專利名稱：一種星載微波輻射計的控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于FPGA軟核處理器技術(shù)的終端系統(tǒng)控制裝置，尤其涉及一種 用于星載微波輻射計的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的終端控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
國內(nèi)在以往的星載微波遙感器的設(shè)計中，數(shù)字處理部分的設(shè)計主要分為總線通訊 模塊和測控模塊兩大模塊，而兩個模塊由兩個獨立的80C31芯片和分立的數(shù)字電路芯片構(gòu) 成。例如，圖13是現(xiàn)有的星載微波輻射計的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。如圖13所示，該控制系統(tǒng) 由三塊電路板和母板相連接來實現(xiàn)微波輻射計的系統(tǒng)控制功能。這三個電路板分別是天 線驅(qū)動接口電路板、輻射計測控電路板和總線通訊電路板，該天線驅(qū)動接口電路板包括一 個CPLD芯片和LVDS接收發(fā)送等芯片，由CPLD芯片實現(xiàn)串并變換和并串變換，天線控制信 號的譯碼等功能，LVDS接收發(fā)送芯片實現(xiàn)跟天線的信號連接；該輻射計測控電路板由一個 80C31微處理器芯片、一個SRAM、一個PR0M和一些38譯碼器芯片、邏輯與門芯片、邏輯非門 芯片及邏輯或門芯片等組成，實現(xiàn)輻射計的測量和控制等功能；該總線通訊電路板由一個 80C31微處理器芯片、一個SRAM、一個PR0M、兩個FIFO芯片、通訊芯片和一些38譯碼器芯 片、邏輯與門芯片、邏輯非門芯片及邏輯或門芯片等組成，實現(xiàn)輻射計控制系統(tǒng)與衛(wèi)星總線 控制器的通訊功能。這三個電路板需要通過母板的接口連接其數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制 線等，結(jié)構(gòu)冗余復(fù)雜。體積大，而且功耗較高，連接復(fù)雜，可靠性不易控制。80C31的速度也 有限，不適用于數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的系統(tǒng)?？梢浦残院檬擒汭P核的一大優(yōu)點，而MC8051軟核處理器將此優(yōu)點進一步發(fā)揚。由 以其為第三方設(shè)計、純VHDL描述、不涉及任何廠商的專用IP，故可以例化到各不同廠商的 不同系列FPGA中。傳統(tǒng)的80C31芯片執(zhí)行一條指令的時間是2微秒，而MC8051軟核處理 器執(zhí)行一條指令只需要83納秒的時間，如果時鐘頻率高的話還可以更快。所以軟核處理器 能夠適應(yīng)更高的采集速率，處理數(shù)據(jù)的速度也更快。跟硬核處理器相比，軟核處理器只由硬 件編程語言的程序組成，跟芯片的工藝無關(guān)，可以移植到任何工藝的芯片里，而且接口由用 戶按需求自己定義，硬核處理器的通用接口則太多，增加了系統(tǒng)的功耗。所以軟核處理器的 可移植性和功耗方面都優(yōu)于硬核處理器，越來越多地被應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。當(dāng)今航天遙感儀器的設(shè)計越來越趨于高功能密度及小型化。作為空間遙感平臺， 航天器自身具有其特殊性及局限性，因而小型化的優(yōu)點是顯而易見的。體積小、重量輕的遙 感器可以降低航天器發(fā)射的難度，所以星載設(shè)備的輕小型化是非常重要的一個課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系 統(tǒng)及其控制方法。本發(fā)明采用FPGA芯片來實現(xiàn)星載微波輻射計的控制電路部分，增加控制 電路的集成性，組成的系統(tǒng)體積較小，功耗低，能適用于更高速率要求的數(shù)據(jù)處理而且可靠 性高。解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)體積大，功耗高，可靠性低的缺陷，達到小型化的目的。該系統(tǒng)
6實現(xiàn)后比傳統(tǒng)的方案節(jié)省了 1/2的電路面積，同時使星載微波輻射計的數(shù)控單元的體積和 重量都減小了一半。而且由于FPGA的可編程性好，只需改動FPGA內(nèi)部的程序，就可以適用 于不同需求的微波輻射計控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制 系統(tǒng)，包括通訊芯片、電平轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集板接口以及天線驅(qū)動接口插槽，其特征在 于，還包括FPGA芯片，通過該FPGA芯片來實現(xiàn)星載微波輻射計的控制電路部分，完成包括 數(shù)據(jù)采集、遙測、RAD控制、天線控制和總線通訊的微波輻射計的系統(tǒng)控制。另外，所述FPGA芯片包括總線通訊模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、測控軟核處理器、 天線驅(qū)動接口模塊、工作狀態(tài)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊(AutomaticGain Control 自動增益控制)，所述總線通訊模塊，包括通訊軟核處理器和總線通訊接口，用于實現(xiàn)輻射計控制 系統(tǒng)跟地面的通訊功能，解讀地面發(fā)出的各種指令，將指令傳給其他各模塊，把測控軟核處 理器組織的遙感數(shù)據(jù)包等數(shù)據(jù)下傳給地面；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于所述通訊軟核處理器和測控軟核處理器之間的數(shù)據(jù)包傳 輸，包括兩個先進先出存儲器，其中FIF01供測控軟核處理器采用循環(huán)寫入的方式寫入數(shù) 據(jù)源包，以備總線通訊模塊讀取；總線通訊模塊將衛(wèi)星控制指令和狀態(tài)信息采用刷新的方 式寫入FIF02，以備測控軟核處理器讀??；所述測控軟核處理器，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收總線通訊模塊傳送過來的工作參數(shù) 幀，提取衛(wèi)星總線控制器發(fā)送過來的各種指令，協(xié)調(diào)控制所述天線驅(qū)動接口模塊、工作狀態(tài) 控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊的工作；同時提取這三個模塊產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)組織 成為遙感數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳給總線通訊模塊；所述天線驅(qū)動接口模塊，用于翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的 FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的天線控制指令，根據(jù)天線控制指令產(chǎn)生相應(yīng)的天線掃描 驅(qū)動控制電路所需的控制信號，并翻譯天線部分產(chǎn)生的天線角度和狀態(tài)信號形成天線角編 碼和天線狀態(tài)信息，供測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；所述工作狀態(tài)控制模塊，用于翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的 FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的內(nèi)部控制指令，譯碼后產(chǎn)生兩個頻段共5個通道的接收 機的開關(guān)機信號，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換輸出到接收機前端控制接收機的通電和斷電；同時實時 