【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）基于CAN總線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)-軟件工程

碩士學(xué)位論文 （軟件工程碩士） 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 姓 名：王立基 學(xué) 號： 0721170648 所在院系：軟件學(xué)院 職業(yè)類型：工程碩士 專業(yè)領(lǐng)域：軟件工程 指導(dǎo)教師：張惠娟 副指導(dǎo)教師：俞劉寶 二 一三年九月 in of a i 0721170648 2013 基于同濟(jì)大學(xué) 位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家 有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動。 學(xué)位論文作者簽名： 2013 年 9 月 25 日 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒 有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 2013 年 9 月 25 日 濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 摘要 1 摘要 伴隨我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對信息的獲取方式和獲取渠道及信息獲取的實時性提出了新的要求。傳統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡(luò)雖然能夠提供大帶寬數(shù)據(jù)通信，但受地域、環(huán)境等因素限制，在處 理突發(fā)事件、現(xiàn)場實時監(jiān)控等情況時卻不能滿足使用需求。因此衛(wèi)星通信作為一種不受空間、時間限制的通信方式正越來越受各行各業(yè)的青睞?；?統(tǒng)正逐漸興起，其提供的移動寬帶數(shù)據(jù)通信功能可以滿足用戶在任何時間、地點進(jìn)行視頻、圖像、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｔ擁椉夹g(shù)正越來越廣泛的應(yīng)用于軍事、海事、減災(zāi)等領(lǐng)域。 論文設(shè)計并實現(xiàn)了一種衛(wèi)星動中通系統(tǒng)。通過對衛(wèi)星通信市場的廣泛調(diào)研，了解一線用戶需求，深入分析了衛(wèi)星動中通產(chǎn)品的應(yīng)用特點，設(shè)計了基于 系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計目的在于實現(xiàn)在車載、船載安裝條件下，穩(wěn)定的衛(wèi)星跟蹤功能。確保在載體正常行駛過程中，為用戶提供了可靠的寬帶通信服務(wù)。該設(shè)計大量采用現(xiàn)有成熟技術(shù)，降低了研發(fā)成本的同時提高產(chǎn)品可靠性。具體來說，系統(tǒng)核心控制部分采用 用嵌入式編程技術(shù)及 最終實現(xiàn)產(chǎn)品整體設(shè)計。 該系統(tǒng)設(shè)計過程經(jīng)歷需求分析、產(chǎn)品預(yù)研、產(chǎn)品設(shè)計、樣機(jī)制作、批量生產(chǎn)幾個階段，經(jīng)過大量實驗和檢測，目前已交付用戶使用。經(jīng)用戶反饋，穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)性能可 靠。 關(guān)鍵字： 動中通， 蹤，衛(wèi)星通信 no is to it is in of in is a in by in in is in a of of of up a of is of on a It of to of RM to of of in is by in 濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 摘要 3 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 4 目 錄 第一章 概述 . 1 究背景 . 1 究現(xiàn)狀 . 2 究意義 . 3 究內(nèi)容與論文組織安排 . 3 第二章 相關(guān)技術(shù) . 7 星通信技術(shù) . 7 蹤系統(tǒng)控制技術(shù) . 8 入式系統(tǒng) . 8 . 11 分系統(tǒng)設(shè)計采用的主要技術(shù) . 13 服驅(qū)動技術(shù) . 13 度測量技術(shù) . 14 纖陀螺技術(shù) . 14 . 15 號測量技術(shù) . 16 蹤系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 . 17 入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境 . 