關(guān)于SoPC的星載微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘 要： 應(yīng)用MC8051軟核處理器，在FPGA上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于軟核的輻射計(jì)的科學(xué)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)1553B總線將數(shù)據(jù)傳送到地面接收的采集系統(tǒng)。該方案在Xilinx公司FPGA芯片XC2V3000上得到了驗(yàn)證，滿足航天星載微波輻射計(jì)多通道高分辨率的要求。

微波輻射計(jì)是一種高靈敏度的接收機(jī)，其對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)和溫度等輔助數(shù)據(jù)的采集精度和速度都要求較高。片上可編程系統(tǒng)的高效性和靈活性可以充分滿足微波輻射計(jì)的高分辨率、高采樣率的多通道快速數(shù)據(jù)采集要求，提高了輻射計(jì)數(shù)據(jù)采集和控制的效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所述多通道高分辨率輻射計(jì)采集系統(tǒng)共16個(gè)輸入通道，Ch1~Ch16為16路采集通道輸入，采集模擬電平范圍為-10 V~10 V。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由多路選通AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA電路和通信電路3個(gè)部分組成，多路選通AD轉(zhuǎn)換電路部分由多路選通芯片ADG506ATQ和AD轉(zhuǎn)換芯片AD976A組成。通道采集電信號(hào)由ADG-506ATQ選擇需要采集的電信號(hào)輸出到AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣只需要使用1片AD芯片即可分時(shí)采集16個(gè)通道的信號(hào)，大大節(jié)省了AD的芯片數(shù)，降低了硬件的成本和復(fù)雜度。

AD976A是ADI公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有功耗低、速度快、精度高等特點(diǎn)，采集精度達(dá)到16 bit。單通道最高采樣速率達(dá)200 kS/s，16 bit的分辨率，最大積分非線性誤差僅為2 LSB，并可做到16 bit不失碼，在輸入電壓為-10 V~10 V的條件下達(dá)到的采集精度為0.003 V，高靈敏度的星載微波輻射計(jì)需要的采集精度為±3 mV，采用該芯片有效地保證了采集的精度。

1.1 MC8051 IP核的結(jié)構(gòu)

嵌入式片上可編程系統(tǒng)SoPC包括硬核處理器和軟核處理器兩種類型［1］，本星載輻射計(jì)多通道高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的處理器屬于軟核處理器。

MC8051 IP核頂層結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，核心由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、ALU、串行接口和控制單元各模塊組成。ROM 和RAM 模塊不包括于核心內(nèi)，處于設(shè)計(jì)的頂層，方便不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)及仿真。

圖3為綜合后時(shí)序報(bào)告的一部分，給出了Mc8051_core的時(shí)序?？梢钥吹?，雖然設(shè)計(jì)中處理器以12 MHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，但其最大路徑延時(shí)僅為3.359 ns，所以處理器軟核在此芯片中理論上最高可達(dá)到297.681 MHz的頻率。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)

1.2.1 FPGA部分電路設(shè)計(jì)

FPGA電路部分由兩個(gè)8051軟核、RAM和FIFO組成。其中第一個(gè)軟核處理器負(fù)責(zé)分時(shí)選擇16路通道的數(shù)據(jù)并控制AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，按順序存儲(chǔ)到FIFO中，供第二個(gè)8051軟核處理器讀取。第二個(gè)軟核處理器則負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)到FIFO的采集數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)格式形成數(shù)據(jù)包，通過(guò)BU65170控制的1553B總線下傳給地面接收站供后期使用和處理。1553B是目前通用的星上設(shè)備通信總線，通過(guò)該總線進(jìn)行通信保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

1.2.2 多通道AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

多通道選擇AD轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。電路的供電為±12 V兩路，輸入通道信號(hào)為±10 V的電壓，經(jīng)ADG506選通一路輸入到AD976，由8051核處理器給一個(gè)轉(zhuǎn)換脈沖啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后AD976的數(shù)據(jù)線即輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，再由8051核處理器讀取，存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部的FIFO里［2］。

1.2.3 1553B通信接口設(shè)計(jì)