更新各接收機的通電斷電狀態(tài)信息，供測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；所述數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊，用于翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊 的FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的數(shù)據(jù)采集指令，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集板DA部分的地址數(shù)據(jù)和 控制信號，滿足數(shù)據(jù)采集板DA的采集時序，獲得采集的微波輻射計五通道對地觀測數(shù)據(jù)、 系統(tǒng)定標(biāo)的熱輻射源溫度測量數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀器內(nèi)部環(huán)境溫度變化的儀器環(huán)境溫度測量數(shù)據(jù) 和N路AGC信號等數(shù)據(jù)，供測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；用于翻譯測控軟核處理器 輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的AGC注入指令、數(shù)據(jù)和AGC自 動調(diào)整指令，產(chǎn)生的AGC控制信號經(jīng)過CMOS電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集板的AD/DA部分調(diào)節(jié)系統(tǒng) 增益，把系統(tǒng)增益控制在適當(dāng)范圍之內(nèi)。另外，本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法，包括如 下步驟
7
1)當(dāng)衛(wèi)星總線控制器通過1553總線發(fā)送地面指令到各載荷設(shè)備時，指令中包含 有載荷設(shè)備編號，各載荷設(shè)備識別出自己的編號，把發(fā)送給自己編號的指令保存在所述通 訊芯片中，同時忽略掉不是發(fā)送給自己編號的指令；2)收到有效的指令后，所述通訊芯片經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換給所述FPGA芯片內(nèi)的總線 通訊模塊中的通訊軟核處理器發(fā)送一個中斷信號；3)所述通訊軟核處理器收到中斷信號后進入中斷處理程序，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換讀 取所述通訊芯片的中斷狀態(tài)寄存器，獲取中斷類別信息，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)和處理相應(yīng)的指 令，把各指令和數(shù)據(jù)組成工作參數(shù)幀；4)所述通訊軟核處理器經(jīng)所述FPGA芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸模塊將工作參數(shù)幀傳送給 所述FPGA芯片內(nèi)的測控軟核處理器，測控軟核處理器再把指令數(shù)據(jù)進行解碼；5)所述測控軟核處理器依據(jù)指令執(zhí)行天線驅(qū)動接口模塊、工作狀態(tài)控制模塊以及 數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊的動作；6)當(dāng)衛(wèi)星總線控制器不發(fā)送衛(wèi)星總線指令時，所述測控軟核處理器將各個功能部 分的工作狀態(tài)(包括接收機的狀態(tài)，天線的轉(zhuǎn)動模式和角度等)、已執(zhí)行過的指令、收到的 廣播消息和GPS數(shù)據(jù)、遙感觀測數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)等組織成為遙感數(shù)據(jù)包；7)所述測控軟核處理器將組織好的遙感數(shù)據(jù)包經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送給所述通訊 軟核處理器，所述通訊軟核處理器將有效數(shù)據(jù)提取，添加包括包頭、包尾以及包序號等數(shù) 據(jù)組織成為衛(wèi)星總線控制器能夠識別的載荷源包；8)所述通訊軟核處理器將組織好的載荷源包寫入所述通訊芯片內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存 儲區(qū)，并置位所述通訊芯片內(nèi)部的發(fā)送請求位為1，請求發(fā)送載荷源包數(shù)據(jù)；9)所述通訊芯片響應(yīng)發(fā)送請求，通過總線發(fā)送載荷源包至衛(wèi)星總線控制器，并置 位所述通訊芯片內(nèi)部的發(fā)送請求位為0，清除發(fā)送請求。其中，上述本發(fā)明的控制方法中，所述總線通訊模塊的主程序順序流程包括a)系統(tǒng)開機后，先進行總線通訊模塊的初始化，包括通訊軟核處理器的初始化、 內(nèi)部RAM和外部RAM的初始化通訊芯片的初始化以及FIF02的初始化等；b)判斷FIF02是否有可供讀取的遙感數(shù)據(jù)包，當(dāng)判斷出有可讀取的遙感數(shù)據(jù)包 時，則把FIF02的遙感數(shù)據(jù)包讀取到通訊軟核處理器的RAM中并組成衛(wèi)星總線控制器可識 別的載荷源包等待發(fā)送；c)判斷通訊芯片的載荷源包存儲區(qū)是否為空，當(dāng)判斷出通訊芯片的載荷源包存儲 區(qū)為空且通訊軟核處理器的RAM中有等待發(fā)送的載荷源包時，開始把載荷源包寫入通訊芯 片的載荷源包存儲區(qū)，并置位通訊芯片的載荷源包發(fā)送請求位為1，等待通訊芯片的響應(yīng)；d)判斷發(fā)送工程參數(shù)幀的14秒計時是否已到，如果判斷出14秒計時已到，則組織 工程參數(shù)幀寫入通訊芯片的工程參數(shù)幀存儲區(qū)，并置位通訊芯片的工程參數(shù)幀發(fā)送請求位 為1，等待通訊芯片的響應(yīng)；e)將中斷程序中讀取的指令數(shù)據(jù)等組成工作參數(shù)幀，寫入FIF01中等待測控軟核 處理器讀取。另外，上述本發(fā)明的控制方法中，所述總線通訊模塊的中斷過程包括如下步驟a)所述通訊軟核處理器接收到所述通訊芯片發(fā)出的中斷信號后，進入中斷程序， 首先開始保護中斷現(xiàn)場，包括寄存器A，R0, R1……，DPTR等；
b)所述通訊軟核處理器讀取所述通訊芯片的中斷狀態(tài)寄存器和命令堆棧指針寄 存器，判斷中斷的類別，獲取相應(yīng)的指令類別、存儲地址和狀態(tài)字等信息，如果狀態(tài)字表示 接收消息完畢且無通訊錯誤，則解析通訊芯片的命令字，并讀取通訊芯片的指令和數(shù)據(jù)到 通訊軟核處理器的RAM中等待寫入FIF01，然后更新通訊芯片的命令堆棧指針，在處理完所 有的消息后返回通訊軟核處理器的主程序。另外，上述本發(fā)明的控制方法中，所述測控軟核處理器的處理過程如下a)系統(tǒng)開機后，根據(jù)地面指令的數(shù)據(jù)注入識別出系統(tǒng)命令的工作模式，這里，默認(rèn)為正常工作模式，并進入相應(yīng)工作模式的循環(huán)程序，如果系統(tǒng)判斷該處理器故障的情況下，則向該處理器發(fā)出切換到故障工作模式的 指令，接到指令后該處理器切換到故障工作模式的循環(huán)程序；b)在故障工作模式下，只執(zhí)行采集對地觀測數(shù)據(jù)、熱源定標(biāo)數(shù)據(jù)、冷空定標(biāo)數(shù)據(jù)打 包下傳和執(zhí)行地面注入的指令，從而使得控制系統(tǒng)在通訊錯誤的情況下仍能在錯誤模式下 工作，并保存數(shù)據(jù)以備恢復(fù)時傳輸；c)在正常工作模式下，負(fù)責(zé)微波輻射計前端及各通道的電源控制、AGC的調(diào)整和 設(shè)置、控制天線掃描驅(qū)動機構(gòu)、以及數(shù)據(jù)采集工作，初始化之后按照天線對定標(biāo)區(qū)和對地觀 測區(qū)的的掃描時序來進行觀測，每個觀測周期的觀測順序是熱源定標(biāo)區(qū)一冷空定標(biāo)區(qū)一 對地觀測區(qū)一熱源定標(biāo)區(qū)，同時通過執(zhí)行內(nèi)部指令、天線控制指令以及調(diào)節(jié)AGC等操作對 系統(tǒng)的工作狀態(tài)加以控制。本發(fā)明的用于星載微波輻射計的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的終端控制系統(tǒng)及其 控制方法的有益效果在于具有速度快，可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等特點的，適用 于系統(tǒng)可靠性要求很高，同時對重量、體積、功耗又限制較大的系統(tǒng)。由于具有LVDS和CMOS 的電平轉(zhuǎn)換，使該系統(tǒng)可以跟不同工藝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭配工作和為遠距離傳輸控制提供 了接口。系統(tǒng)易實現(xiàn)、易升級、易移植，具有較強的適應(yīng)性和可擴展性，同時完成了星載微波 輻射計對數(shù)控單元的各項功能要求。