17 件燒錄工具 . 17 第三章 系統(tǒng)功能需求分析 . 18 體系統(tǒng)需求 . 18 蹤系統(tǒng)總線需求 . 20 星通信系統(tǒng)功能需求 . 20 蹤系統(tǒng)功能需求 . 22 動尋星功能 . 22 號自動搜索跟蹤功能 . 23 蹤系統(tǒng)總體性能需求 . 24 第四章 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 . 26 蹤系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計 . 26 蹤系統(tǒng)工作流程設(shè)計 . 27 蹤系統(tǒng)功能設(shè)計 . 27 動尋星功能設(shè)計 . 28 號自動搜索跟蹤功能設(shè)計 . 29 蹤系統(tǒng) . 32 蹤系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計 . 32 蹤系統(tǒng) . 33 系統(tǒng)控制單元總線地址規(guī)劃 . 33 系 統(tǒng)功能設(shè)計 . 34 環(huán)驅(qū)動分系統(tǒng)設(shè)計 . 35 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 5 號測量分系統(tǒng)設(shè)計 . 37 性測量分系統(tǒng)設(shè)計 . 38 位定向分系統(tǒng)設(shè)計 . 39 . 40 第五章 跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn) . 43 蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn) . 43 理器配置 . 43 要寄存器初始化實現(xiàn) . 48 . 50 要分系統(tǒng)功能關(guān)鍵技術(shù)軟件實現(xiàn) . 51 環(huán)驅(qū)動分系統(tǒng) . 52 位定向分系統(tǒng) . 54 性測量分系統(tǒng) . 57 號測量分系統(tǒng) . 57 線控制分系統(tǒng) . 60 統(tǒng)自動跟蹤功能的軟件實現(xiàn) . 62 動尋星功能 . 62 號自動搜索跟蹤 功能 . 65 定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)果 . 67 系統(tǒng)性能測試 . 68 蹤系統(tǒng)整體性能測試 . 71 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)果 . 75 第六章 總結(jié)與展望 . 77 結(jié) . 77 望 . 78 致謝 . 1 參考文獻(xiàn) . 3 個人簡歷、在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成 果 . 6 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 6 第 1 章 概述 1 第一章 概述 本章首先闡述了研究的背景和現(xiàn)狀，然后對市場和行業(yè)狀況進(jìn)行了簡單介紹， 最后說明本論文的主要研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)。 究背景 伴隨當(dāng)今社會信息化的不斷發(fā)展，通信領(lǐng)域技術(shù)的不斷創(chuàng)新，各種新的業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備的出現(xiàn)，為人人、人機(jī)之間的交互方式提供了廣泛選擇。隨著信息量的不斷增長，單純依靠有線網(wǎng)和地面蜂窩系統(tǒng)已經(jīng)不能更大限度滿足人們對通信的需求，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的長足發(fā)展提供了機(jī)會。衛(wèi)星技術(shù)可以為地面、航空、海事等領(lǐng)域的用戶提供大帶 寬的通信服務(wù)。并且利用同步軌道通信衛(wèi)星進(jìn)行信號覆蓋，不受空間、時間、地理環(huán)境限制實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的寬帶數(shù)據(jù)通信。 從 1964年第一顆人造同步軌道通信衛(wèi)星發(fā)射至今，衛(wèi)星通信技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷近 50年的發(fā)展，通信衛(wèi)星已經(jīng)由最簡單的中繼站發(fā)展到目前具備先進(jìn)處理轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的交換平臺。特別是上世紀(jì)末期衛(wèi)星通信技術(shù)突飛猛進(jìn)，各種新技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信上，大幅提高了衛(wèi)星通信能力，并且有效降低成本，用戶數(shù)量激增。