FPGA_ASIC-基于FPGA的航天相機(jī)控制器接口的設(shè)計(jì)

1、 基于FPGA的航天相機(jī)控制器接口的設(shè)計(jì)黃鈺1,2,郭偉強(qiáng)1,金龍旭1(1.中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林 長(zhǎng)春1300332.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100039摘要:本文分析了航天相機(jī)控制器的構(gòu)成與功能,并利用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了相機(jī)控制器的外圍接口,包括異步串行通訊接口、計(jì)時(shí)器接口、步進(jìn)電機(jī)控制器接口,并給出了仿真結(jié)果。程序下載到FPGA芯片中后,控制器工作穩(wěn)定,可靠,通信數(shù)據(jù)完全正確。關(guān)鍵詞:航天相機(jī);控制器;接口;FPGA;中圖分類號(hào):TP332 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BDesign of Interface of Astronautic Camera ControllerBased

2、on FPGAHuang Yu1,2,Guo Weiqiang1,Jin Long-xu1(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China Abstract:This paper describes the structure and function of Astronautic Ca

3、mera Controller. The Peripheral Interface of Astronautic Camera Controller, which included UART, calculagraph, stepmotor, were implemented on FPGA. The simulation result is also given in the paper. After the program is downloaded in the FPGA chip , the controller works well and the data is totally c

4、orrect. Key Words:Astronautic Camera;Controller;Interface;FPGA;1.引言:航天相機(jī)是航天遙感技術(shù)中最重要的遙感設(shè)備之一。航天遙感技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的高科技,它具有可重復(fù)覆蓋、連續(xù)觀測(cè)、視點(diǎn)高、視域廣、獲取數(shù)據(jù)快的特點(diǎn)。近些年來(lái),航天遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、資源管理、農(nóng)業(yè)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及軍事照相偵查等諸多領(lǐng)域。在航天相機(jī)的主體結(jié)構(gòu)中,相機(jī)控制器負(fù)責(zé)相機(jī)功能控制和運(yùn)行管理,是其重要的組成部分。本文介紹的相機(jī)控制器整體采用FPGA+DSP結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)將DSP和FPGA兩者的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合在一起,兼顧了速度和靈活

5、,完全符合航天相機(jī)中數(shù)據(jù)量大,對(duì)處理速度要求高的信號(hào)處理要求。在整個(gè)系統(tǒng)中FPGA相當(dāng)于DSP的宏功能協(xié)處理器,用以實(shí)現(xiàn)相機(jī)控制器與外圍設(shè)備的接口。本文介紹了一種基于FPGA的控制器外圍接口的設(shè)計(jì)方案。2.控制器系統(tǒng)的構(gòu)成與功能:2.1 控制器系統(tǒng)的構(gòu)成:控制器整體系統(tǒng)主要由DSP和FPGA組成,另外還包括一些外圍的輔助電路,如存儲(chǔ)器以及FLASH ROM等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中FPGA選用Xilinx公司的Virtex系列器件XCV300,該芯片有豐富的可配置邏輯模塊CLBS、大量的觸發(fā)器以及內(nèi)置的不占系統(tǒng)資源的塊RAM。系統(tǒng)最大工作頻率可達(dá)200MHz,兼容多種接口標(biāo)準(zhǔn),且有相應(yīng)的

6、航天級(jí)產(chǎn)品。是目前市場(chǎng)上為數(shù)不多的能達(dá)到此項(xiàng)要求的高性能可編程邏輯器件。FLASH型存儲(chǔ)器MMFL64002作為程序存儲(chǔ)器。DSP選用TI公司的TMS320VC541,這是一款16bit定點(diǎn)高性能DSP,它采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和8條總線,速率最高達(dá)160MYs。DSP處理器采用外部總線接口方式訪問(wèn)FPGA,即共享數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線,當(dāng)輸入信號(hào)進(jìn)入FPGA時(shí),FPGA對(duì)地址總線進(jìn)行譯碼,然后選擇內(nèi)部寄存器,同時(shí)通過(guò)三態(tài)門進(jìn)行數(shù)據(jù)總線隔離,借助控制總線寫入或讀取寄存器內(nèi)容。 圖1:相機(jī)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.2 控制器的主要功能相機(jī)控制器作為航天相機(jī)電子學(xué)子系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)立的控制單元,主要有