圖1是表示本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的組 成框圖。圖2是構(gòu)成本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的 FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)的框圖。圖3是表示本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)信息流向示意圖。圖4是構(gòu)成本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)采集板及天線驅(qū)動接口插槽示意圖。圖5是表示本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的天 線控制命令發(fā)送時序圖。圖6是表示本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的天 線角編碼讀取時序圖。圖7是本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的總的控
9制方法的流程圖。圖8是本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片的總線通訊軟核處理器的主程序順序流程圖。圖9是本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片的總線通訊軟核處理器的中斷程序流程圖。圖10是本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片的測控軟核處理器的測控流程圖。圖11是本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片測控軟核處理器在正常工作模式的測控流程 圖。圖12是本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片的測控軟核處理器在故障工作模式的測控流 程圖。圖13是現(xiàn)有的星載微波輻射計的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻 射計控制系統(tǒng)及其控制方法進行詳細(xì)的說明。圖1是表示本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)組成 的框圖，如圖1所示，本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)由 FPGA芯片、電平轉(zhuǎn)換電路、1553通訊芯片及數(shù)據(jù)采集板和天線驅(qū)動接口插槽等組成。通過 FPGA芯片與通訊芯片、電平轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集板配合來實現(xiàn)星載微波輻射計的系統(tǒng)控 制，完成包括數(shù)據(jù)采集、遙測、RAD控制、天線控制和總線通訊的微波輻射計的系統(tǒng)功能。圖2是構(gòu)成本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的 FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)的框圖。如圖2所示，F(xiàn)PGA芯片包括總線通訊模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、測控 軟核處理器、天線驅(qū)動接口模塊、工作狀態(tài)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊，其中，總線通訊模塊，包括通訊軟核處理器和總線通訊接口，用于實現(xiàn)輻射計控制系統(tǒng) 跟地面的通訊功能，解讀地面發(fā)出的各種指令，將指令傳給其他各模塊，把測控軟核處理器 組織的遙感數(shù)據(jù)包等數(shù)據(jù)下傳給地面；數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于通訊軟核處理器和測控軟核處理器之間的數(shù)據(jù)包傳輸，包括 兩個先進先出存儲器，其中FIF01供測控軟核處理器采用循環(huán)寫入的方式寫入數(shù)據(jù)源包， 以備總線通訊模塊讀取；總線通訊模塊將衛(wèi)星控制指令和狀態(tài)信息采用刷新的方式寫入 FIF02,以備測控軟核處理器讀??；測控軟核處理器，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收總線通訊模塊傳送過來的工作參數(shù)幀， 提取衛(wèi)星總線控制器發(fā)送過來的各種指令，協(xié)調(diào)控制天線驅(qū)動接口模塊、工作狀態(tài)控制模 塊以及數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊的工作；同時提取這三個模塊產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)組織成為遙 感數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳給總線通訊模塊；天線驅(qū)動接口模塊，用于翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀 出的工作參數(shù)幀中提取的天線控制指令，根據(jù)天線控制指令產(chǎn)生相應(yīng)的天線掃描驅(qū)動控制 電路所需的控制信號，并翻譯天線部分產(chǎn)生的天線角度和狀態(tài)信號形成天線角編碼和天線 狀態(tài)信息，供測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；工作狀態(tài)控制模塊，用于翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀 出的工作參數(shù)幀中提取的內(nèi)部控制指令，譯碼后產(chǎn)生兩個頻段共5個通道的接收機的開關(guān) 機信號，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換輸出到接收機前端控制接收機的通電和斷電；同時實時更新各接收機的通電斷電狀態(tài)信息，供測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊，用于翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的 FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的數(shù)據(jù)采集指令，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集板DA部分的地址數(shù)據(jù)和控 制信號，滿足數(shù)據(jù)采集板DA的采集時序，獲得采集的微波輻射計五通道對地觀測數(shù)據(jù)、系 統(tǒng)定標(biāo)的熱輻射源溫度測量數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀器內(nèi)部環(huán)境溫度變化的儀器環(huán)境溫度測量數(shù)據(jù)和 N路AGC信號數(shù)據(jù)，供測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；同時，用于翻譯測控軟核處理 器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的AGC注入指令、數(shù)據(jù)和AGC 自動調(diào)整指令，產(chǎn)生的AGC控制信號經(jīng)過CMOS電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集板的AD/DA部分調(diào)節(jié)系 統(tǒng)增益，把系統(tǒng)增益控制在適當(dāng)范圍之內(nèi)。