SAR(specific absorption rate, 電磁波吸收比值)天線平臺(tái)從機(jī)載慣性導(dǎo)航設(shè)備獲得飛機(jī)的即時(shí)偏流角、俯仰角、滾動(dòng)角數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)控制天線平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)在方向位保持與飛行地速方向一致，在俯仰和滾動(dòng)方向保持水平。天線平臺(tái)的跟蹤性能的好壞，將直接影響SAR的成像質(zhì)量，所以有必要對(duì)天線平臺(tái)的伺服性能進(jìn)行測(cè)試。
本文介紹了一種基于PXI總線技術(shù)的SAR天線穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)試模塊。該測(cè)試模塊是SAR天線平臺(tái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)，主要完成仿真轉(zhuǎn)臺(tái)位置信號(hào)解碼及輸出、平臺(tái)跟蹤誤差信號(hào)采集以及信號(hào)分析處理等功能。
PXI總線技術(shù)簡介
PXI總線技術(shù)是NI發(fā)布的一種全新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范，是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。PXI總線與臺(tái)式PCI規(guī)范具有完全相同的性能，是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。它通過增加用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于進(jìn)行精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線以及用于相鄰模塊間高速通訊的局部總線來滿足試驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求。PXI規(guī)范在CompactPCI機(jī)械規(guī)范中增加了環(huán)境測(cè)試和主動(dòng)冷卻要求，以保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。它定義Microsoft Windows NT 和Windows 95為其標(biāo)準(zhǔn)軟件框架，并要求所有的儀器模塊都必須帶有按VISA規(guī)范編寫的Win32設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序， 使PXI成為一種系統(tǒng)級(jí)規(guī)范，保證系統(tǒng)的易于集成與使用，從而進(jìn)一步降低最終用戶的開發(fā)費(fèi)用。
測(cè)試模塊的結(jié)構(gòu)
作為基于Windows平臺(tái)的PXI總線測(cè)試卡，該儀器模塊包括PXI插卡和主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序軟件兩部分。PXI插卡負(fù)責(zé)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理，主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)通信。
PXI插卡的結(jié)構(gòu)
PXI插卡從功能上分為增量式編碼器解碼模塊、RS-232接口模塊、DSP主處理器以及PXI總線接口三部分，該測(cè)試卡的結(jié)構(gòu)如圖1所示。增量式編碼器解碼模塊與422差分接收器配合，用于天線仿真轉(zhuǎn)臺(tái)兩軸位置數(shù)據(jù)的解碼；DSP主處理器完成測(cè)試數(shù)據(jù)的處理，PXI接口模塊主要完成PCI總線信號(hào)到本地總線的轉(zhuǎn)換接口；RS-232接口模塊接受PSD(光敏位置探測(cè)器)的串行輸出信號(hào)，PSD在測(cè)試系統(tǒng)中用于探測(cè)天線平臺(tái)的跟蹤仿真轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的誤差。
圖1 PXI插卡的結(jié)構(gòu)
PSD串行輸出信號(hào)的讀取
測(cè)試系統(tǒng)采用PSD處理電路通過標(biāo)準(zhǔn)異步串口每5ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，用TI TMS320VC5510作為主處理器，滿足了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的要求(內(nèi)部有多達(dá)176KB RAM)，但它只有用于同步通信的McBSP，不能直接實(shí)現(xiàn)異步串行通信，需要配合DSP的DMA通道通過軟件實(shí)現(xiàn)異步通信。將PSD發(fā)送的每一個(gè)字節(jié)作為一幀數(shù)據(jù)，以起始位的下降沿作為幀同步信號(hào)，采用過采樣的方法，將每一位(包括起始位)作為一個(gè)16位Word，停止位僅采8位WORD。將一個(gè)字節(jié)通過DMA通道緩沖到固定緩沖區(qū)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)(10個(gè)WORD)全部采完之后，發(fā)送DMA中斷通知DSP進(jìn)行處理。對(duì)于串行通信普遍存在的開機(jī)錯(cuò)位亂碼現(xiàn)象，通過對(duì)特殊位的判斷進(jìn)行丟棄處理。
增量式編碼器解碼模塊設(shè)計(jì)
該測(cè)試模塊需要從天線平臺(tái)測(cè)試仿真轉(zhuǎn)臺(tái)接受平臺(tái)的位置信息，在各類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，常采用增量式光電編碼器作為反饋檢測(cè)元件，其輸出為相差90度的A、B兩相信號(hào)以及周期脈沖復(fù)位信號(hào)Z，A、B兩相信號(hào)相差的正負(fù)決定運(yùn)動(dòng)的正反方向，A、B兩相信號(hào)的脈沖輸出計(jì)數(shù)決定位置運(yùn)動(dòng)的大小，Z為過零復(fù)位脈沖。整個(gè)解碼邏輯設(shè)計(jì)如圖2所示，由于該測(cè)試系統(tǒng)采用的仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的位置信息有方位、橫滾兩個(gè)方向，需要兩組解碼器分別解碼兩個(gè)方向的位置信息。
圖2 解碼邏輯設(shè)計(jì)
主處理器的工作流程
DSP是該測(cè)試卡的關(guān)鍵部件，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、模擬慣導(dǎo)數(shù)據(jù)產(chǎn)生以及與上位機(jī)通信等任務(wù)。DSP以PSD發(fā)送數(shù)據(jù)為時(shí)間基準(zhǔn)，接收到PSD每隔5ms發(fā)來的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)后，首先通過EMIF(Extern Memory Interface，外部存儲(chǔ)器接口)從增量式編碼器解碼模塊中讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，經(jīng)比例運(yùn)算轉(zhuǎn)換成兩個(gè)16位角度量后，存儲(chǔ)并通過EMIF接口發(fā)送給外部的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)模擬模塊，轉(zhuǎn)換成慣導(dǎo)輸出的自整角機(jī)信號(hào)發(fā)送給穩(wěn)定平臺(tái)。為了保證連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DSP的DARAM(Dual -Access RAM，雙口RAM)中，并采用乒乓式的存儲(chǔ)(即有兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)其中一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)滿之后，通過PXI總線向上位機(jī)發(fā)中斷，然后開始向另一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)寫入數(shù)據(jù))。我們?cè)O(shè)定每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)1000組數(shù)據(jù)(每組包括電控轉(zhuǎn)臺(tái)方位、橫滾姿態(tài)以及平臺(tái)在這兩個(gè)方向上的跟蹤誤差4個(gè)數(shù)據(jù))，故每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)包括4000Words。
