基于RT-Thread的Zynq-7000实时控制系统设计与实现

针对目前相控阵天线控制系统通讯高速、高实时、高稳定的需求,设计了一款基于Zynq-7000和RT-Thread操作系统的实时控制系统。首先从硬件方面讨论了系统的总体结构,在软件方面采用优先级抢占式的任务调度方式以及消息队列、信号量和邮箱等任务通信机制来确保实时性和可靠性;其次移植RT-Thread实时操作系统到Zynq-7000平台中,利用LwIP协议栈完成网络通信功能设计;最后构建了实验测试平台。测试结果表明:提出的基于Zynq-7000和RT-Thread的实时控制系统在网络传输方面具有低时延、低抖动和低丢包率的优点,保证了系统执行处理的实时性和稳定性。

一种带有升压结构的LC充电电源的设计

为使LC谐振充电方案具有更高的升压范围和提高其对供电电压的适应性,采用了一种带有升压结构的电路拓扑,使得LC谐振充电方案具有升压和降压工作能力,同时采用了基于能量实时检测的控制算法,使得该方案能够根据预设参数准确充电和放电,增强了对供电电压波动的适应能力。初步的实验结果表明,在供电电压波动的情况下,该电源能够完成升降压的调节,且最大电压偏差小于5 V。

基于三角形插片结构的紧凑型波导双工器

为满足高功率微波系统功率容量和紧凑化需求,提出了一种新型波导双工器。选用过模波导进行设计以提高功率容量,引入三角形金属插片结构谐振腔设计滤波器并在其间引入波导弯头以实现紧凑化。采用微波网络方法对滤波器进行理论分析并设计了两个工作在X波段的滤波器,选择终端短路法确定T型结尺寸并组成双工器。利用电磁仿真软件建模优化和仿真模拟,并对实物进行测试。仿真与测试结果表明,该波导双工器单通道工作时的功率容量分别大于0.11 GW和0.12 GW,两个通道的传输效率分别大于83.9%和82.4%,通道间隔离度大于20 dB。此外还可以根据需求增加滤波器阶数和引入更多的波导弯头以提高空间利用率。

步进电机控制系统建模及加减速曲线优化

为了优化步进电机开环控制系统,对其加减速曲线的控制性能进行了研究。以步进电机运行原理为基础,建立了两相混合式步进电机开环控制系统仿真模型,设计了一种与电机矩频特性更为符合且可以用于实时在线计算的抛物线型加减速曲线算法,并与典型的匀加减速曲线算法、指数型加减速曲线算法进行了仿真比较分析,最后进行了实验验证。仿真和实验结果均表明,在相同的控制周期内,抛物线型加减速曲线的最大无失步转动角度有了显著提高,同时其中间过程的位置跟踪误差和平衡位置处的残余振荡误差也较小。抛物线型加减速曲线具有更快速的动态响应能力,已在某相控阵列天线的单元相位控制中得到了应用。

FPGA在多轴步进电机控制器中的应用

提出一种应用现场可编程门阵列(FPGA)实现多轴步进电机控制器的方法。采用IP设计思想,步进电机的运动控制由硬件电路(步进电机IP核)实现,轨迹计算由同一芯片上的微处理器(NiosⅡ软核)实现,从而可以构建多轴步进电机控制器的可编程片上系统(SoPC系统)。利用VHDL硬件描述语言,设计了一种高性能步进电机IP核,并进行了仿真验证。为了验证该IP核的复用性,构建了一个4轴步进电机控制器的SoPC系统。实验结果表明,此系统可对多轴步进电机实现高精确度控制,每轴的运动是相互独立的,并且控制参数在线可编程。基于这种方式构建的系统,扩展方便、可移植性高、具有广泛的适用性,可用于多轴伺服系统的工业领域。

CAN总线应用层协议的研究与实现

在研究CAN协议的原理及应用技术的基础上,为了满足波控系统控制策略的需要,设计了CAN总线应用层协议。该协议对网络信息进行了分类,在CAN2.0B标准基础上重新定义了标识符域,并对数据编码、网络管理机制和物理接口等作了定义。介绍了所开发的基于CAN总线的控制网络。实际运行表明,该协议具有网络负载小、通讯实时性好和可靠性高的特点。

机械相控阵列天线的电机控制系统设计

为实现机械相控阵列天线的波束扫描,采用直流电机驱动螺旋天线单元转动来达到预定的辐射相位。利用数字信号处理芯片TMS320F2812设计了直流电机位置控制系统,介绍了控制系统的硬件设计方案、控制策略及软件设计方案。针对直流电机驱动的螺旋天线单元位置控制系统,研究了模糊PID控制算法,并把它应用到控制系统中。实验结果表明,所开发的位置控制系统结构简单,具有响应时间短、无位置超调、定位精度高等良好的控制性能,能够满足螺旋天线单元快速、准确的相位控制要求。