上述數(shù)據(jù)采集板由AD部分、DA部分和多路選通開關(guān)組成，測控軟核處理器通過數(shù) 據(jù)地址總線和控制信號對數(shù)據(jù)采集板進行控制，完成數(shù)據(jù)采集和AGC的控制等功能。數(shù)據(jù) 采集板及天線驅(qū)動接口插槽的信號接口如圖4所示。輸出LVDS差分信號驅(qū)動天線，各LVDS 信號的具體意義如表1所示。其中DTC是48位串行信號組成的天線的控制命令，它的發(fā)送 時序圖如圖5所示；DTM是48位串行信號組成的天線角編碼，它的讀取時序圖如圖6所示。表1 天線驅(qū)動接口模塊的接口
11
同標(biāo)準(zhǔn)的差別。數(shù)據(jù)的采樣點根據(jù)讀出的天線角編碼和采樣大周期確定，測控處理器一個 循環(huán)程序?qū)?yīng)一個采樣大周期，在對地觀測區(qū)內(nèi)，起始角度和終止角度分別對應(yīng)第一個和 最后一個面元的中心，每個采樣點的角度對應(yīng)各個面元的中心。每條掃描線共有98個采樣 點，采樣方法為等時間間隔采樣。熱源和冷空定標(biāo)區(qū)內(nèi)，設(shè)有3個采樣點。等時間間隔采樣。 采樣時，對應(yīng)每個采樣點接收一次天線角編碼，然后采集5個通道的定標(biāo)數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)采集板的DA部分，并經(jīng)過多路選通開關(guān)和CMOS的電平轉(zhuǎn) 換。其上的A/D芯片轉(zhuǎn)換速率為200kBPS。16比特雙極性輸出。最高位是符號位，1表示負(fù) 數(shù)；0表示正數(shù)。操作地址如表2所示。數(shù)據(jù)采集的操作過程為向多路開關(guān)片選地址FF28H 輸入OOH-ira，通道選擇之后首先啟動AD，即向地址FF00H或FF08H寫入任意值，然后查詢 busy信號先變高再變低后即可讀數(shù)。先向FF28H地址送數(shù)，送D7位為1讀高8位，D7位為 0讀低8位。表2 數(shù)據(jù)采集地址 1553通訊芯片是一款智能的控制芯片，通訊軟核處理器通過對1553通訊芯片的 內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)存儲區(qū)的讀寫就能完成與衛(wèi)星總線控制器(CTU)的通訊功能，通過1553 總線通訊，提供了高可靠性和高速率的數(shù)據(jù)傳輸，保證與地面的通訊通暢無阻。圖3是表示 本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息流向示意圖。 該圖3的數(shù)據(jù)信息流向圖清楚地描述了整個通訊的數(shù)據(jù)流向。圖3所示，在中斷程序中，總 線通訊模塊由中斷的方式(由通訊軟核處理器的中斷程序完成)，總線通訊模塊經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換從1553通訊芯片中讀取方式指令和總線下傳數(shù)據(jù)并組成工作參數(shù)幀，采用刷新的 方式寫入數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02，等待測控軟核處理器來讀?。辉谥鞒绦蛑?，總線通訊模塊 由循環(huán)的方式(即通訊軟核處理器主程序中的大周期為一個循環(huán)周期)讀出數(shù)據(jù)傳輸模塊 的由測控軟核處理器循環(huán)寫入FIF01的遙感數(shù)據(jù)包，從遙感數(shù)據(jù)包中提取有效數(shù)據(jù)組成載 荷源包和工程參數(shù)幀(如圖3所示的上傳數(shù)據(jù)與指令響應(yīng))，并經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換寫入1553 通訊芯片的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，然后置矢量寄存器的發(fā)送請求位通知1553通訊芯片，本控制系統(tǒng) 每個循環(huán)周期(2秒)給1553總線發(fā)送兩個遙感數(shù)據(jù)包，每包1024字節(jié)；每14秒發(fā)送一次 工程參數(shù)幀，每幀20個字節(jié)；總線控制模塊還將輻射計測控模塊產(chǎn)生的報警信號與本模塊 的報警信號合成后計數(shù)，累計8次報警后，經(jīng)LVDS發(fā)送芯片驅(qū)動遙測信號變?yōu)楫惓?；圖3所 示所述測控軟核處理器由循環(huán)的方式向FIF01寫入遙感數(shù)據(jù)包，等待總線通訊模塊讀?。?測控軟核處理器和總線通訊模塊都需要操作數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIFO，通過TCM_USE和RT_USE 兩個握手信號進行握手，防止同時操作同一個FIFO。另外，圖7是本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法的 流程圖。如圖7所示，本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法， 包括如下步驟1)當(dāng)衛(wèi)星總線控制器通過1553總線發(fā)送地面指令到各載荷設(shè)備時，指令中包含 有載荷設(shè)備編號，各載荷設(shè)備識別出自己的編號，把發(fā)送給自己編號的指令保存在所述通 訊芯片中，同時忽略掉不是發(fā)送給自己編號的指令；2)收到有效的指令后，所述通訊芯片經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換給所述FPGA芯片內(nèi)的總線 通訊模塊中的通訊軟核處理器發(fā)送一個中斷信號；3)所述通訊軟核處理器收到中斷信號后進入中斷處理程序，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換讀 取所述通訊芯片的中斷狀態(tài)寄存器，獲取中斷類別信息，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)和處理相應(yīng)的指 令，把各指令和數(shù)據(jù)組成工作參數(shù)幀；4)所述通訊軟核處理器經(jīng)所述FPGA芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸模塊將工作參數(shù)幀傳送給 所述FPGA芯片內(nèi)的測控軟核處理器，測控軟核處理器再把指令數(shù)據(jù)進行解碼；5)所述測控軟核處理器依據(jù)指令執(zhí)行天線驅(qū)動接口模塊、工作狀態(tài)控制模塊以及 數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊的動作；6)當(dāng)衛(wèi)星總線控制器不發(fā)送衛(wèi)星總線指令時，所述測控軟核處理器將各個功能部 分的工作狀態(tài)(包括接收機的狀態(tài)，天線的轉(zhuǎn)動模式和角度等)、已執(zhí)行過的指令、收到的 廣播消息和GPS數(shù)據(jù)、遙感觀測數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)等組織成為遙感數(shù)據(jù)包；7)所述測控軟核處理器將組織好的遙感數(shù)據(jù)包經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送給所述通訊 軟核處理器，所述通訊軟核處理器將有效數(shù)據(jù)提取，添加包頭包尾包序號等數(shù)據(jù)組織成為 衛(wèi)星總線控制器能夠識別的載荷源包；8)所述通訊軟核處理器將組織好的載荷源包寫入所述通訊芯片內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存 儲區(qū)，并置所述通訊芯片內(nèi)部的發(fā)送請求位為1，請求發(fā)送載荷源包數(shù)據(jù)；9)所述通訊芯片響應(yīng)發(fā)送請求，通過總線發(fā)送載荷源包至衛(wèi)星總線控制器，并置 所述通訊芯片內(nèi)部的發(fā)送請求位為0，清除發(fā)送請求。所述FPGA芯片包括總線通訊模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、測控軟核處理器、天線驅(qū)動接 口模塊、工作狀態(tài)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊，其中，
