基于DSP和FPGA的经纬仪控制系统设计

光电经纬仪作为一种高精度的空间位置测量设备，被广泛应用于海、陆、空武器测试靶场及天文观测和武器引导控制系统。它利用激光、红外、电视、雷达等探测器获得运动目标在其视场内与视场中心的偏差，再将它传输给伺服跟踪系统进行校正跟踪，使经纬仪瞄准该目标并引导其他跟踪设备，或者根据激光测距和经纬仪本身的位置数据计算出运动目标的精确轨迹[1-2]。目前，随着飞机、武器系统及测量系统的发展，安装可靠、灵活、轻型的光电跟踪设备已非常必要。采用嵌入式系统，尤其是基于DSP和FPGA的嵌入式模块，可以充分利用其自身优点进行小型化、低功耗和高可靠性的系统设计。本文通过对光电经纬仪的伺服跟踪系统研究，设计了一种基于DSP和FPGA的光电经纬仪伺服跟踪系统。

1 硬件平台构造

目前经纬仪伺服跟踪系统主要基于PC/104结构，具体结构如图1所示。它是通过引导主控计算机对运动目标完成捕获跟踪功能。在实际的伺服系统应用中，要在PC104上叠加多块控制电路板才能较好地运行。这样就会增加体积并降低系统的可靠性，且提高精度也很困难。



图1所示的PC104伺服系统由多个功能模块构成，主要包括主机模块、显示控制模块、数据采集和控制模块。选用不同种类和数量的功能模块通过堆叠式的PC104总线构成小型化的嵌入式系统，其可靠性随着功能模块的增多而降低，而且成本较高。

针对PC104光电经纬仪控制系统的不足，设计了一种以TI公司的TMS320F2812和ALTERA公司的FPGA芯片EP1C3T144作为主控制器的伺服系统。TMS320-F2812属于32 bit的定点DSP，其作为主要的电机控制芯片有丰富的外设及快速的运算能力，与用于控制方面的其他单片机或DSP相比，拥有明显的优势。能够满足高速跟踪控制系统的要求，并能运行较复杂的控制算法,取得较好的控制效果。

为了充分发挥TMS320F2812强大的控制功能，增加了FPGA芯片来协调DSP处理数据信号，使得多轴电机的控制及多接口实时通信变得很方便。ALTERA公司的EP1C3T144芯片应用广泛，可靠性较高，与TMS320F2812芯片相协调，能够获得较高的性价比。

基于DSP和FPGA的伺服控制系统主要由电源电路、DSP、FPGA核心处理器、串行通信接口、A/D转换电路、功率转换电路及一些辅助电路组成。电路结构如图2所示。



1.1 通信接口

DSP作为主控制芯片，通过各种通信接口与外设或FPGA联系。DSP外部数据通过数据总线可以进入DSP内进行处理，也可以先送到FPGA内部进行预处理，处理完后通过总线传给其他控制系统或DSP主控芯片进行后续处理。在系统的FPGA与DSP的数据交换主要采用DSP和FPGA之间的专用通信接口来处理。两者间通信可采用标准串行通信接口SPI。SPI接口是一种真正意义上的同步串行通信接口，它在2个传输单元之间进行数据传输时采用的是同一个时钟，可以达到很高的数据传输速率。

数据总线采用16 bit的宽度，DSP和FPGA都能利用该总线与外部设备或是上位机进行大量的数据交换。TMS320F2812有2路SCI接口，可以传输各种控制指令和控制状态信息。可以利用SCI接口采用RS422差分信号进行控制指令的接收及控制状态信息的反馈。

1.2 力矩电机控制电路

力矩电机作为主要的控制对象在该系统中直接采用TMS320F2812的PWM接口进行控制。TMS320F2812共有16路PWM输出接口供电机使用，通过控制PWM波的占空比来改变加在电机两端的电压，从而改变电机的转速。DSP发出的PWM波不能直接驱动电机运行，须经过IGBT进行功率转换。该系统采用了IR公司的IR2210作为功率芯片。它把驱动芯片和IGBT集成在一起，只要输入TTL信号就可以实现功率驱动，而且具有完整的隔离及过流过压保护功能。

1.3 信息显示电路

信息显示模块主要完成外来信号状态显示，如电机转速、角度等信息以及控制系统的故障信息显示。这对于系统的调试及自检都比较方便。采用OLED(有机发光二极管显示器)显示信息。显示模块VGS12864E由行驱动器、列驱动器和OLED显示屏组成。其主要控制电路通过FPGA的强大的逻辑控制功能实现，数据由DSP主控芯片或其他外设通信接口传送给FPGA后，再由FPGA根据要求送到OLED中显示。

1.4 功能扩展模块

由于FPGA拥有较多的I/O资源，因此便于扩展功能。如图2所示，FPGA可以协助DSP完成数据采集功能。这样由DSP和FPGA组成的系统可以同时采集多路信号，其中DSP芯片集成的12 bit A/D转换电路主要采集精度不太高的信号，采样后直接送入DSP内部进行处理。对于高精度的信号采样则通过FPGA外扩采样电路完成，并在FPGA内部进行信号的前期处理，处理后的信号可以通过与DSP的通信接口传送给DSP使用，也可以直接送到信息显示模块上显示，以方便调试。FPGA增加了故障提示电路，能把系统内发生的故障转换成相关量送给外部设备判断处理。同时FPGA增加了外部中断接口，可以让多个外设信号接入FPGA，然后才分时送给DSP进行处理，这样能充分利用系统资源，实现多路信号实时处理。