PXI總線接口硬件設(shè)計(jì)
本測(cè)試卡使用DSP的16位EHPI(Enhanced Host-Port Interface，增強(qiáng)主機(jī)接口)與PCI 9030芯片的Local總線相連，EHPI可以通過DMA控制器在不干擾DSP系統(tǒng)正常工作的情況下讀取DSP內(nèi)部DARAM，內(nèi)部SARAM(Single－Access RAM，單口RAM)以及部分CE0片選的外部存儲(chǔ)空間，多達(dá)1MB。這樣上層計(jì)算機(jī)既可以通過PXI總線在DSP內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)獲取所需要的測(cè)試數(shù)據(jù)，而不至于影響DSP的正常工作。
PXI總線接口驅(qū)動(dòng)程序
該測(cè)試模塊工作在Windows 2000操作系統(tǒng)中，需要開發(fā)相應(yīng)的WDM驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)程序主要完成訪問PCI 9030配置空間、訪問DSP內(nèi)存空間以及中斷處理、應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序的通信3個(gè)功能。DSP采用兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行乒乓式的存儲(chǔ)，當(dāng)一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后就通過PXI總線向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷，驅(qū)動(dòng)程序處理中斷，并讀取該DSP存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)。
考慮到采用面向?qū)ο蟮尿?qū)動(dòng)程序框架，簡化驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)過程，這里選用基于Windows DDK作為底層支持的DriverWorks作為驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)平臺(tái)，其中的DriverWizard向?qū)Чぞ咴赩C環(huán)境中可以建立驅(qū)動(dòng)程序的框架，這里主要介紹一些驅(qū)動(dòng)程序中的幾個(gè)功能模塊。
(1)訪問9030配置空間。在生成驅(qū)動(dòng)程序框架的時(shí)候已為9030的配置寄存器聲明了所需的存儲(chǔ)器映射資源，產(chǎn)生一個(gè)KMemoryRange類實(shí)例m_MemoryRange，這個(gè)類在驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)獲得9030硬件寄存器配置空間的地址范圍，這樣就可以使用該實(shí)例的inb和outb分別實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件寄存器的讀寫操作。
(2)訪問DSP內(nèi)存空間以及中斷處理，即對(duì)DSP存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行讀寫操作。在生成驅(qū)動(dòng)程序框架的時(shí)候已為9030的局部總線空間申明了所需的存儲(chǔ)器映射資源，產(chǎn)生一個(gè)KMemoryRange類實(shí)例m_LocalAddSpace0，這個(gè)類在驅(qū)動(dòng)程序初始化的時(shí)候獲得9030的局部總線地質(zhì)空間的系統(tǒng)地址范圍；同時(shí)驅(qū)動(dòng)程序也產(chǎn)生一個(gè)KDeferredCall類的實(shí)例m_DpcFor_Irq，用于調(diào)用中斷延遲處理程序DpcFor_Irq()。當(dāng)測(cè)試卡產(chǎn)生中斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序捕獲中斷，作相應(yīng)處理之后通過m_DpcFor_Irq調(diào)用DpcFor_Irq()。在DpcFor_Irq()中，通過m_LocalAddSpace0的inb和outb對(duì)DSP存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行讀寫操作。把讀到的數(shù)據(jù)存放在事先申請(qǐng)的系統(tǒng)緩沖區(qū)(這里只涉及到讀操作)。
(3)應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的通信。首先應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的讀寫例程Read()(這里只涉及到讀操作)。由Read()例程中調(diào)用StartIo()對(duì)讀請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)，以避免讀寫操作沖突。由StartIo()調(diào)用SerialRead()例程進(jìn)行具體的讀操作，即把事先申請(qǐng)的系統(tǒng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到用戶緩沖區(qū)，完成所要求的讀操作。
結(jié)語
作為機(jī)載SAR天線平臺(tái)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的核心，該模塊以主流的儀器總線PXI總線為載體，保證了測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工業(yè)級(jí)要求，通過標(biāo)準(zhǔn)串行接口讀取平臺(tái)伺服系統(tǒng)的響應(yīng)(誤差)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平臺(tái)靜態(tài)跟蹤誤差的測(cè)試和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。這些關(guān)鍵技術(shù)是該自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的基礎(chǔ)，同時(shí)也使該模塊不僅具有獨(dú)立于測(cè)試系統(tǒng)的通用性，而且具有對(duì)不同類型機(jī)載SAR穩(wěn)定平臺(tái)的通用性。實(shí)際測(cè)試證明，該模塊實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能，能夠可靠的工作。
參考文獻(xiàn)：
１．張澄波．“合成孔徑雷達(dá)的原理、系統(tǒng)分析及應(yīng)用“．科學(xué)出版社， 1989
２． ”PXI Specification“，PXI System Alliance，2000.8
3．”PCI 9030 Data Book“，PLX Technology， 2002
4．武安河．”Windows 2000/XP WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)(第2版)“，電子工業(yè)出版社 2005.5