步进电机速度曲线的设计与FPGA实现

为了优化步进电机的开环控制性能,研究了几种常见的步进电机速度曲线。根据步进电机运行原理及运动学方程,推导出采用梯形速度曲线时加速阶段、匀速阶段和减速阶段每步的步进周期关系式。设计了一种基于梯形速度控制的高性能步进电机IP核,包括Avalon总线接口、位置检测、速度剖面生成、脉冲信号产生等算法模块,并规划了各运算模块的时序调度。利用Altera公司的DE0开发板进行了实验验证,实验结果符合预期的设计要求。

相控阵天线主控系统中实时数据交互

波束控制系统是高功率相控阵天线的神经中枢,负责天线阵面中所有单元相位的精确控制和状态监测任务。为实现天线阵面的快速、精确波束转换,采用分布式拓扑结构和嵌入式实时操作系统,设计了两级分布式波束控制方案,开发了基于VxWorks的相控阵天线主控系统。通过UDP协议实现主控系统与其他系统的多节点网络通讯;针对高速、实时通讯需求,利用VxWorks多任务编程接口,设计了一种基于双缓冲队列的Socket通讯方法;为使通讯被各方正确解析,制定了自定义的应用层协议。基于VxWorks的相控阵天线主控系统的开发应用,验证了方案的可行性以及控制软件的可靠性和稳定性。

相控阵天线内部通信的CAN控制器IP核设计

为实现相控阵天线波控系统小型化、芯片化的目的,设计了一种基于Avalon总线的CAN控制器IP核。参照CAN2.0B协议规范,给出了CAN控制器IP核的功能结构,利用Verilog硬件描述语言完成了控制器接口逻辑、位流处理器、位时序逻辑等模块设计,并进行了设备驱动及应用软件开发。将设计的CAN控制器IP核、Nios II微处理器、多个单元相位控制器IP核等集成到FPGA中构成子阵级波束控制的SoPC系统。最后对CAN总线的通信性能进行了实验测试。结果表明:设计的CAN控制器IP核能够在实际CAN网络中稳定可靠地收发数据。基于这种方式构建的系统,扩展方便、可移植性高、具有较强的适应性,也可用于高密度、紧凑型工业控制领域。

MPSoC在多轴伺服电机驱动器上的应用

针对单块芯片难以实现多轴伺服电机的独立、同步驱动控制问题,提出一种基于多处理器片上系统(MPSoC)的多轴伺服电机驱动控制方案。首先,采用软硬件协同设计技术实现单轴伺服电机的速度与电流环控制,将具有高实时性、控制算法相对单一的电流矢量控制算法以及信号采集和处理算法采用纯硬件逻辑实现,而具有强灵活性的速度环算法采用软件方式实现;其次,采用MPSoC的设计方法,在单片现场可编程门阵列(FPGA)之中集成了主控制器、多路单轴伺服驱动控制模块、网络通信等功能模块,构建了多轴伺服电机驱动控制片上系统;最后,搭建了两路实验系统,并进行了实验验证。实验结果表明,该方案可实现对两(多)路伺服电机的独立、同步驱动控制,电流环具有延时小,速度环具有响应快、滞后小的特征,验证了该方案的可行性与有效性。

基于VxWorks的时统卡驱动程序设计

某相控阵天线的主控计算机采用Vx Works实时操作系统,其时统卡用于校准主控计算机的系统时间,以实现不同系统间的同步控制。本文首先讨论了Vx Works下的I/O系统和设备驱动程序、应用程序之间的关系,然后结合时统卡驱动程序的开发实例,对Vx Works下的PCI设备驱动程序的框架进行了概要介绍,并详细介绍了各个模块的具体实现。实验结果表明,该设计正确实现了Vx Works下PCI设备的驱动程序,满足时统卡使用时的功能要求。

螺旋天线步进电机控制系统仿真及运行曲线优化

为实现机械相控阵列天线的波束扫描,采用步进电机驱动螺旋天线单元转动来达到预定的辐射相位。为了优化步进电机的开环控制,研究运行曲线对步进电机控制性能的影响,提高步进电机控制速度和精度。根据步进电机及控制系统的工作原理,建立了基于Simulink的步进电机开环控制系统仿真模型,并在此基础上对梯形和抛物线两种运行曲线进行了仿真研究。仿真结果表明,该仿真模型能精确实现两种运行曲线对步进电机的控制,在100 ms的控制周期内,采用梯形运行曲线步进电机的最大无失步转动角度能够达到270°,而采用抛物线运行曲线时其转动角度能够达到360°,抛物线运行曲线在开环控制系统中具有更高的控制速度。