16
總線通訊模塊，用中斷的方式，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換通過1553通訊芯片接收衛(wèi)星控制 指令和狀態(tài)信息，將衛(wèi)星控制指令和狀態(tài)信息組成工作參數(shù)幀，采用刷新的方式寫入數(shù)據(jù) 傳輸模塊的FIF02，轉(zhuǎn)發(fā)給測控軟核處理器；讀出數(shù)據(jù)傳輸模塊的由測控軟核處理器循環(huán) 寫入FIF01的遙感數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)包的長度可以根據(jù)實際需要來定)；每個遙感數(shù)據(jù)包傳輸 周期經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換通過1553芯片向衛(wèi)星總線控制器發(fā)送兩個遙感數(shù)據(jù)包；每個工程參 數(shù)幀傳輸周期經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換通過1553芯片向衛(wèi)星總線控制器發(fā)送一次工程參數(shù)幀(工 程參數(shù)幀的長度可以根據(jù)實際需要來定)；將輻射計測控模塊產(chǎn)生的報警信號與本模塊的 報警信號合成后計數(shù)，累計N(該值可以根據(jù)實際需要來定)次報警后，經(jīng)LVDS發(fā)送芯片驅(qū) 動遙測信號變?yōu)楫惓?。?shù)據(jù)傳輸模塊，包括兩個先進先出存儲器，其中FIF01供測控軟核處理器采用循 環(huán)寫入的方式寫入數(shù)據(jù)源包，以備總線通訊模塊讀??；總線通訊模塊將衛(wèi)星控制指令和狀 態(tài)信息采用刷新的方式寫入FIF02，以備測控軟核處理器讀取。天線驅(qū)動接口模塊，翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀出的 工作參數(shù)幀中提取的天線控制指令，根據(jù)天線控制指令產(chǎn)生相應(yīng)的天線掃描驅(qū)動控制電路 所需的控制信號，經(jīng)LVDS發(fā)送芯片輸出N(N為8的倍數(shù))位串行LVDS信號(低壓差分信 號)，由于LVDS信號的抗干擾能力強，傳送速率最高可以達到100Mbps;每個循環(huán)周期經(jīng) LVDS接收芯片讀取(A+B+B)次{每個采樣點讀取一次，對地觀測時讀A(A的取值可以根據(jù) 實際需要來定)次，熱空定標(biāo)時讀B(B的取值可以根據(jù)實際需要來定)次，冷空定標(biāo)時讀 B(B的取值可以根據(jù)實際需要來定，冷空定標(biāo)的次數(shù)與熱空定標(biāo)的次數(shù)一致)}串行天線角 編碼和狀態(tài)信息并轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，詳見具體實施方式
第四段)，用于數(shù)據(jù)的后處理，輸入 信號為N(N為8的倍數(shù))位串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為N字節(jié)8位并行數(shù)據(jù)，經(jīng)LVDS接收芯片轉(zhuǎn)換 后的輸入為LVTTL電平。工作狀態(tài)控制模塊，翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀出的 工作參數(shù)幀中提取的內(nèi)部控制指令，譯碼后產(chǎn)生兩個頻段共5個通道的接收機的開關(guān)機信 號，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換輸出到接收機前端控制接收機的通電和斷電，輸出負(fù)脈沖信號，輸出 電流> 180mA;同時實時更新各接收機的通電斷電狀態(tài)信息，供測控軟核處理器讀取寫入 遙感數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊和測控軟核處理器配合，每個循環(huán)周期經(jīng)數(shù)據(jù)采集板的 AD部分和CMOS轉(zhuǎn)換采集一次微波輻射計N(N的取值可以根據(jù)實際需要來定)通道的對地 觀測數(shù)據(jù)(詳見具體實施方式
第四段)，輸入模擬地觀測信號經(jīng)AD量化轉(zhuǎn)換和CMOS電平 轉(zhuǎn)換后，變?yōu)檫m用于FPGA處理的LVTTL信號，數(shù)據(jù)采集的速率由AD的速率來定，由于FPGA 軟核處理器的速度很快，最高可以達到100Mbps的速度；每個循環(huán)周期經(jīng)數(shù)據(jù)采集板的AD 部分和CMOS轉(zhuǎn)換采集一次熱輻射源(黑體)溫度測量數(shù)據(jù)和一次冷輻射源溫度測量數(shù)據(jù) (詳見具體實施方式
第四段)，用于系統(tǒng)定標(biāo)，輸入N(N的取值可以根據(jù)實際需要來定)路 模擬溫度定標(biāo)源信號經(jīng)AD量化轉(zhuǎn)換和CMOS電平轉(zhuǎn)換后，變?yōu)檫m用于FPGA處理的LVTTL信 號；每個循環(huán)周期經(jīng)數(shù)據(jù)采集板的AD部分和CMOS轉(zhuǎn)換采集一次儀器環(huán)境溫度測量數(shù)據(jù)， 監(jiān)測儀器內(nèi)部環(huán)境溫度變化，輸入N(N的取值可以根據(jù)實際需要來定)路模擬儀器環(huán)境溫 度信號經(jīng)AD量化轉(zhuǎn)換和CMOS電平轉(zhuǎn)換后，變?yōu)檫m用于FPGA處理的LVTTL信號；每個循環(huán) 周期經(jīng)數(shù)據(jù)采集板的AD部分和CMOS轉(zhuǎn)換采集一次AGC信號，輸入N(N的取值可以根據(jù)實際需要來定)路模擬AGC信號經(jīng)AD量化轉(zhuǎn)換和CMOS電平轉(zhuǎn)換后，變?yōu)檫m用于FPGA處理的 LVTTL信號；通過測控軟核處理器從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取衛(wèi)星 總線控制器通過1553B總線發(fā)送過來的AGC注入指令、數(shù)據(jù)和AGC自動調(diào)整指令，產(chǎn)生AGC 控制信號經(jīng)CMOS轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集板的DA部分作DA轉(zhuǎn)換后輸出N(N的取值可以根據(jù)實際 需要來定)路模擬AGC信號，將系統(tǒng)增益控制在適當(dāng)范圍之內(nèi)。另外，圖8是本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片的總線通訊軟核處理器的主程序順序流 程圖。如圖8所示，總線通訊模塊的主程序順序流程包括a)系統(tǒng)開機后，先進行總線通訊模塊的初始化，其中包括通訊軟核處理器的初 始化、內(nèi)部RAM和外部RAM的初始化、通訊芯片的初始化以及FIF02的初始化等；b)判斷FIF02是否有可供讀取的遙感數(shù)據(jù)包，當(dāng)判斷出有可讀取的遙感數(shù)據(jù)包 時，則把FIF02的遙感數(shù)據(jù)包讀到通訊軟核處理器的RAM中并組成衛(wèi)星總線控制器可識別 的載荷源包等待發(fā)送；c)判斷通訊芯片的載荷源包存儲區(qū)是否為空，當(dāng)判斷出通訊芯片的載荷源包存儲 區(qū)為空且通訊軟核處理器的RAM中有等待發(fā)送的載荷源包時，開始把載荷源包寫入通訊芯 片的載荷源包存儲區(qū)，并置位通訊芯片的載荷源包發(fā)送請求位為1，等待通訊芯片的響應(yīng)；d)判斷發(fā)送工程參數(shù)幀的14秒計時是否已到，如果判斷出14秒計時已到，則組織 工程參數(shù)幀寫入通訊芯片的工程參數(shù)幀存儲區(qū)，并置位通訊芯片的工程參數(shù)幀發(fā)送請求位 為1，等待通訊芯片的響應(yīng)。