一種基于FPGA的方位增量碼產(chǎn)生方法

范越 周暉

關(guān)鍵詞：方位角碼;增量碼;FPGA;RS422

0引言

雷達(dá)工作時(shí)，顯控系統(tǒng)需要從伺服系統(tǒng)接收天線的方位角碼。天線使用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為軸角傳感器，經(jīng)粗精通道解碼組合后生成16位的天線方位角，提取出高12位作為給顯控系統(tǒng)的方位角碼。如果用并行接口來傳輸，且采用差分方式抑制共模干擾，則需要24根線，線纜數(shù)量較多，不利于安裝調(diào)試且可靠性差。如果采用其他接口協(xié)議，在某些硬件條件不允許的情況下無法實(shí)現(xiàn)，而且艦船航向角變化有時(shí)會引起方位角跳變，不能直接使用。因此，需要在只有普通差分接口的條件下，將并行方位角碼轉(zhuǎn)換成串行的脈沖信號。

本文提出一種在FPGA中將并行12位（或更高）的方位角碼信號經(jīng)過補(bǔ)脈沖轉(zhuǎn)換成串行的4096（或更多）個(gè)脈沖的增量碼信號，然后使用RS422接口發(fā)送，簡化線路，傳輸方便可靠。

1天線舷角和航向角產(chǎn)生原理

伺服系統(tǒng)使用通用型高速、高精度軸角轉(zhuǎn)換技術(shù)，針對高精度雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器和平臺羅經(jīng)航向角信號，運(yùn)用小型化雙通道軸角轉(zhuǎn)換模塊，利用大規(guī)模可編程邏輯器件的高速處理能力，運(yùn)用硬件描述語言，通過軟件現(xiàn)場調(diào)節(jié)的方法適應(yīng)傳感器的任意速比的組合糾錯(cuò)處理。其轉(zhuǎn)換速率快、實(shí)時(shí)性好、精度高，能夠適應(yīng)各種雷達(dá)或電子對抗設(shè)備需要;電路的集成度高，便于嵌入式崗十;可靠性高，適應(yīng)各種嚴(yán)苛的環(huán)境要求。天線舷角和航向角產(chǎn)生原理如圖1所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器的粗精通道比為1：32，RDC轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的分辨率為14位。由于粗精通道比為1：32，粗通道的第8、第7位數(shù)據(jù)R8R7正好對應(yīng)精通道的最高兩位數(shù)據(jù)F13F12，當(dāng)R8R7為“11”時(shí)，F(xiàn)13F12為“00”時(shí)，將粗通道的高5位數(shù)據(jù)加1;當(dāng)R8R7為“00”時(shí)，F(xiàn)13F12為“11”時(shí)，將粗通道的高5位數(shù)據(jù)減1;然后將粗通道的高5位數(shù)據(jù)和精通道的高11位組合得到16位天線舷角碼。

航向角信號的粗精通道比為1：36，SDC轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的分辨率為14位。由于粗精通道比36不是2的n次方，所以只能通過將粗通道數(shù)據(jù)左移5位（乘以32）加上粗通道數(shù)據(jù)先左移2位（乘以4）得到與精通道量綱一致的數(shù)據(jù)。設(shè)這個(gè)數(shù)據(jù)為da-ta_temp[18-0]。判斷data temp的第13、第12位數(shù)據(jù)data_tempi312和精通道的最高兩位數(shù)據(jù)F13F12，當(dāng)data_tempi312為“11”時(shí)，F(xiàn)13F12為“00”時(shí)，將data_temp的高5位數(shù)據(jù)加1;當(dāng)data_templ312為“00”時(shí)，F(xiàn)13F12為“11”時(shí)，將data_temp的高5位數(shù)據(jù)減1;然后將dat_temp的高5位數(shù)據(jù)和精通道的高11位組合得到16位天線舷角碼。

通過FPGA控制雙通道RDC轉(zhuǎn)換器，將旋轉(zhuǎn)變壓器的粗精通道信號轉(zhuǎn)換后讀取，經(jīng)過粗精通道組合糾錯(cuò)處理后得到16位的天線舷角碼。同時(shí)FPGA控制雙通道SDC轉(zhuǎn)換器，將平臺羅經(jīng)的航向角粗精通道信號轉(zhuǎn)換后讀取，經(jīng)過粗精通道組合糾錯(cuò)處理后得到16位的航向角碼。

2方位角碼跳變原理

天線的方位角等于天線的舷角加上船的航向角，當(dāng)船在調(diào)舷時(shí)，如果航向角的變化方向與天線旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，方位角就可能出現(xiàn)跳變的現(xiàn)象，因此無法通過方位角直接產(chǎn)生增量脈沖，需要在跳變的時(shí)候補(bǔ)脈沖確保天線轉(zhuǎn)一圈4096個(gè)脈沖不丟失。跳變現(xiàn)象如圖2所示。

