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基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

2019年05月05日 08:46 次阅读

引言

高精度的三维移动天线平台在许多测试测量场合得到广泛应用。然而,现有的高精度天线平台大多为单一平台,本文提出了一种多平台组合控制、协调工作的解决办法。

1 系统组成

三维移动天线平台系统按照功能划分,主要由测控系统、通信网络、运动执行机构组成,如图1所示。其中,测控系统由测控计算机、手持控制器组成;通信网络采用ZigBee无线通信网络;运动执行机构由两个差动转速轮式移动平台搭载高精度天线桅杆构成。运动执行机构装有两个ELDS—C高精度激光测距传感器(测距范围0.05~30 m、精度±3 mm)及用于移动平台初始对准的一字激光发射器和接收器。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

2 运动执行系统设计

2.1 运动执行机构坐标定义

为了确定运动执行机构的移动方向与坐标,定义天线移动平台坐标系,如图2所示。以两水平移动控制电机同步正转行进方向为y正方向,以从x轴方向向y轴方向旋转为平台旋转正方向(对应旋转控制电机正转),天线向上升高方向为z正方向(对应升降控制电机正转)。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

2.2 运动控制器硬件设计

运动控制器在水平移动控制电机、天线升降移动控制电机、天线旋转极化控制电机以及激光测距传感器等部件的支持下完成天线位置与姿态的测量与控制。运动控制器分为主控板和接口板两部分。

2.2.1 主控板

运动控制器主控板由处理器单元(Nios II软核)、存储器、JTAG调试接口等组成,它具有通用的DI、DO、RS232等接口。

核心芯片选用Atera公司的Cyclone II系列FPGA芯片EP2C8Q208C。Altera Cyclone II采用全铜层、1.2 VSRAM工艺设计,Cyclone II器件提供了4 608到68 416个逻辑单元(LE),并具有一整套最佳的功能,包括嵌入式18位×18位乘法器、专用外部存储器接口电路、4 Kb嵌入式存储器块、相环(PLL)和高速差分I/O能力。主控板组成框图如图3所示。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

2.2.2 接口板

接口板是针对测控对象的测控需求与电气接口特点设计的,它将主控板的通用电接口转换为测控专用接口,包括水平运动控制接口电路、垂直升降运动控制接口电路、旋转极化控制接口电路、初始对准辅助设备接口电路、系统状态灯驱动电路等,其组成与连接关系如图4所示。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

步进电机控制接口部分充分利用Nios II软核的高度可制定性,自定义设计了一个符合Avalon总线标准的步进电机控制IP核。该IP核可以像操作标准外设一样读写相应寄存器,实现具体的控制。其寄存器映射如表1所列。其中,period寄存器值对应电机运行速度,number寄存器对应电机运行距离。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

图5为Quartus II软件生成的步进电机控制IP核的从外设框图。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

2.3 运动控制器软件设计

由于运动控制器需要完成本地按键任务、远程键盘任务、PC机任务,其中PC机任务又分为平台水平初始对准任务、天线垂直调零任务、天线极化调零任务、运动任务等,因此运动控制器软件系统使用μC/OS—II实时操作系统完成任务的调度和处理。

系统上电完成必要设备初始化之后,控制通信模块上电,完成无线组网功能。操作系统创建本地按键任务、远程键盘任务和PC机任务。本地按键任务由外部中断触发Key_Sem信号量控制执行。远程键盘任务和PC机任务由通信模块控制执行。按键命令格式:KEY:key_value:YEK(12字节),按键命令取值如表2所列。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

计算机命令取值如表3所列,计算机命令格式如下:

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

系统命令可划分为简单非定量命令(前进、后退等),复杂非定量命令(水平对准、垂直调零等)和定量命令(水平运动、垂直运动)3种。其中简单非定量命令在相应任务中获取解析后直接读/写步进电机控制模块寄存器完成控制。而接到复杂非定量命令后,根据命令取值建立不同的任务,在新建任务完成相应操作后向命令发送方回复应答数据,并删除自身,等待下一次命令再次新建该任务。定量命令包括坐标值命令(水平命令、垂直命令)和寄存器值命令(单步命令)。单步命令中包含相应电机控制寄存器值(即包含速度、距离、方向控制信息),相应任务直接提取数据完成电机控制。坐标值命令包含预定目标x、y坐标值,系统根据自身坐标(当前传感器值)计算得出电机控制寄存器值完成动作。系统软件流程图如图6所示。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

系统子任务中,水平初始对准任务和天线垂直调零任务最为重要。它不仅是移动平台位置初始化过程,更是系统建立空间坐标系的基础。因此,该任务实现的好坏,直接影响移动平台控制的可靠性。设计完善的应答机制,合理地使用信号量、标志组等,是任务设计合理可靠的关键。其简化流程图如图7所示。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

3 无线通信设计

3.1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种应用于短距离、低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。我国目前可以使用的ISM(Industrial,Scien tific and Medical)频带为433MHz和2.4 GHz。ZigBee技术在我国工作在2.4 GHz频段,采用较高阶的QPSK调制技术,可以达到250 kb/s的速率,并减少工作时间,以降低功耗。在MAC层采用CSMA/CA方式,以提高系统兼容性。网络层方面,ZigBee联盟规定可以采用星形和网状拓扑。