e)將中斷程序中讀取的指令數(shù)據(jù)等組成工作參數(shù)幀，寫入FIF01中等待測控軟核 處理器讀取。圖9是本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片的總線通訊軟核處理器的中斷程序流程圖。如 圖9所示，總線通訊模塊的中斷過程包括如下步驟a)所述通訊軟核處理器接收到所述通訊芯片發(fā)出的中斷信號后，進入中斷程序。 首先開始保護中斷現(xiàn)場，包括寄存器A，R0, R1……，DPTR等；b)所述通訊軟核處理器讀取所述通訊芯片的中斷狀態(tài)寄存器和命令堆棧指針寄 存器，判斷中斷的類別，獲取相應(yīng)的指令類別、存儲地址和狀態(tài)字等信息。如果狀態(tài)字表示 接收消息完畢且無通訊錯誤，則解析通訊芯片的命令字，并讀取通訊芯片的指令和數(shù)據(jù)到 通訊軟核處理器的RAM中等待寫入FIF01。然后更新通訊芯片的命令堆棧指針，在處理完所 有的消息后返回通訊軟核處理器的主程序。圖10是本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片的測控軟核處理器的測控流程圖。圖11是 本發(fā)明控制系統(tǒng)的FPGA芯片測控軟核處理器在正常工作模式的測控流程圖。圖12是本發(fā) 明控制系統(tǒng)的FPGA芯片的測控軟核處理器在故障工作模式的測控流程圖。如圖10所示， 系統(tǒng)開機后，根據(jù)地面指令的數(shù)據(jù)注入識別出系統(tǒng)命令該裝置工作的模式，默認(rèn)為正常工 作模式，然后進入相應(yīng)工作模式的循環(huán)程序。如系統(tǒng)判斷該裝置故障的情況下，向該裝置發(fā) 出切換到故障工作模式的指令，則該裝置切換到故障工作模式的循環(huán)程序。如圖12所示， 在故障工作模式下，該裝置只執(zhí)行采集對地觀測數(shù)據(jù)、熱源定標(biāo)數(shù)據(jù)、冷空定標(biāo)數(shù)據(jù)打包下 傳和執(zhí)行地面注入的指令。所以在通訊錯誤的情況下本發(fā)明的控制系統(tǒng)仍能在錯誤模式下 工作，并保存數(shù)據(jù)以備恢復(fù)時傳輸。如圖11所示，在正常工作模式下，觀測控制軟件負(fù)責(zé)微波輻射計前端及各通道的
18電源控制、AGC的調(diào)整和設(shè)置、控制天線掃描驅(qū)動機構(gòu)、以及數(shù)據(jù)采集等工作。初始化之后 按照天線對定標(biāo)區(qū)和對地觀測區(qū)的的掃描時序來進行觀測。每個觀測周期的觀測順序是 熱源定標(biāo)區(qū)一冷空定標(biāo)區(qū)一對地觀測區(qū)一熱源定標(biāo)區(qū)。同時通過執(zhí)行內(nèi)部指令，天線控制 指令、調(diào)節(jié)AGC等操作對系統(tǒng)的工作狀態(tài)加以控制。通過調(diào)整AGC的大小，使系統(tǒng)對熱源的 輸出低于9. 0V，對冷空的輸出高于1. 0V。AGC的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)采集板的DA轉(zhuǎn)換，控制的數(shù) 據(jù)總線，地址總線和控制線同數(shù)據(jù)采集的總線一致，其操作的地址如表3所示，調(diào)整方式為 步進式調(diào)整，調(diào)整的步進間隔是2比特。表3 測控軟核處理器AGC操作地址 測控軟核處理器在工作過程中，通過接收并解釋執(zhí)行由地面注入的內(nèi)部指令來控 制各通道電源的開關(guān)狀態(tài)。通過注入程控指令方式，地面每次只注入一條指令；通過數(shù)據(jù)注 入方式，每次可以注入多條指令。執(zhí)行多條注入指令時，按指令從前到后的排列順序執(zhí)行。 連續(xù)執(zhí)行多條指令時，指令間的時間間隔大于1秒鐘。根據(jù)地面注入的天線指令，來控制天 線開始或者停止。內(nèi)部指令的操作為向相應(yīng)的地址及數(shù)據(jù)位發(fā)送邏輯1持續(xù)80ms士 10ms，連續(xù)執(zhí)行 多條指令，每條指令之間至少間隔1秒鐘時間延時。內(nèi)部指令的操作的數(shù)據(jù)地址總線同數(shù) 據(jù)采集的數(shù)據(jù)地址總線一致，其操作地址如表4所示。表4 測控軟件內(nèi)部指令操作地址 表5: 綜上所述，可以看出本發(fā)明的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)具有高可靠性、體積小、重量輕、功耗低、速度快等特點的，適用于系統(tǒng)可靠性要求很 高，同時對重量、體積、功耗又限制較大的系統(tǒng)。由于外圍電路具有LVDS和CMOS的電平轉(zhuǎn) 換，使該系統(tǒng)可以跟不同工藝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭配工作和為遠距離傳輸控制提供了接口。 系統(tǒng)易實現(xiàn)、易升級、易移植，具有較強的適應(yīng)性和可擴展性，只需要更改FPGA內(nèi)部的設(shè)計 電路和兩個51軟核處理器的ROM程序，就可以適應(yīng)不同任務(wù)的具體要求。
權(quán)利要求
一種基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制系統(tǒng)，包括通訊芯片、電平轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集板接口以及天線驅(qū)動接口插槽，其特征在于，還包括FPGA芯片，通過該FPGA芯片與所述通訊芯片、電平轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集板配合來實現(xiàn)星載微波輻射計的系統(tǒng)控制，完成包括數(shù)據(jù)采集、遙測、RAD控制、天線控制和總線通訊的微波輻射計的系統(tǒng)功能。
2.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述FPGA芯片包括總線通訊模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、測控軟核處理器、天線驅(qū)動接 口模塊、工作狀態(tài)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊，其中，所述總線通訊模塊，包括通訊軟核處理器和總線通訊接口，用于實現(xiàn)輻射計控制系統(tǒng) 跟地面的通訊功能，解讀地面發(fā)出的各種指令，將指令傳給其他各模塊，把所述測控軟核處 理器組織的包括遙感數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)下傳給地面；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于所述通訊軟核處理器和測控軟核處理器之間的數(shù)據(jù)包傳輸， 包括兩個先進先出存儲器，其中FIFOl供測控軟核處理器采用循環(huán)寫入的方式寫入數(shù)據(jù)源 包，以備總線通訊模塊讀??；總線通訊模塊將衛(wèi)星控制指令和狀態(tài)信息采用刷新的方式寫 入FIF02，以備測控軟核處理器讀??