选的，所述方位陀螺接口芯片、俯仰陀螺接口芯片和横滚陀螺接口芯片的型号均为TXB0108。所述陀螺传感器接口模块，完成陀螺传感与FPGA芯片的电路连接，实现接口电平转换、驱动和保护作用。根据本专利技术优选的，所述步进电机驱动模块包括方位电机驱动芯片、俯仰电机驱动芯片、横滚电机驱动芯片；进一步优选的，所述方位电机驱动芯片、俯仰电机驱动芯片、横滚电机驱动芯片的型号均为THB6064AH。本专利技术选取高精度步进电机驱动芯片，保证了天线对准方向的准确性。根据本专利技术优选的，在所述步进电机驱动模块和FPGA芯片之间设置有光耦隔离电路。本专利技术为保证步进电机驱动模块可靠工作，在其与FPGA芯片的控制信号间增加光耦隔离电路。根据本专利技术优选的，所述电子罗盘接口模块通过RS232接口实现接口电平转换，进一步优选的，所述电子罗盘接口模块的型号为MAX3232。根据本专利技术优选的，所述GPS/北斗模块的型号为GA833-3。本专利技术所述 GPS/北斗模块实现地理信息实时测量计算，包括车体当前经度、纬度和高度信息等，送到FPGA芯片内实时处理，为快速捕捉目标节点提供了依据。根据本专利技术优选的，所述倾角仪接口模块通过RS232接口芯片实现接口电平转换，进一步优选的，所诉倾角仪接口模块的型号为MAX3232。该模块完成横滚倾角仪、俯仰倾角仪与FPGA芯片的电路连接。根据本专利技术优选的，所述信标接口模块的型号为TXB0108。所述所述信标接口模块完成信标模块与FPGA芯片的电路连接，实现接口电平转换、驱动和保护作用。通过收集的信标信号信息，通过FPGA芯片计算出的方位角可实现天线实时闭环跟踪。根据本专利技术优选的，室内通信接口模块的型号为88E3018。此处设计的优点在于，选取通用的以太网接口，很方便实现与室内管理单元间的对接，实现实时工作参数和状态信息的交互。根据本专利技术优选的，所述SRAM存储模块的型号为IS61WV51216BLL-10TLI。本专利技术中，可以选择满足使用条件的内存，如，16Mb，满足FPGA芯片进行数据处理时的存储需求，大大提高FPGA芯片对各种数据处理的吞吐量。根据本专利技术优选的，所述时钟晶振模块为100MHz频率的时钟晶振。为FPGA芯片内部处理提供可靠稳定的时钟。一种上述核心控制板的跟踪方法，包括：1)天线姿态初始化；2)采集天线环境背景噪声；3)捕获信标信号；4)通过实时采集天线在固定偏移角和方向上的信标信号来计算最强信标信号所对应的方向；5)按照最强信标信号所对应偏移角度和方向，实时调整天线角度，实现实时跟踪。根据本专利技术优选的，所述步骤2)中，所述采集天线环境背景噪声包括采集天线所处空间的信号噪声并取平均值予以保存。此处设计的优点在于，FPGA芯片驱动天线360度全空域扫描，便于实时获取天线所处空间的背景噪声，用以精确识别空间内的信标信号，排除空间其它电信号干扰。根据本专利技术优选的，所述步骤3)中，捕获信标信号的方法包括：当GPS/北斗信号可用时，按照捕获到的位置信息，计算出信标信号方位角，控制天线对准，然后进入实时跟踪状态；当GPS/北斗信号不可用时，则通过不断进行空间信标信号强度采样，分析比较找出信标信号最大值所在方位，调整天线角度实现实时跟踪。根据本专利技术优选的，所述步骤4)中，实时跟踪采集信标信号的方法包括：通过FPGA芯片控制天线通道开关，有规律地在上、下、左、右四个方向偏移0.5°～3°角上进行切换控制，同时分别采集对应上述偏移角度和方向时的信标信号强度；计算出最强信标信号所对应偏移方向和偏移角度，实时调整天线角度，实现实时跟踪。根据本专利技术优选的，所述步骤1)中，天线姿态初始化，包括对天线的俯仰水平调平、横滚水平调平、陀螺零点初步校正。根据本专利技术优选的，在所述步骤5)中：当天线所捕获的信标信号丢失时，首先保持当前的天线姿态固定时间，若在该固定时间内所述天线重新捕获信标信号时，按步骤4)实现天线恢复跟踪；若在该固定时间内所述天线未捕获信标信号时，按步骤3)、4)实现天线捕获信标信号、实时跟踪。对于剧烈外部因素作用或环境遮挡导致信标信号丢失的情况，本专利技术引入等待固定时间的步骤，避免重新进行捕获信标信号操作，直接进行实时跟踪，提高了天线的跟踪效率。本专利技术的优势在于：本专利技术针对国产FPGA芯片进行全方位设计为核心控制板实现对天线根据信标信号进行实时跟踪，发挥了FPGA芯片在I/O资源、时钟资源、DSP资源、逻辑资源等方面的优势和特点，并借助其可编程、并行处理的优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其特征在于，所述控制板包括分别与FPGA芯片相连的DC/DC电源变换模块、陀螺传感器接口模块、步进电机驱动模块、电子罗盘接口模块、GPS/北斗模块、倾角仪接口模块、信标接口模块、室内通信接口模块、SRAM存储模块和时钟晶振模块。

【技术特征摘要】
1.一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其特征在于，所述控制板包括分别与FPGA芯片相连的DC/DC电源变换模块、陀螺传感器接口模块、步进电机驱动模块、电子罗盘接口模块、GPS/北斗模块、倾角仪接口模块、信标接口模块、室内通信接口模块、SRAM存储模块和时钟晶振模块。2.根据权利要求1所述的一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其特征在于，所述FPGA芯片的型号为GW2A-55；优选的，陀螺传感器接口模块包括方位陀螺接口芯片、俯仰陀螺接口芯片、横滚陀螺接口芯片；进一步优选的，所述方位陀螺接口芯片、俯仰陀螺接口芯片和横滚陀螺接口芯片的型号均为TXB0108；优选的，所述步进电机驱动模块包括方位电机驱动芯片、俯仰电机驱动芯片、横滚电机驱动芯片；进一步优选的，所述方位电机驱动芯片、俯仰电机驱动芯片、横滚电机驱动芯片的型号均为THB6064AH。3.根据权利要求2所述的一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其特征在于，在所述步进电机驱动模块和FPGA芯片之间设置有光耦隔离电路。4.根据权利要求1所述的一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其特征在于，所述电子罗盘接口模块通过RS232接口实现接口电平转换，进一步优选的，所述电子罗盘接口模块的型号为MAX3232；优选的，所述GPS/北斗模块的型号为GA833-3；优选的，所述倾角仪接口模块通过RS232接口芯片实现接口电平转换，进一步优选的，所诉倾角仪接口模块的型号为MAX3232；优选的，所述信标接口模块的型号为TXB0108；优选的，室内通信接口模块的型号为88E3018；优选的，所述SRAM存储模块的型号为IS61WV51216BLL-10TLI；优选的，所述时钟晶振模块为100MHz频率的时钟晶振。5.一种如权利要求1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛庆国，
申请(专利权)人：广东高云半导体科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44