ZigBee具有以下特性:功耗低、可靠性高、网络容量大、保密性高。

3.2 无线通信网络拓扑结构

考虑到系统除测控计算机节点外,其余3个节点均为移动节点,移动范围在30 m左右,而手持控制器使用5号电池供电,功耗敏感。因此,设计采用簇状网络拓扑结构。即测控计算机为网络协调器,1号移动天线平台为路由器,2号移动天线平台和手持控制器为终端设备。手持控制器采用低频唤醒机制以延长电池使用寿命。网络拓扑图如图8所示。

基于SOPC和ZigBee的三维移动天线平台设计浅析

结语

针对双三维移动天线平台精确定位与控制,提出了一种切实可行的方案。经过实验验证,移动天线平台行进方向误差5 mm。天线水平极化和垂直极化误差0.2°。系统充分利用了SOPC技术优势,完成了两平台的综合控制和协调工作。证明了系统具有高精度、高可靠性、高集成等特点。

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CC2530是适用于IEEE 802.15.4,Zigbee和RF4CE应用的真正片上系统(SoC)解决方案。它可以以非常低的总物料清单成本构建强大的网络节点。 CC2530将领先的RF收发器的卓越性能与行业标准的增强型8051 MCU,系统内可编程闪存,8 KB RAM以及许多其他强大功能相结合。 CC2530有四种不同的闪存版本:CC2530F32 /64/128/256,分别具有32/64/128/256 KB的闪存。 CC2530具有多种工作模式,非常适合需要超低功耗的系统。工作模式之间的短转换时间进一步确保了低能耗。 结合德州仪器(TI)业界领先的黄金单元状态ZigBee协议栈(Z-Stack),CC2530F256提供了强大而完整的功能。 ZigBee解决方案。 结合德州仪器(TI)的黄金单元状态RemoTI堆栈,CC2530F64及更高版本提供了强大而完整的ZigBee RF4CE远程控制解决方案。 特性 RF /布局 2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容RF收发器 出色的接收灵敏度 可编程输出功率高达4.5 dBm 非常少的外部组件 异步网络只需要一个单晶体 6 mm×6 mm QFN40封装 适用于符合全球无线电规范的系统 - 频率规定:ETSI EN 300 328和EN 300 440(欧洲), FCC CF...

发表于 2018-11-02 19:33 107次阅读
CC2530 用于 2.4 GHz IEEE 8...

CC2531 用于 IEEE 802.15.4 ...

CC2531是一款支持USB的真正片上系统(SoC)解决方案,适用于IEEE 802.15.4,ZigBee和RF4CE应用。它可以以低总物料清单成本构建USB加密狗或USB可升级网络节点。 CC2531将领先的RF收发器的性能与业界标准的增强型8051 MCU,系统内可编程闪存,8 KB RAM以及许多其他强大功能相结合。 CC2531具有多种工作模式,适用于需要超低功耗的系统。操作模式之间的短转换时间进一步确保了低能耗。 USB HID和CDC库和示例的源代码可从www.ti.com上的CC2531产品页面下载。 结合业界领先的黄金单元状态ZigBee协议栈(Z-Stack) )来自德州仪器,CC2531提供强大而完整的ZigBee USB加密狗或固件可升级网络节点。 结合德州仪器的黄金单元状态RemoTI堆栈,CC2531提供强大的ZigBee RF4CE遥控器 - USB加密狗或TV /STB实现的控制目标。 特性 RF /布局 2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容RF收发器 出色的接收灵敏度 可编程输出功率高达4.5 dBm 少数外部组件 异步网络只需要单个晶体 6毫米×6毫米QFN40封装 适用于符合全球无线电频率规定的系统:ETSI EN 300 328和EN 300 440(欧洲)...

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CC2531 用于 IEEE 802.15.4 ...

CC2520 二代 2.4GHz ZigBee/...

CC2520是TI针对2.4 GHz免许可ISM频段的第二代ZigBee®/IEEE 802.15.4 RF收发器。该芯片通过提供最先进的选择性/共存性,出色的链路预算,高达125°C的工作温度和低电压工作,实现了工业级应用。此外,CC2520还提供广泛的应用硬件支持帧处理,数据缓冲,突发传输,数据加密,数据认证,空闲信道评估,链路质量指示和帧定时信息。这些功能可降低主控制器的负载。 在典型系统中,CC2520将与微控制器和一些额外的无源元件一起使用。 特性 申请 IEEE 802.15.4系统 ZigBee®系统 工业监控 家庭和楼宇自动化 自动抄表 低功耗无线传感器网络 机顶盒和遥控器 消费类电子产品 主要特点 最先进的选择性/共存相邻信道抑制:49 dB 备用信道抑制:54 dB 出色的链路预算(103dB) 400 m视距范围 扩展温度范围(? ?40至+ 125°C) 宽电源范围:1.8 V ?? 3.8 V 广泛的IEEE 802.15.4 MAC硬件支持卸载微控制器 AES-128安全模块 CC2420接口兼容模式 低功率 RX(接收帧,?? 50 dBm)18.5 mA TX 33.6 mA @ +5 dBm TX 25.8 mA @ 0 dBm 设备齐全的开发套件 硬件中的数据包嗅探器支持 ZigBee®是Z...