7、以下兩個(gè)功能:1. 通過(guò)一條RS422總線與衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)連接,接收來(lái)自衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)注入的指令和參數(shù),并根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)計(jì)算像移速度矢量和偏流角參數(shù),同時(shí), 返回表征相機(jī)工作狀態(tài)的遙測(cè)參數(shù);2. 通過(guò)RS422總線向CCD成像單元和主動(dòng)熱控單元發(fā)送控制指令和參數(shù),同時(shí),接收CCD成像單元和主動(dòng)熱控單元的工程參數(shù)。實(shí)現(xiàn)這一系列任務(wù)需要大量的I/O端口和繁雜的總線連接,所以在控制單元中引入FPGA器件,以減輕處理器工作負(fù)荷、降低處理器端總線連接復(fù)雜性、增加數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)性、 整體提高系統(tǒng)性能和工作可靠性。3.控制器接口設(shè)計(jì)從圖1相機(jī)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出,控制器外部接口主要

8、包括:與衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)、CCD成像單元、主動(dòng)熱控單元通訊的異步串行通訊接口;計(jì)時(shí)器接口;步進(jìn)電機(jī)控制器接口;編碼器控制器接口。在本文中主要介紹異步串行通訊接口、計(jì)時(shí)器接口和步進(jìn)電機(jī)控制器接口。3.1異步串行通訊接口: UART(即Universal Asynchronous Receiver Transmitter通用異步收發(fā)器是應(yīng)用廣泛的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,它的通信協(xié)議十分簡(jiǎn)單,以低電平作為起始位(Start Bit,高電平作為停止位(Stop Bit,中間可傳輸58比特?cái)?shù)據(jù)和1比特奇偶校驗(yàn)位,最后是停止位。奇偶校驗(yàn)位的有無(wú)和數(shù)據(jù)比特的長(zhǎng)度由通信雙方約定。一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢后可以繼續(xù)傳輸下一

9、幀數(shù)據(jù),也可以繼續(xù)保持為高電平,持續(xù)時(shí)間可以任意長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)的相機(jī)控制器異步串行通訊時(shí)低位在前,高位在后,數(shù)據(jù)格式為1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位奇校驗(yàn)位,1位停止位。 異步串行通訊接口是整個(gè)相機(jī)控制器與外部進(jìn)行通信的關(guān)鍵模塊,由發(fā)送Txd和Rxd 接收兩個(gè)模塊構(gòu)成,其邏輯框圖見圖2。其中sdi為串行數(shù)據(jù)接收輸入;dout7:0為并行數(shù) 據(jù)輸出端;wrn為寫控制信號(hào),為1時(shí)禁止數(shù)據(jù)輸入,為0時(shí)允許輸入;reset為系統(tǒng)復(fù)位輸入端;din7:0為8位并行數(shù)據(jù)的輸入端,轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)后從sdo輸出。發(fā)送模塊檢測(cè)到處理器寫信號(hào)出現(xiàn)跳變時(shí),啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程,首先將并行數(shù)據(jù)鎖存至寫緩沖寄存器,延遲2個(gè)時(shí)鐘周期

10、后,啟動(dòng)發(fā)送時(shí)鐘,然后使用并轉(zhuǎn)串移位寄存器,按位移出并 發(fā)送數(shù)據(jù);接收模塊在空閑狀態(tài)下,檢測(cè)到輸入信號(hào)低電平持續(xù)5個(gè)時(shí)鐘周期,認(rèn)為出現(xiàn)起始位,啟動(dòng)接收過(guò)程,使用串轉(zhuǎn)并移位寄存器,將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。 圖2 通用異步串行通訊接口3.2計(jì)時(shí)器接口衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)提供的時(shí)鐘為1KHz外部時(shí)鐘,相機(jī)控制器中應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)16位計(jì)時(shí)器,用于系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn),以同步控制器與外圍設(shè)備。計(jì)時(shí)器應(yīng)該有三種控制命令,即啟動(dòng)計(jì)時(shí)器、讀取計(jì)時(shí)器和停止計(jì)時(shí)器。當(dāng)檢測(cè)到處理器寫信號(hào)出現(xiàn)低電平時(shí),啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器,計(jì)時(shí)器啟動(dòng)后,自動(dòng)檢測(cè)外部時(shí)鐘跳變,當(dāng)檢測(cè)到外部時(shí)鐘出現(xiàn)上升沿時(shí),計(jì)時(shí)器進(jìn)行向上自加1,直至16位計(jì)數(shù)器溢出,自