通信衛(wèi)星已不再是少數(shù)群體能夠使用的資源。衛(wèi)星通信覆蓋的行業(yè)領(lǐng)域也越來越廣泛。隨之而來對衛(wèi)星通信技術(shù)提出了更高的要求。從簡單的 地面站 地面站這種固定式的通信模式，發(fā)展到先進(jìn)的地面站 移動地面站，甚至是移動站移動站的通信模式。由此衛(wèi)星通信行業(yè)發(fā)展衍生出具備移動中通信能力的衛(wèi)星通信技術(shù)，簡稱動中通技術(shù)。 所謂衛(wèi)星通信“動中通”系統(tǒng)是指可以在移動狀態(tài)下通過衛(wèi)星進(jìn)行無線電通信的終端地球站，包括車載、船載、機(jī)載三種安裝方式。其主要技術(shù)特點如下： （ 1）天線口徑小，動中通系統(tǒng)受車輛、船舶等載體安裝環(huán)境限制，通常采用直徑 小口徑天線。 （ 2）動中通系統(tǒng)在運動過程中隨地理位置變化影響，與連接衛(wèi)星的 ，需要修正發(fā)射功率或發(fā)射速率。 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 2 （ 3）動中通系統(tǒng)在移動過程中電波傳輸受遮擋影響會時常中斷，因此要求具備快速星地鏈路恢復(fù)能力。 （ 4）動中通系統(tǒng)由于在移動狀態(tài)下進(jìn)行衛(wèi)星通信，而衛(wèi)星通信本神對天線面指向精度有很高要求，因此動中通系統(tǒng)需具備優(yōu)秀的跟蹤能力，不論載體運動姿態(tài)如何變化，始終保證天線準(zhǔn)確指向，避免指向偏差造成鄰星干擾。 典型的動中通系統(tǒng)應(yīng)用示例如圖 衛(wèi) 星 站 1衛(wèi) 星 站 2C D M - 5 7 0 L M - 5 7 0 L 圖 型動中通應(yīng)用示例圖 圖 備了動中通系統(tǒng)，采用 路單載波方式）通過通信衛(wèi)星與遠(yuǎn)端地面站進(jìn)行連接。兩端都配有 以為用戶提供標(biāo)準(zhǔn) 過搭配 換機(jī)， 頻會議終端等設(shè)備，能向用戶提供語音、視頻和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)确?wù)。 究 現(xiàn)狀 目前，動中通系統(tǒng)作為新興技術(shù)處于衛(wèi)星業(yè)務(wù)產(chǎn)業(yè)的前沿，由于技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛和設(shè)備價格相對低廉，市場發(fā)展迅猛。用戶群體涵蓋電信、公安、人防、鐵路、應(yīng)急救災(zāi)、海事、軍事、航空、航天等領(lǐng)域。歐洲咨詢公司（ 測到 2020年國際市場對衛(wèi)星動中通產(chǎn)品的年需求將超過 10億美元。國際老牌衛(wèi)星通信設(shè)備制造商如韓國的 國的 舶及航空器的動中通產(chǎn)品。并且占有國內(nèi)外 95%以上的市場份額。 第 1 章 概述 3 國內(nèi)動中通技術(shù)由于衛(wèi)星行業(yè)起步較晚，目前主要國內(nèi)廠商等盈利點集中于固定站建設(shè)、系統(tǒng)集成及靜中通產(chǎn)品研發(fā)階段。僅有部分廠商如中國電子集團(tuán)39所、 54所、中國航天集團(tuán)發(fā)動中通產(chǎn)品，且尚未形成產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模。并且依然存在技術(shù)難點待攻關(guān)。主要應(yīng)用市場面向船載用戶，其特點是跟蹤速度較慢、跟蹤精確度較差，且不適用于 載體運動姿態(tài)變化較復(fù)雜的車輛和航空器上。 針對現(xiàn)今市場對衛(wèi)星通信提出移動通信需求，動中通系統(tǒng)將是未來衛(wèi)星通信行業(yè)發(fā)展的重要推動力，將會大力提高衛(wèi)星通信技術(shù)在整個通信行業(yè)所占比重。市場需求前景廣闊。并且國內(nèi)廠商迫切需要自主研發(fā)動中通產(chǎn)品，提高市場競爭力，減少或避免對國外產(chǎn)品的依賴性，增強(qiáng)自身競爭能力。 究 意義 衛(wèi)星通信動中通系統(tǒng)主要應(yīng)用于移動載體在移動過程中的通信聯(lián)絡(luò)，由于采用 小口徑天線終端）作為技術(shù)基礎(chǔ)，具備了衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域廣、不受地形地域限制、傳輸線路穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，同時兼顧 了載體安裝尺寸限制。真正實現(xiàn)了移動中衛(wèi)星通信的目的。 現(xiàn)有主流動中通系統(tǒng)主要由衛(wèi)星自動跟蹤設(shè)備和衛(wèi)星通信設(shè)備兩部分組成。通過采用自主跟蹤，信號閉環(huán)控制等技術(shù)的實現(xiàn)了各種車輛、船舶、航空器等載體通過同步軌道通信衛(wèi)星，實時不間斷傳遞寬帶數(shù)據(jù)、語音、視頻等多媒體信息。 