祝本明，袁 強(qiáng)，周玉昆

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽(yáng)621000）

基于FPGA的手持式標(biāo)校終端設(shè)計(jì)

祝本明，袁 強(qiáng)，周玉昆

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽(yáng)621000）

針對(duì)武器系統(tǒng)精度隨使用時(shí)間而產(chǎn)生漂移，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的手持式標(biāo)校終端。手持式標(biāo)校終端由手持式機(jī)箱、電源模塊、電池模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊等部分組成，是為某系統(tǒng)提供檢驗(yàn)所需的射頻信號(hào)，主要對(duì)系統(tǒng)射頻信號(hào)進(jìn)行校正和測(cè)試，防止信號(hào)漂移，實(shí)現(xiàn)及時(shí)校對(duì)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)校驗(yàn)精度提高了20%，實(shí)現(xiàn)了高精度檢測(cè)。

FPGA；手持式；標(biāo)校終端；信號(hào)采集

測(cè)量精度是現(xiàn)代武器系統(tǒng)的重要指標(biāo)。隨著使用次數(shù)的增加，武器系統(tǒng)的精度會(huì)隨之漂移。為了提高武器系統(tǒng)的測(cè)量精度，必須進(jìn)行標(biāo)校和參數(shù)修調(diào)。手持式標(biāo)校終端是為某系統(tǒng)提供檢驗(yàn)所需的射頻信號(hào)，主要對(duì)系統(tǒng)射頻信號(hào)進(jìn)行校正和測(cè)試，防止信號(hào)漂移，實(shí)現(xiàn)及時(shí)校對(duì)[1-2]。

1 總體設(shè)計(jì)

標(biāo)校終端系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

手持式標(biāo)校終端由手持式機(jī)箱、電源模塊、電池模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊等部分組成。信號(hào)發(fā)送模塊是整個(gè)標(biāo)校終端的控制中樞，它通過(guò)DDS芯片和DA芯片產(chǎn)生中頻信號(hào)，然后通過(guò)上變頻器單元產(chǎn)生所需射頻信號(hào)；電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)供電，既可以給信號(hào)發(fā)送模塊供電，又可以給充電電池充電；電池模塊在無(wú)外接電源時(shí)，給系統(tǒng)供電[3-4]。

2 手持式機(jī)箱

標(biāo)校終端采用全密閉機(jī)箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部各功能板卡上的熱量通過(guò)導(dǎo)熱板傳至手持式機(jī)箱腔體，再通過(guò)機(jī)箱表面的散熱槽散出。該腔體的外形尺寸為180 mm×120 mm×50 mm，腔體整體采用2A12鋁合金材料，腔體重量為1 kg，腔體內(nèi)部采用兩層結(jié)構(gòu)，在機(jī)箱正面面板上，設(shè)計(jì)有運(yùn)行及電量不足指示燈；在機(jī)箱頂面面板上，設(shè)計(jì)了電源接口、串口、RFout、IFin、IFou和測(cè)試口。腔體外形示意圖如圖2所示。

圖2 外形示意圖

3 信號(hào)產(chǎn)生模塊

信號(hào)產(chǎn)生模塊為整個(gè)標(biāo)校終端的核心，它完成中頻信號(hào)、射頻信號(hào)的產(chǎn)生及控制。其框圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)產(chǎn)生模塊

FPGA通過(guò)串口收發(fā)器MAX3221接收上位機(jī)參數(shù)，完成相應(yīng)控制命令與控制參數(shù)的接收，該上位機(jī)參數(shù)對(duì)DDS、DA及上變頻器進(jìn)行配置。其中DDS芯片AD9954的參考時(shí)鐘由溫補(bǔ)晶振提供。該DDS芯片的輸出通過(guò)放大器AD8370進(jìn)行功率控制后送入到AD9957，信號(hào)通過(guò)AD9957后再經(jīng)過(guò)聲表濾波器854680進(jìn)行濾波，最后通過(guò)兩級(jí)AD8370進(jìn)行信號(hào)放大，最終產(chǎn)生一個(gè)0 dbm，70 MHz的中頻信號(hào)。該中頻信號(hào)送入到上變頻器電源，經(jīng)過(guò)FPGA控制最終產(chǎn)生0 dbm，2 300 MHz的射頻信號(hào)[5-6]。

3.1 數(shù)據(jù)采集

XC7K160T通過(guò)BPI的方式進(jìn)行配置。將控制命令與控制參數(shù)存儲(chǔ)在16 MB的SPI FLASH中，整個(gè)信號(hào)處理卡的對(duì)外接口包括了：串口、上變頻器控制口、15路測(cè)試信號(hào)接口、1路中頻信號(hào)輸出接口等[7-8]。

數(shù)據(jù)采集部分主要功能是進(jìn)行70 M中頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)12位并行數(shù)據(jù)接口傳送給FPGA。數(shù)據(jù)采集部分主要由時(shí)鐘電路、前端調(diào)理電路及ADC芯片AD9626組成。ADC芯片AD9626是ADI公司的12位ADC，采用1.8 V電源供電，最高轉(zhuǎn)換速率為250 MSPS，原理框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集原理框圖