11、動(dòng)清零,重新開始計(jì)數(shù),直至檢測(cè)到讀信號(hào)出上升沿,停止內(nèi)部計(jì)時(shí)器。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值連接到處理器數(shù)據(jù)總線,接收到處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)返回命令時(shí),將計(jì)數(shù)值通過(guò)數(shù)據(jù)總線發(fā)送給處理器。計(jì)時(shí)器Clock接口框圖見圖3。輸入信號(hào)為處理器寫信號(hào)wrn、處理器讀信號(hào)rdn、外部時(shí)鐘clk。輸出信號(hào)為本地時(shí)間碼。 圖3. 計(jì)時(shí)器接口圖4 步進(jìn)電機(jī)控制器接口3.3 步進(jìn)電機(jī)控制器接口步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu),在航天相機(jī)中通常作為調(diào)焦電機(jī)使用。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的,所以可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制

12、電機(jī)的速度和加速度,同時(shí)還可以控制脈沖“相位”來(lái)改變定子繞組的通電順序,從而達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。本系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)是四相的。步進(jìn)電機(jī)工作在四相八拍方式,分正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工作方式。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)制動(dòng)器吸合則失去自鎖功能,步進(jìn)電機(jī)可以工作,制動(dòng)器斷開則步進(jìn)電機(jī)不可以工作。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)控制器檢測(cè)到寫信號(hào)出現(xiàn)跳變,將并行數(shù)據(jù)鎖存至緩沖寄存器,首先對(duì)寄存器內(nèi)容進(jìn)行判讀,有五種合法控制命令,制動(dòng)器吸合、制動(dòng)器斷開、電機(jī)設(shè)置起動(dòng)頻率、電機(jī)正轉(zhuǎn)以及電機(jī)反轉(zhuǎn),確定為合法控制命令后鎖存控制信息,并依照接收到的控制信息控制步進(jìn)電機(jī)和制動(dòng)器。從處理器接收的輸入數(shù)據(jù)中,高兩位代表控制命令類型,低14位代表電機(jī)步數(shù)及起

13、動(dòng)頻率,故電機(jī)步數(shù)最大值為16384步,電機(jī)起動(dòng)頻率最低值為1.25KHz。步進(jìn)電機(jī)控制器Motor接口見圖4,其中din15:0為處理器輸入數(shù)據(jù);wrn為寫信號(hào),低電平有效;a、b、c、d為四相位輸出;brake_enga為制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。4.仿真驗(yàn)證4.1異步串行通訊接口對(duì)發(fā)送模塊進(jìn)行仿真:當(dāng)寫信號(hào)出現(xiàn)低電平,將并行輸入數(shù)據(jù)57H以串行方式發(fā)送出去。功能仿真見圖5A。對(duì)接收模塊進(jìn)行仿真:當(dāng)輸入信號(hào)出現(xiàn)低電平,狀態(tài)機(jī)啟動(dòng);將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)輸出。功能仿真見圖5B。4.2計(jì)時(shí)器接口處理器寫信號(hào)出現(xiàn)低電平,啟動(dòng)計(jì)時(shí)器;處理器讀信號(hào)出現(xiàn)低電平,停止計(jì)時(shí)器。功能仿真見圖5C。4.3電機(jī)控制接口

14、處理器數(shù)據(jù)輸入為08H,電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)8步,功能仿真見圖5D;處理器數(shù)據(jù)輸入412EH,電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)302步,功能仿真見圖5E。 A 異步通訊接口發(fā)送模塊功能仿真 B異步通訊接口接收模塊功能仿真 C 計(jì)時(shí)器接口功能仿真 D 電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)功能仿真 E 電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)功能仿真圖5.系統(tǒng)功能仿真 通過(guò)功能仿真可以看出相機(jī)控制器很好的完成了通訊、記時(shí)和對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制等一系列工作,符合系統(tǒng)要求。仿真無(wú)誤后,將程序下載到FPGA芯片中運(yùn)行,結(jié)果系統(tǒng)工作穩(wěn)定,可靠,通信數(shù)據(jù)完全正確。5.結(jié)束語(yǔ)本文的創(chuàng)新點(diǎn)是:一是建立了一種FPGA+DSP控制系統(tǒng)的模型,且硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,開發(fā)周期短,同時(shí)也容易維護(hù)和擴(kuò)展,為類似系統(tǒng)核心控制器的建立提供了范例;二是通過(guò)對(duì)FPGA進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了航天相機(jī)控制器與外部設(shè)備接口的連接,并經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證符合航天相機(jī)整體要求,完成了對(duì)航天相機(jī)的控制工作。參考文獻(xiàn):1Virtex 2.5V Field Programmable Gate Arrays Data Sheet.2陳耀和,VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社,2004.3楊大柱,基于FPGA的UART電路設(shè)計(jì)與仿真J.微計(jì)算機(jī)信息,2007,5-2:212-213.4金元郁,李勇,李園園.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007,3.作者簡(jiǎn)介:黃鈺(1983,男(漢族,