1553B通信接口的實(shí)現(xiàn)選用了DDC′s ACE/Mini-ACE系列的BU-65170芯片。該芯片在FPGA和MIL-STD-1553B總線之間提供了完整、靈活的接口，完整的BC/RT/MT多協(xié)議、存儲(chǔ)器管理和中斷邏輯，4K×16字（每字16 bit）的靜態(tài)分配內(nèi)存作為到處理器總線的接口。本文選用的是BU-65170的遠(yuǎn)程終端模式（RT）［3］。

Bu-65170可選擇在12 MHz和16 MHz兩種時(shí)鐘頻率下工作，集成了編碼/解碼器，雙收發(fā)器和協(xié)議處理器，數(shù)據(jù)按一定的協(xié)議經(jīng)編碼/解碼器處理，通過(guò)雙收發(fā)器A/B 來(lái)完成與1553B總線間的數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)的傳輸速度最大可達(dá)1 Mb/s［4］。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，使用MedWin平臺(tái)。選擇匯編語(yǔ)言的原因是：它可以直接對(duì)寄存器進(jìn)行操作，與自定義的51軟核處理器可以進(jìn)行更好的配合。另外，匯編語(yǔ)言的每一條命令執(zhí)行時(shí)間可以準(zhǔn)確判斷，這使其可以更好地滿足設(shè)計(jì)中對(duì)于精確時(shí)間控制的要求。

指令執(zhí)行時(shí)間為1~4個(gè)時(shí)鐘周期，如果采用12 MHz頻率的時(shí)鐘，一個(gè)時(shí)鐘周期為83 ns左右。兩個(gè)8051核處理器之間有一個(gè)握手的過(guò)程，其中采集8051軟核處理器會(huì)給出一個(gè)通知讀取數(shù)據(jù)包的中斷信號(hào)，通知通信的8051軟核處理器讀取FIFO的采集數(shù)據(jù)包。采集軟核處理器程序流程圖如圖5所示，F(xiàn)PGA程序流程圖如圖6所示。

采用最通用Modelsim進(jìn)行仿真。圖7為FIFO數(shù)據(jù)讀寫(xiě)仿真結(jié)果。兩幅圖中自上至下的信號(hào)依次為輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、空標(biāo)識(shí)、滿標(biāo)識(shí)、半滿標(biāo)識(shí)、讀時(shí)鐘、讀使能、寫(xiě)時(shí)鐘、寫(xiě)使能。圖7（a）為向FIFO寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程，讀時(shí)鐘不變，空標(biāo)識(shí)在有數(shù)據(jù)輸入之后變?yōu)椤?’。圖7（b）為從FIFO讀數(shù)據(jù)的過(guò)程，在半滿標(biāo)識(shí)有效后，通信模塊處理器開(kāi)始輸出讀時(shí)鐘讀出數(shù)據(jù)。從圖中可以看到寫(xiě)入和讀出的數(shù)據(jù)相符。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真與調(diào)試

圖8是對(duì)BU-65170芯片寄存器區(qū)寫(xiě)入初始化參數(shù)的一部分。圖中S_SELECT信號(hào)為片選信號(hào)，strbd為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，最后一組信號(hào)為寫(xiě)入數(shù)據(jù)。由于持續(xù)為寫(xiě)狀態(tài)，所以RD信號(hào)保持不變。

結(jié)果表明，F(xiàn)PGA各模塊工作正常，符合設(shè)計(jì)要求。

本文結(jié)合航天應(yīng)用的星載微波輻射計(jì)工程實(shí)現(xiàn)的要求，討論了基于微波輻射計(jì)的多通道、高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理，并采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和片上可編程系統(tǒng)SoPC的8051軟核處理器實(shí)現(xiàn)了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和FPGA模塊設(shè)計(jì)，進(jìn)行了部分模塊的功能仿真和時(shí)序仿真，通過(guò)了系統(tǒng)調(diào)試仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目的。

參考文獻(xiàn)

［1］ 郭兵，沈艷，林永宏，等.SoC技術(shù)原理與應(yīng)用［M］。北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］ 孫茂華，鄭震藩，張升偉，等。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制的冗余設(shè)計(jì)方案［J］。遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22（2）：147-151.

［3］ DDC公司.ACE/Mini-ACE series BC/RT/MT advanced communication engine Integrated 1553 terminal user′s guide［Z］.2007.

［4］ DDC公司.MIL-STD-1553 designer′s guide［Z］.1998.

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