本論文所進(jìn)行的研究，旨在設(shè)計一種可以兼顧車載、船載兩種環(huán)境下的通用動中通衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)。利用成熟的衛(wèi)星通信技術(shù)、光纖陀螺技術(shù)、微處理器技術(shù)、 服驅(qū)動技術(shù)和先進(jìn)可靠的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)一種高穩(wěn)定衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用以上 技術(shù)，研發(fā)出低成本、小型化、高可靠性和通用性的衛(wèi)星動中通產(chǎn)品。 究內(nèi)容與論文組織安排 本論文是我單位根據(jù)對衛(wèi)星通信行業(yè)中動中通產(chǎn)品的市場需求分析得出的結(jié)果，結(jié)合實際情況，針對需方對動中通產(chǎn)品的小型化、通用化、高穩(wěn)定跟蹤等同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 4 要求，對動中通衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和實現(xiàn)。論文主要從技術(shù)角度研究該系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)可行性。我處接到該設(shè)計任務(wù)后，結(jié)合單位情況進(jìn)行了以下工作： （ 1）研究了市場上同類型產(chǎn)品的主要技術(shù)性能指標(biāo)、成本和市場需求等信息，明確目標(biāo)客戶群體，對自身產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確定位。 （ 2）根據(jù)產(chǎn)品整體性能指 標(biāo)和主要功能要求，分析了主要部件的功能要求和技術(shù)難點。主要包括伺服驅(qū)動技術(shù)、角度測量技術(shù)、總線技術(shù)、定位定向技術(shù)、光纖陀螺技術(shù)、嵌入式軟件開發(fā)和衛(wèi)星通信技術(shù)等。 （ 3）參照對比現(xiàn)有同類主流產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計了衛(wèi)星通信系統(tǒng)部分和自動跟蹤系統(tǒng)部分。衛(wèi)星通信系統(tǒng)部分由于 計中以使用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品為原則，避免重復(fù)開發(fā)。作為重點研發(fā)的自動跟蹤系統(tǒng)部分為保證產(chǎn)品質(zhì)量和控制研發(fā)成本，盡可能采用已有成熟技術(shù)，設(shè)計了以 于 蓋了伺服驅(qū)動、 位定向、角度測量、 光纖陀螺和信號測量等技術(shù)的分布嵌入式控制系統(tǒng)及其控制軟件。 （ 4）該設(shè)計軟件很好的實現(xiàn)了該產(chǎn)品在移動載具（車輛、船舶）行進(jìn)過程中可靠的衛(wèi)星跟蹤功能?？梢钥焖佟⒖煽康目刂菩l(wèi)星天線進(jìn)行衛(wèi)星信號的初捕、重捕和連續(xù)跟蹤。各項性能指標(biāo)完全滿足客戶需求，且部分指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。 本論文章節(jié)具體安排如下： 第一章 概述：分析衛(wèi)星通信行業(yè)現(xiàn)狀及動中通產(chǎn)品產(chǎn)生的背景，簡述現(xiàn)階段行業(yè)狀況及市場前景，介紹本論文內(nèi)容和具體章節(jié)安排。 第二章 相關(guān)技術(shù)：介紹實現(xiàn)該設(shè)計涉及到的技術(shù)，研發(fā)環(huán)境，技術(shù)背景，工作原理和開發(fā)平臺。 第三章 需求分析：討論系統(tǒng)的功能需求和可行性分析。 第四章 系統(tǒng)設(shè)計：詳細(xì)說明跟蹤系統(tǒng)的總線設(shè)計，跟蹤系統(tǒng)與相應(yīng)分系統(tǒng)的軟硬件功能和工作流程設(shè)計。 第五章 系統(tǒng)實現(xiàn)：介紹系統(tǒng)實現(xiàn)中跟蹤系統(tǒng)主要功能及各分系統(tǒng)控制單元的軟件實現(xiàn)。 第 1 章 概述 5 第六章 總結(jié)與展望： 對于所做工作的總結(jié)和對未來工作的展望。 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 6 第 2 章 相關(guān)技術(shù) 7 第二章 相關(guān)技術(shù) 本章介紹在設(shè)計和實現(xiàn) 穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)中所用到的技術(shù)、理論背景和工具，并進(jìn)行說明。 