发表于 2018-11-02 19:33 17次阅读
CC2520 二代 2.4GHz ZigBee/...

CC2592 2.4GHZ 射频范围扩展器

CC2592器件是一款针对低功率和低压2.4GHz无线应用的经济高效且高性能的RF前端。 CC2592器件是一款针对德州仪器(TI)所有CC25XX 2.4GHz低功率RF收发器,发射器和片上系统产品的范围扩展器。 为了增加链路预算,CC2592器件提供一个可增加输出功率的功率放大器,以及一个具有低噪声系数的LNA,以提升接收器灵敏度。 CC2592器件提供一个极小尺寸,高输出功率RF设计,此设计采用4mm x 4mm四方扁平无引线(QFN)-16封装。 CC2592器件包含高性能无线应用简单设计所需的PA,LNA,开关,RF匹配和不平衡变压器。 特性 与德州仪器(TI)2.4GHz低功率RF器件的无缝对接 + 22dBm输出功率 CC2520,CC253X和CC85XX上3dB典型经改进灵敏度 极少的外部组件 集成开关 集成匹配网络 集成不平衡变压器 集成电感器 集成功率放大器(PA) 集成低噪声放大器(LNA) 通过HGM端子的LNA增益数字控制 断电时(LNA_EN = PA_EN = 0),电流100nA 低发送流耗 对于+ 22dBm,PAE = 34%,电压3V时的电流为155mA 低接收流耗 针对高增益模式的4.0mA电流 针对低增益模式的1.9mA电流 4.7dB L...

发表于 2018-11-02 19:32 54次阅读
CC2592 2.4GHZ 射频范围扩展器

CC2538 用于 2.4GHz IEEE 80...

CC2538xFnn是适用于高性能ZigBee应用的理想无线微控制器片上系统(SoC)。该器件包含基于ARM Cortex M3的强大的MCU系统,具有高达32KB的片上RAM和高达512KB的片上闪存以及可靠的IEEE 802.15.4射频功能。这使得该器件能够处理涉及安全性,要求严格的应用程序以及无线下载的复杂网络协议栈.32个通用输入和输出(GPIO)以及串行外设接口可实现到电路板其它部分的简单连接。强大的硬件安全加速器可在CPU处理应用任务的同时实现快速且高效的认证和加密。具有保持功能的多个低功耗模式可实现从休眠状态快速唤醒并且显着降低执行顺期平稳开发,CC2538xFnn包括一个强大的调试系统和一个综合性驱动器库。为了减少应用闪存封装尺寸, CC2538xFnn ROM包含一个实用功能库和一个串行引导加载器.CC2538与T我免费提供的稳健且全面的Z-Stack软件解决方案搭配使用,可提供市场上功能最强大,最稳定的ZigBee解决方案。 特性 微控制器 强大的ARM Cortex-M3,具有代码预提取功能 高达32MHz的时钟速度 512KB,256KB或128KB系统内可编程闪存 支持片上无线升级(OTA) 支持双Zigbee应用配置 高达32KB的RAM(...

发表于 2018-11-02 19:32 35次阅读
CC2538 用于 2.4GHz IEEE 80...

CC2533 用于 2.4GHz IEEE 80...

CC2533是基于IEEE 802.15.4的远程控制系统的优化片上系统(SoC)解决方案。当用作灵活的SoC时,它可以以低物料成本构建单芯片遥控器。当在RemoTI RF4CE堆栈的无线网络处理器配置中使用时,它还提供了将RF4CE功能添加到设备或目标的简单路径。可以以非常低的总物料清单成本构建强大的网络节点。 CC2533将领先的RF收发器的卓越性能与单周期8051兼容CPU相结合,最高可达96 KB - 系统可编程闪存,高达6 KB RAM,以及许多其他强大功能。 CC2533具有高效的功耗模式,RAM和寄存器保持低于1μA,非常适合需要超低功耗的低占空比系统。工作模式之间的短转换时间进一步确保了低能耗。 结合德州仪器的黄金单元状态RemoTI堆栈,CC2533提供了强大而完整的ZigBee RF4CE远程控制解决方案。它也非常适合在具有SPI /UART /I 2 C接口的网络处理器配置中实现远程控制系统的目标端。 CC2533配有参考设计和实现远程控制系统的示例软件,以确保高效的设计。 CC2533有三种内存大小配置: CC2533F32 - 32 KB闪存,4 KB RAM CC2533F64 - 64 KB闪存,4 KB RAM CC2533F96 - 96 K...

发表于 2018-08-21 18:44 301次阅读
CC2533 用于 2.4GHz IEEE 80...