；所述測控軟核處理器，通過所述數(shù)據(jù)傳輸模塊接收所述總線通訊模塊傳送過來的工作 參數(shù)幀，提取衛(wèi)星總線控制器發(fā)送過來的各種指令，協(xié)調(diào)控制所述天線驅(qū)動接口模塊、工作 狀態(tài)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊的工作；同時提取這三個模塊產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù) 組織成為遙感數(shù)據(jù)包，通過所述數(shù)據(jù)傳輸模塊傳給所述總線通訊模塊；所述天線驅(qū)動接口模塊，用于翻譯所述測控軟核處理器輸出的從所述數(shù)據(jù)傳輸模塊的 FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的天線控制指令，根據(jù)天線控制指令產(chǎn)生相應(yīng)的天線掃描 驅(qū)動控制電路所需的控制信號，并翻譯天線部分產(chǎn)生的天線角度和狀態(tài)信號形成天線角編 碼和天線狀態(tài)信息，供所述測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；所述工作狀態(tài)控制模塊，用于翻譯所述測控軟核處理器輸出的從所述數(shù)據(jù)傳輸模塊的 FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的內(nèi)部控制指令，譯碼后產(chǎn)生兩個頻段共5個通道的接收 機的開關(guān)機信號，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換輸出到接收機前端控制接收機的通電和斷電；同時實時 更新各接收機的通電斷電狀態(tài)信息，供所述測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；所述數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊，用于翻譯所述測控軟核處理器輸出的從所述數(shù)據(jù)傳輸 模塊的FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的數(shù)據(jù)采集指令，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集板DA部分的地址數(shù) 據(jù)和控制信號，滿足數(shù)據(jù)采集板DA的采集時序，獲得采集的微波輻射計五通道對地觀測數(shù) 據(jù)、系統(tǒng)定標(biāo)的熱輻射源溫度測量數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀器內(nèi)部環(huán)境溫度變化的儀器環(huán)境溫度測量 數(shù)據(jù)和N路AGC信號數(shù)據(jù)，供所述測控軟核處理器讀取寫入遙感數(shù)據(jù)包；同時，用于翻譯所 述測控軟核處理器輸出的從所述數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀出的工作參數(shù)幀中提取的AGC注 入指令、數(shù)據(jù)和AGC自動調(diào)整指令，產(chǎn)生的AGC控制信號經(jīng)過CMOS電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集板 的AD/DA部分調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益，把系統(tǒng)增益控制在適當(dāng)范圍之內(nèi)。
3.一種基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法，包括如下步驟1)當(dāng)衛(wèi)星總線控制器通過1553總線發(fā)送地面指令到各載荷設(shè)備時，指令中包含有載 荷設(shè)備編號，各載荷設(shè)備識別出自己的編號，把發(fā)送給自己編號的指令保存在所述通訊芯 片中，同時忽略掉不是發(fā)送給自己編號的指令；2)收到有效的指令后，所述通訊芯片經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換給所述FPGA芯片內(nèi)的總線通訊 模塊中的通訊軟核處理器發(fā)送一個中斷信號；3)所述通訊軟核處理器收到中斷信號后進入中斷處理程序，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換讀取所 述通訊芯片的中斷狀態(tài)寄存器，獲取中斷類別信息，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)和處理相應(yīng)的指令，把 各指令和數(shù)據(jù)組成工作參數(shù)幀；4)所述通訊軟核處理器經(jīng)所述FPGA芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸模塊將工作參數(shù)幀傳送給所述 FPGA芯片內(nèi)的測控軟核處理器，測控軟核處理器再把指令數(shù)據(jù)進行解碼；5)所述測控軟核處理器依據(jù)指令執(zhí)行天線驅(qū)動接口模塊、工作狀態(tài)控制模塊以及數(shù)據(jù) 采集和AGC控制模塊的動作；6)當(dāng)衛(wèi)星總線控制器不發(fā)送衛(wèi)星總線指令時，所述測控軟核處理器將各個功能部分的 工作狀態(tài)，包括接收機的狀態(tài)以及天線的轉(zhuǎn)動模式和角度、已執(zhí)行過的指令、收到的廣播消 息和GPS數(shù)據(jù)、遙感觀測數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)組織成為遙感數(shù)據(jù)包；7)所述測控軟核處理器將組織好的遙感數(shù)據(jù)包經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送給所述通訊軟核 處理器，所述通訊軟核處理器將有效數(shù)據(jù)提取，添加包括包頭、包尾以及包序號的數(shù)據(jù)組織 成為衛(wèi)星總線控制器能夠識別的載荷源包；8)所述通訊軟核處理器將組織好的載荷源包寫入所述通訊芯片內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)， 并置所述通訊芯片內(nèi)部的發(fā)送請求位為1，請求發(fā)送載荷源包數(shù)據(jù)；9)所述通訊芯片響應(yīng)發(fā)送請求，通過總線發(fā)送載荷源包至衛(wèi)星總線控制器，并置所述 通訊芯片內(nèi)部的發(fā)送請求位為0，清除發(fā)送請求。
4.如權(quán)利要求3所述的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法，其特 征在于，所述FPGA芯片包括總線通訊模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、測控軟核處理器、天線驅(qū)動接 口模塊、工作狀態(tài)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊，其中，所述總線通訊模塊，用中斷的方式，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換通過1553通訊芯片接收的衛(wèi)星 控制指令和狀態(tài)信息，將衛(wèi)星控制指令和狀態(tài)信息組成工作參數(shù)幀，采用刷新的方式寫入 數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02，轉(zhuǎn)發(fā)給測控軟核處理器；讀出數(shù)據(jù)傳輸模塊的由測控軟核處理器 循環(huán)寫入FIFOl的遙感數(shù)據(jù)包；每個遙感數(shù)據(jù)包傳輸周期經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換通過1553芯 片向衛(wèi)星總線控制器發(fā)送兩個遙感數(shù)據(jù)包；每個工程參數(shù)幀傳輸周期經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換通 過1553芯片向衛(wèi)星總線控制器發(fā)送一次工程參數(shù)幀；將輻射計測控模塊產(chǎn)生的報警信號 與本模塊的報警信號合成后計數(shù)，累計N次報警后，經(jīng)LVDS發(fā)送芯片驅(qū)動遙測信號變?yōu)楫?常；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊，包括兩個先進先出存儲器，其中FIFOl供測控軟核處理器采用循 環(huán)寫入的方式寫入數(shù)據(jù)源包，以備總線通訊模塊讀??；總線通訊模塊將衛(wèi)星控制指令和狀 態(tài)信息采用刷新的方式寫入FIF02，以備測控軟核處理器讀??；所述天線驅(qū)動接口模 塊，翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀出的 工作參數(shù)幀中提取的天線控制指令，根據(jù)天線控制指令產(chǎn)生相應(yīng)的天線掃描驅(qū)動控制電路 所需的控制信號，經(jīng)LVDS發(fā)送芯片和天線驅(qū)動接口輸出N位串行LVDS信號；所述工作狀態(tài)控制模塊，翻譯測控軟核處理器輸出的從數(shù)據(jù)傳輸模塊的FIF02讀出的 工作參數(shù)幀中提取的內(nèi)部控制指令，譯碼后產(chǎn)生兩個頻段共5個通道的接收機的開關(guān)機信 號，經(jīng)CMOS電平轉(zhuǎn)換輸出到接收機前端控制接收機的通電和斷電，輸出負(fù)脈沖信號，輸出電流> 180mA ；同時實時更新各接收機的通電斷電狀態(tài)信息，供測控軟核處理器讀取寫入 遙感數(shù)據(jù)包；所述數(shù)據(jù)采集和AGC控制模塊和測控軟核處理器配合，每個循環(huán)周期經(jīng)數(shù)據(jù)采集板的 AD部分和CMOS轉(zhuǎn)換采集一次微波輻射計N通道的對地觀測數(shù)據(jù)，輸入模擬的觀測信號經(jīng) AD量化轉(zhuǎn)換和CMOS電平轉(zhuǎn)換后，變?yōu)檫m用于FPGA處理的LVTTL信號。
