一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板的制作方法

本实用新型涉及一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，属于动中通天线的技术领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板。

本实用新型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。

本实用新型的技术方案如下：

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。

根据本实用新型优选的，所述FPGA芯片的型号为GW2A-55。本实用新型采用的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。

根据本实用新型优选的，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。

根据本实用新型优选的，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。本实用新型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。

根据本实用新型优选的，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。本实用新型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。

根据本实用新型优选的，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。

根据本实用新型优选的，所述GPS/北斗模块的型号为GA833-3。本实用新型所述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。

根据本实用新型优选的，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。

根据本实用新型优选的，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。

根据本实用新型优选的，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。

根据本实用新型优选的，所述SRAM存储模块的型号为IS61WV51216BLL-10TLI。本实用新型中，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。

根据本实用新型优选的，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。

本实用新型的优势在于：

本实用新型针对国产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，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。

本实用新型还采用高云半导体的GW2A-55芯片，通过GW2A-55芯片强大的硬件资源和数据处理能力实现各种传感器数据、信标数据、地理位置数据的收集、处理，通过步进电机实时控制天线对准方向，结合高效的跟踪策略，实现快速移动环境下可靠稳定的微波通信。

附图说明

图1为本实用新型所述控制板的电路连接示意图；1、FPGA芯片；2、陀螺传感器接口模块；3、步进电机驱动模块；4、DC/DC电源变换模块；5、倾角仪接口模块；6、信标接口模块；7、GPS/北斗模块；8、电子罗盘接口模块；9、室内通信接口模块；10、时钟晶振模块；11、SRAM存储模块；12、光耦隔离电路。

图2是本实用新型所述控制板控制天线实现实时跟踪方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

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1相连的DC/DC电源变换模块4、陀螺传感器接口模块2、步进电机驱动模块3、电子罗盘接口模块8、GPS/北斗模块7、倾角仪接口模块5、信标接口模块6、室内通信接口模块9、SRAM存储模块11和时钟晶振模块10。

所述FPGA芯片1的型号为GW2A-55。

实施例2、

如实施例1所述的一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其区别在于，陀螺传感器接口模块2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。

所述步进电机驱动模块3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。

实施例3、

如实施例2所述的一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其区别在于，在所述步进电机驱动模块3和FPGA芯片1之间设置有光耦隔离电路12。

实施例4、

如实施例1所述的一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其区别在于，所述电子罗盘接口模块8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8的型号为MAX3232。

所述GPS/北斗模块7的型号为GA833-3。

实施例5、

如实施例1所述的一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其区别在于，所述倾角仪接口模块5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5的型号为MAX3232。

所述信标接口模块6的型号为TXB0108。

室内通信接口模块9的型号为88E3018。

实施例6、

如实施例1所述的一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，其区别在于，所述SRAM存储模块11的型号为IS61WV51216BLL-10TLI。

所述时钟晶振模块10为100MHz频率的时钟晶振。

一种如实施例1-6所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。

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。

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。

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2°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。

上述，有规律地在上、下、左、右四个方向偏移0.5°角上进行切换控制；或有规律地在上、下、左、右四个方向偏移3°角上进行切换控制。

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。

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。