用于阵列天线连续跟踪的步进电机控制器IP核设计

采用VHDL语言设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的步进电机控制器IP核,并在QuartusⅡ软件中进行了编译和仿真。该控制器采用了控制参数在线计算模块,使得阵列中每台步进电机都可以根据对应单元的相移量推算出各自的升降频曲线及脉冲发送时刻,从而保证阵列中各个电机的转动角度保持一定的关系,同时能有效地降低步进电机失步的风险。该控制器采用编码器反馈信息处理模块,对步进电机失步进行判断和校正。编译结果显示:通过合理设定数据位宽、重复利用乘法器、合理利用相邻脉冲发送间隔,控制器可以有效降低进行实时参数计算时的硬件资源使用量。测试结果表明,该控制器可以实现阵列天线波束连续跟踪。

92单元三角栅格径向线子阵馈电系统的设计和实验研究

以探索更多单元数的三角形栅格径向线子阵馈电系统为目的,对92单元子阵馈电系统进行了研究,提出了一种新型耦合探针,以满足馈电系统对耦合量及幅频特性的要求。对馈电系统微波能量不均匀分布引起的探针难以实现耦合量的等幅输出问题进行了分析,并给出了相应的解决方案。实验测试结果表明：馈电系统在中心频率2.856GHz处,驻波系数为1.1,各探针耦合量实现了近似等幅馈电;在2.76~2.92GHz带宽范围内,驻波系数小于1.5,各输出端口的幅频特性一致性较好。实验测试结果与仿真设计结果基本相符。

基于FPGA的多轴直流电机控制系统

为了实现机械相控阵列天线的波束扫描,采用微型直流电机驱动螺旋天线单元转动来达到预定的辐射相位,研究了一种基于单片FPGA的多轴直流电机控制系统。采用IP设计思想,直流电机的位置控制用纯硬件逻辑电路的形式(直流电机控制IP核)实现,总线通信及轨迹计算由同一芯片上的微处理器(Nios II软核)软件实现,从而容易构建多轴直流电机控制的片上系统。利用Verilog硬件描述语言,设计了一种高性能直流电机控制IP核,并进行了仿真验证。为了验证该IP核的复用性,构建了一个56轴直流电机控制的片上系统。实验结果表明,此系统可对各个直流电机实现快速精确控制,每轴的运动相互独立,并且控制参数在线可编程,控制一致性满足系统设计要求。基于这种方式构建的系统,扩展方便、可移植性高、具有较好的适用性,已在某相控阵列天线中得到了应用。

高功率过模圆波导到两路矩形波导功分器

基于模式匹配法分析了高功率过模圆波导到两路矩形波导功分器在传输过程中高阶模式的传输和反射问题,分析得到了高传输效率对过模圆波导的要求,并以此仿真设计了中心频率为2.88GHz的功分器,设计结果表明：在中心频率下反射系数为0.05,对应的圆波导TM01模到矩形波导TE10模传输效率大于99%,真空中功率容量为2.83GW;在2.82-2.94GHz的频带范围内反射系数小于0.1,对应的传输效率大于98%.

控制器局域网络总线在阵列天线中的应用

为控制数万单元的阵列天线,基于控制器局域网络(CAN)总线设计了一套多级通信系统。分析了CAN总线的拓扑结构,根据每路CAN的带负载能力设计了多级CAN总线通信网络的基本结构;基于Nios II软核处理器设计了CAN总线通信节点硬件电路;最后根据阵列天线控制功能的要求,基于CAN2.0B协议设计了应用层通信协议和应用程序。阵列天线波束扫描实验表明,通信系统满足500kbps以上传输速率的要求,通信时间抖动小于1ms,当阵列天线辐射峰值功率达到GW量级时仍可以有效控制天线系统。

印制电路板去耦网络优化设计

论文基于高频阻抗和瞬间能量传递分析印制电路板(PCB)去耦网络,指出常规设计方法不能使得去耦容量最大化和去耦网络自感最小化,未充分利用PCB自身和去耦电容,限制了去耦网络的性能;通过优化PCB层叠设计和直接在焊盘上过孔,增大了去耦网络容量,减小了去耦网络的自感,同时有利于紧凑化布局。仿真结果表明,优化后的去耦网络性能得到提升,PCB的电源完整性(PI)得到满足。

基于VxWorks的PCI设备驱动程序设计

阵列天线控制系统采用实时操作系统VxWorks,为了实现控制系统计算机与单元天线的通信,在控制系统计算机中采用PCI设备与单元天线通信,并且基于VxWorks实时操作系统开发了PCI设备的驱动程序。主要完成了板级支持包的修改、PCI设备的初始化,以及功能函数的设计。经试验验证,该驱动程序工作稳定可靠,可以应用于控制系统中。