5.如權(quán)利要求3所述的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法，其特 征在于，所述總線通訊模塊的主程序順序流程包括a)系統(tǒng)開機后，先進行總線通訊模塊的初始化，包括通訊軟核處理器的初始化、內(nèi)部 RAM和外部RAM的初始化、通訊芯片的初始化以及FIF02的初始化；b)判斷FIF02是否有可供讀取的遙感數(shù)據(jù)包，當(dāng)判斷出有可讀取的遙感數(shù)據(jù)包時，則 把FIF02的遙感數(shù)據(jù)包讀取到通訊軟核處理器的RAM中并組成衛(wèi)星總線控制器可識別的載 荷源包等待發(fā)送；c)判斷通訊芯片的載荷源包存儲區(qū)是否為空，當(dāng)判斷出通訊芯片的載荷源包存儲區(qū)為 空且通訊軟核處理器的RAM中有等待發(fā)送的載荷源包時，開始把載荷源包寫入通訊芯片的 載荷源包存儲區(qū)，并置位通訊芯片的載荷源包發(fā)送請求位為1，等待通訊芯片的響應(yīng)；d)判斷發(fā)送工程參數(shù)幀的14秒計時是否已到，如果判斷出14秒計時已到，則組織工程 參數(shù)幀寫入通訊芯片的工程參數(shù)幀存儲區(qū)，并置位通訊芯片的工程參數(shù)幀發(fā)送請求位為1， 等待通訊芯片的響應(yīng)；e)將中斷程序中讀取的指令數(shù)據(jù)組成工作參數(shù)幀，寫入FIF01中等待測控軟核處理器 讀取。
6.如權(quán)利要求3所述的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法，其特 征在于，所述總線通訊模塊的中斷過程包括如下步驟a)所述通訊軟核處理器接收到所述通訊芯片發(fā)出的中斷信號后，進入中斷程序，首先 開始保護中斷現(xiàn)場，包括寄存器A，R0，R1……，DPTR ；b)所述通訊軟核處理器讀取所述通訊芯片的中斷狀態(tài)寄存器和命令堆棧指針寄存器， 判斷中斷的類別，獲取相應(yīng)的信息，包括指令類別、存儲地址和狀態(tài)字，如果狀態(tài)字表示接 收消息完畢且無通訊錯誤，則解析通訊芯片的命令字，并讀取通訊芯片的指令和數(shù)據(jù)到通 訊軟核處理器的RAM中等待寫入FIF01，然后更新通訊芯片的命令堆棧指針，在處理完所有 的消息后返回通訊軟核處理器的主程序。
7.如權(quán)利要求3所述的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法，其特 征在于，所述測控軟核處理器的處理過程如下a)系統(tǒng)開機后，根據(jù)地面指令的數(shù)據(jù)注入識別出系統(tǒng)命令的工作模式，這里，默認(rèn)為正常工作模式，并進入相應(yīng)工作模式的循環(huán)程序，如果系統(tǒng)判斷該處理器故障的情況下，則向該處理器發(fā)出切換到故障工作模式的指 令，接到指令后該處理器切換到故障工作模式的循環(huán)程序；b)在故障工作模式下，只執(zhí)行采集對地觀測數(shù)據(jù)、熱源定標(biāo)數(shù)據(jù)、冷空定標(biāo)數(shù)據(jù)打包 下傳和執(zhí)行地面注入的指令，從而使得控制系統(tǒng)在通訊錯誤的情況下仍能在錯誤模式下工 作，并保存數(shù)據(jù)以備恢復(fù)時傳輸；c)在正常工作模式下，負(fù)責(zé)微波輻射計前端及各通道的電源控制、AGC的調(diào)整和設(shè)置、控制天線掃描驅(qū)動機構(gòu)、以及數(shù)據(jù)采集工作，初始化之后按照天線對定標(biāo)區(qū)和對地觀測區(qū) 的的掃描時序來進行觀測，每個觀測周期的觀測順序是熱源定標(biāo)區(qū)一冷空定標(biāo)區(qū)一對地 觀測區(qū)一熱源定標(biāo)區(qū)，同時通過執(zhí)行內(nèi)部指令、天線控制指令以及調(diào)節(jié)AGC等操作對系統(tǒng) 的工作狀態(tài)加以控制。
8.如權(quán)利要求7所述的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法，其特 征在于，所述測控軟核處理器在正常工作模式下，通過調(diào)整AGC的大小，使系統(tǒng)對熱源的輸出 低于9. 0V，對冷空的輸出高于1. OV, AGC的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)采集板的DA轉(zhuǎn)換，控制的數(shù)據(jù)總 線，地址總線和控制線同數(shù)據(jù)采集的總線一致，調(diào)整方式為步進式調(diào)整。
9.如權(quán)利要求7所述的基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計的控制方法，其特 征在于，所述測控軟核處理器在工作過程中，通過接收并解釋執(zhí)行由地面注入的內(nèi)部指令來控 制各通道電源的開關(guān)狀態(tài)，通過注入程控指令方式，地面每次只注入一條指令；通過數(shù)據(jù)注 入方式，每次可以注入多條指令，執(zhí)行多條注入指令時，按指令從前到后的排列順序執(zhí)行， 連續(xù)執(zhí)行多條指令時，指令間的時間間隔大于1秒鐘，根據(jù)地面注入的天線指令，來控制天 線開始或者停止；內(nèi)部指令的操作為向相應(yīng)的地址及數(shù)據(jù)位發(fā)送邏輯1持續(xù)80ms士 10ms，連續(xù)執(zhí)行多條 指令，每條指令之間至少間隔1秒鐘時間延時，內(nèi)部指令的操作的數(shù)據(jù)地址總線同數(shù)據(jù)采 集的數(shù)據(jù)地址總線一致。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于FPGA軟核處理器技術(shù)的星載微波輻射計控制系統(tǒng)及其控制方法。該系統(tǒng)包括FPGA芯片、通訊芯片、電平轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集板接口以及天線驅(qū)動接口插槽，通過FPGA芯片與通訊芯片、電平轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集板配合來實現(xiàn)星載微波輻射計的系統(tǒng)控制，完成包括數(shù)據(jù)采集、遙測、RAD控制、天線控制和總線通訊的微波輻射計的系統(tǒng)功能。本發(fā)明的控制系統(tǒng)通過采用FPGA芯片來實現(xiàn)星載微波輻射計的控制電路部分，增加控制電路的集成性，組成的系統(tǒng)體積較小，功耗低，能適用于更高速率要求的數(shù)據(jù)處理而且可靠性高。并且由于FPGA的可編程性好，只需改動FPGA內(nèi)部的程序，就可以適用于不同需求的微波輻射計控制系統(tǒng)。
文檔編號G01S7/02GK101876699SQ20091008330
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者孫茂華, 張升偉, 李靖, 黃瑩珠 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心