3.2 模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生部分

DA部分主要由時(shí)鐘電路、輸出信號(hào)調(diào)理電路和DDS芯片AD9954、AD9957組成。DA時(shí)鐘部分采用了DDS芯片AD9954產(chǎn)生，其具有400 MSPS的內(nèi)部時(shí)鐘速度，32位頻率調(diào)諧精度，14位相位調(diào)諧精度，可用數(shù)字編程控制，相位噪聲優(yōu)于120 dBc/Hz，模擬正弦波輸出可達(dá)160 MHz；所選用的溫補(bǔ)晶振主要AD部分電路中溫補(bǔ)晶振相同。AD9957內(nèi)置一個(gè)高速DDS及一個(gè)高速14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有一路250 MHz速率的18位并行接口，1 GSPS的內(nèi)部時(shí)鐘速度，可輸出的模擬信號(hào)頻率最大可達(dá)400 MHz，最大功耗1.4 W，具有低功耗，體積小等特點(diǎn)[9-10]。模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生部分原理框圖如圖5所示。

圖5 模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生部分原理框圖

3.3 外部通訊接口模塊

外部通訊接口模塊主要功能是完成數(shù)字信號(hào)處理卡與視頻編碼卡及外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊，并向視頻編碼卡及外部設(shè)備提供12 V電源。外部通訊接口模塊提供一路網(wǎng)口、一路串口、2路IO接口、接收一路時(shí)統(tǒng)信號(hào)，使用了MAX3221、MAX3079E、IP101GRI等芯片。IP101GRI是一款基于 DSP的PHY收發(fā)器技術(shù)的10/100 Mbps的單端口快速以太網(wǎng)收發(fā)器，內(nèi)部FIFO支持幀大小為12 KB，其提供的MII或RMII可與不同類(lèi)型的MAC連接，最大功耗為0.15 W；MAX3221是用于RS-232通訊的低功耗收發(fā)器；MAX3079E是用于RS-485/RS-422通訊的低功耗收發(fā)器[11-12]。外部通訊接口模塊原理框圖如圖6所示。

圖6 外部通訊接口模塊原理框圖

4 電源模塊

電源模塊主要由變壓器、整流濾波模塊、充電模塊、備用電池組、電池管理模塊、切換模塊、DC/DC模塊和保護(hù)模塊組成[13-15]。如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

備用電池組切換模塊負(fù)責(zé)在交流供電系統(tǒng)斷電時(shí)將電源切換到由備用電池組供電狀態(tài)。電源經(jīng)兩路DC/DC模塊的穩(wěn)壓和保護(hù)模塊的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)后輸出直流18 V向負(fù)載供電。

備用電池組由-40～60℃工作寬溫電芯10～16.8 V電池組組成，每節(jié)鋰電池最高輸出4.2 V，最低截止輸出電壓2.5 V，鋰電池組最高輸出電壓16.8 V，最低截止輸出電壓10 V；每節(jié)鋰電池輸出功率7.5 W，鋰電池組輸出功率30 W。

電池管理模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)備用電池組的工作狀態(tài)，包括單體電壓、溫度和工作電流，并對(duì)備用電池組進(jìn)行電壓均衡控制，避免備用電池組單體過(guò)壓、過(guò)充電、過(guò)放電和溫度過(guò)高，提高電池組的有效儲(chǔ)能容量。

圖8 電源管理電路圖

MAX8724是一款美信公司生產(chǎn)的電池充電管理芯片，是精確、高效的多種化學(xué)類(lèi)型電池充電器，使用模擬輸入來(lái)控制充電電壓和電流，具有輸入電流限制，在同時(shí)提供負(fù)載供電和電池充電時(shí)，一旦電流達(dá)到設(shè)定的門(mén)限，可自動(dòng)降低電池的充電電流。如圖8所示。

5 結(jié) 論

手持式標(biāo)校終端是某系統(tǒng)的核心系統(tǒng)之一，用于整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)矯正及測(cè)試，校驗(yàn)的穩(wěn)定性關(guān)乎到整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。本設(shè)計(jì)在充分考慮用戶(hù)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)各模塊功能進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在保證滿(mǎn)足用戶(hù)需求的前提下減少不必要的元件、電流等，降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高產(chǎn)品可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)校驗(yàn)精度提高了20%，實(shí)現(xiàn)了高精度檢測(cè)。

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The design of heandheld calibration terminal based on FPGA

ZHU Ben-ming，YUAN Qiang，ZHOU Yu-kun
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the drift of weapon system accuracy with the use of time，a heandheld calibration terminal based on FPGA is designed.The heandheld calibration terminal which are consist of handheld box，power unit，battery unit，signal unit，etc，provide the inspection RF signal for system，mainly to calibration and testing of RF signal system，to prevent signal drift，realize the check in time.Field application results show that the design precision is improved by 20%，realized the high precision detection.

FPGA；handheld；calibration terminal；signal acquisition

TN06

：A

：1674－6236（2017）05-0009-04

2016-05-12稿件編號(hào)：201605108

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61162003）

祝本明（1981—），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究等。