天線的方位角合成是在時(shí)鐘CLK的上升沿進(jìn)行的，當(dāng)?shù)?個(gè)CLK的上升沿到來時(shí)，天線舷角為0，航向角為2，方位角即2（0+2）;當(dāng)?shù)?個(gè)CLK的上升沿到來時(shí)，天線舷角為0，航向角變?yōu)?，方位角即3（0+3），未發(fā)生跳變;當(dāng)?shù)?個(gè)CLK的上升沿到來時(shí)，天線舷角變?yōu)?，航向角為3，方位角即4（1+3），未發(fā)生跳變;當(dāng)?shù)?個(gè)CLK的上升沿到來時(shí)，方位角保持4不變;當(dāng)?shù)?個(gè)CLK的上升沿到來時(shí)，天線舷角和航向角同時(shí)發(fā)生變化，天線舷角從1變成2，航向角從3變成4，方位角直接從4跳到6。此時(shí)如果將方位角碼直接給顯控系統(tǒng)使用則會產(chǎn)生問題。因此需要判斷是否跳變并補(bǔ)碼產(chǎn)生增量碼。

3增量碼生成原理

增量碼脈沖生成的原理如圖3所示。

原始的方位角碼有16位，根據(jù)顯控系統(tǒng)的需求，取原始方位角碼的高12位使用來產(chǎn)生增量碼。本系統(tǒng)中使用的是10 MHz的時(shí)鐘，12位的方位角碼FW經(jīng)過1個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)得到FWT，將這2個(gè)方位角碼作差比較得出天線方位角度的變化量，如果差值為0，不產(chǎn)生脈沖;如果為1，產(chǎn)生1個(gè)脈沖;如果為2，則說明方位角發(fā)生了跳變，產(chǎn)生2個(gè)脈沖;如果為3，則產(chǎn)生3個(gè)脈沖。考慮到船的調(diào)舷速度，不用考慮跳變3個(gè)脈沖以上的情況。

4 FPGA實(shí)現(xiàn)

伺服系統(tǒng)以大規(guī)模可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA作為系統(tǒng)的信號處理、I/O和總線管理核心。使用ALTERA公司的Cyclone系列芯片EPlC6Q24017，本芯片包含5980個(gè)邏輯單元，片內(nèi)存儲器92 160 bit，2個(gè)鎖相環(huán)。使用VHDL語言進(jìn)行編程。增量碼生成模塊內(nèi)部如圖4所示。

延時(shí)模塊是將方位角碼延時(shí)1個(gè)時(shí)鐘周期輸出，其中CLK為10 MHz時(shí)鐘，fw為12位的原始方位角碼，輸出fwt。

比較模塊是將當(dāng)前方位角碼fw和前1個(gè)時(shí)鐘周期的方位角碼fwt作差比較，如果發(fā)生變化，變化標(biāo)志位fwbi置1，將變化差值fw-fwt賦給n輸出。否則變化標(biāo)志位fwbi置0，n輸出保持不變。

在FPGA中經(jīng)過延時(shí)模塊、比較、脈沖生成、增量碼合成后產(chǎn)生增量碼，集成為如圖5所示的“增量碼生成”模塊，將得到的增量碼經(jīng)過脈寬調(diào)整模塊調(diào)整為所需要的脈沖寬度（10μs），最后發(fā)送出去。

5硬件電路原理

使用RS422接口發(fā)送增量碼信號的電路原理圖如圖6所示。

FPGA產(chǎn)生增量碼后，經(jīng)過10口輸出，通過RS422發(fā)送芯片AM26LV31轉(zhuǎn)換為差分信號發(fā)送給顯控系統(tǒng)，經(jīng)過差分接收芯片AM26LV32接收使用。

6結(jié)束語

本文介紹了使用高速、高精度軸角轉(zhuǎn)換技術(shù)針對高精度雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器和平臺羅經(jīng)航向角信號的組合糾錯(cuò)處理方法，得到16位方位角碼后，分析了其產(chǎn)生跳變的原理，并最終提出了一種在FPGA中將并行12位的方位角碼信號經(jīng)過補(bǔ)脈沖轉(zhuǎn)換成串行的4096個(gè)脈沖的增量碼信號的方法，大大精簡了傳輸線纜數(shù)量，提高可靠性。該方法已在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用，完全符合系統(tǒng)工作要求，運(yùn)行良好，證明了方法的有效性。