星通信技術(shù) 衛(wèi)星通信技術(shù)來源于地面微波中繼通信，其主要特點是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站進(jìn)行信號的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。 衛(wèi) 星通信定義：是指設(shè)置在地球上的無線電通信站之間利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站的兩個或多個地球站之間的通信。 衛(wèi)星通信種類： 1. 按照地球站部署位置劃分，包括地面、空中、水面三種類型。 2. 按照移動狀態(tài)劃分，可分為固定、機(jī)動和移動三種狀態(tài)。 （ 1） 固定式地球站是指不可移動的，通常固定安裝在建筑上衛(wèi)星地面站。 （ 2）機(jī)動地球站指可由車輛、船舶搭載，具備一定機(jī)動能力的，可根據(jù)需要機(jī)動至指定位置后，展開天線進(jìn)行通信的地面站。需要指出的是該類型地球站不具備移動中通信的能力。 （ 3）移動地面站是指可搭載在 車輛船舶載體上，并在移動過程中進(jìn)行通信的地球站，即動中通系統(tǒng)。 3. 按照衛(wèi)星軌道方式劃分，可分為同步軌道和非同步軌道。其中同步軌道衛(wèi)星是指對地靜止的衛(wèi)星。其需要滿足 3 個條件： （ 1）衛(wèi)星那個必須以與地球相同的旋轉(zhuǎn)速度向東運動。 （ 2）軌道必須為圓形。 （ 3）軌道傾角必須為零度。 目前主流通信衛(wèi)星均采用同步軌道方式。 4. 按照通信頻段劃分，目前主要的衛(wèi)星通信系統(tǒng)頻段管理是在國際電信聯(lián)盟（ 理下進(jìn)行的，其劃分標(biāo)準(zhǔn)如下（表 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8 頻段名稱 頻段范圍（ 使用頻段（ 可 用帶寬（ 00250M L 波段（ 1 90/70M S 波段（ 2 80/20M 波段（ 4 800M X 波段（ 8 500M 段（ 12 500M 0a（ 27 3G 表 星通信頻段劃分表 根據(jù)以上對衛(wèi)星通信系統(tǒng)類型的劃分，本文所設(shè)計的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)，是一種用于 段同步軌道衛(wèi)星通信的車船載通用型移動地球站。 蹤 系統(tǒng)控制技術(shù) 穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)中的跟蹤系統(tǒng)部分，主要采用基于 構(gòu)嵌入式系統(tǒng)和 中嵌入式系統(tǒng)用作實現(xiàn)整個跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的硬件基礎(chǔ)， 各分系統(tǒng)提供基本功能支持。每個分系統(tǒng)的控制單元由針對各自功能特點設(shè)計的嵌入式程序軟件進(jìn)行控制，準(zhǔn)確無誤的向天線控制分系統(tǒng)的控制單元提供跟蹤所需信息并嚴(yán)格執(zhí)行天線控制單元的運轉(zhuǎn)指令，最終實現(xiàn)穩(wěn)定的衛(wèi)星跟蹤功能。下面將重點介紹跟蹤系統(tǒng)控制所采用的主要技術(shù)。 入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是指 以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、體積、功耗等要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 它是先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各行業(yè)應(yīng)用結(jié)合后的產(chǎn)物，作為專用計算機(jī)系統(tǒng)，通常面向特定任務(wù)因此功能較為單一，但是卻具有執(zhí)行效率高、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。 其發(fā)展主要經(jīng)歷了四個階段：無操作系統(tǒng)階段、簡單操作系統(tǒng)階段、實時操作系統(tǒng)階段、面向 段。 第 2 章 相關(guān)技術(shù) 9 一個完善的嵌入式系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成： （ 1）硬件層：主要包括嵌入式微處理器、存儲 器、通用設(shè)備接口和 I/O 接口。該層為上層操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件提供了硬件環(huán)境，其核心由微處理器、電源電路、時鐘電路、存儲器四部分組成。 （ 2）中間層：也稱板級支持包 將系統(tǒng)上層應(yīng)用和底層硬件分離開來，使系統(tǒng)上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據(jù) 提供的接口開發(fā)即可。 （ 3）系統(tǒng)軟件層：由 時操作系統(tǒng)）、文件系統(tǒng)、 絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。 （ 4）應(yīng)用軟件：由基于實時系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成。 于 構(gòu)的嵌入式系統(tǒng) 司上世紀(jì)九十年代初成立于英國劍橋，是專門從事基于 術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，目前主要出售芯片設(shè)計技術(shù)授權(quán)，作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?處理器芯片進(jìn)入市場。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用 司的授權(quán)，使得 的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場和更具競爭力。目前， 線通信、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、消費類電子產(chǎn)品、成像和安全產(chǎn)品各個領(lǐng)域。 采用 簡指令集計算機(jī) )架構(gòu)的 （ 1）支持 16 位） /32 位）雙指令集，能很好的兼容 8 位 /16位器件，具有更好的代碼密度； （ 2）指令執(zhí)行采用 3級流水線 /5級流水線技術(shù)； （ 3）帶有指令和數(shù)據(jù) 緩存，大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 10 （ 4）支持用戶、快中斷、中斷、管理、中止、系統(tǒng)和未定義等 7 種處理器模式，除了用戶模式外，其余的均為特權(quán)模式； （ 5）處理器芯片通過 免使用昂貴的在線仿真器。 （ 6） 具有片上總線 一個典型的 示： 圖 型 其包含有 31個 32位通用寄 存器及 6位狀態(tài)寄存器、 32 8位乘法器 32 32位桶形移位寄存器、指令譯碼及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù)地址寄存器等。 處理器 中，2位嵌入式 頻最高可達(dá) 130用能夠提供 三級流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌硬件乘法器（ 第 2 章 相關(guān)技術(shù) 11 支持 16為壓縮指令集 入式 持片上 持片上斷點和調(diào)試點。指令系統(tǒng)與 本系統(tǒng)設(shè)計從成本和功能需求等方面因素考慮，采用 型號處理器主頻為 60以滿足各單元數(shù)據(jù)處理，此外還具備 寬調(diào)制）、 2以滿足各分系統(tǒng)中不同傳感器及元器件的數(shù)據(jù)處理和傳輸需求。 核型號定義該型號處理器功能特點如下表 x 系列號，如 y 含有內(nèi)存管理或保護(hù) 單元，如 z 含有 含有 令解碼器，支持 令集，如 含有 試器，支持 持片上調(diào)試 M 含有硬件快速乘法器，如 含有內(nèi)嵌的在線調(diào)試宏單元（ CE 件部件，提供片上斷點和調(diào)試點支持，如 表示支持增強(qiáng)型 令 J 含有 速器 含有向量浮點單元 S 可以綜合版本，以源代碼形式提 供的，可被 具使用 表 場總線技術(shù) 總線是指各種信號線的集合，是嵌入式系統(tǒng)中各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。在同一時刻，每條通路線路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號。按照總線所傳送的信息類型，可以分為：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線?？偩€的主要參數(shù)包括： （ 1）總線帶寬：一定時間內(nèi)總線上可以傳送的數(shù)據(jù)量，用 s 表示。 （ 2）總線位寬：總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)（ 總線的位寬指標(biāo)直接影響數(shù)據(jù)傳輸速率越大。 （ 3）總線頻率：工作 時鐘頻率以 單位，工作頻率越高，則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬。帶寬計算方式如下： 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 12 總線帶寬（ =總線位寬（ 總線頻率 (8 嵌入式系統(tǒng)常用總線類型有 線、 線、 線、 線、線和 線等 。 (是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱，是由生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國 司于上世紀(jì) 80 年代開發(fā)的一種現(xiàn)場總線技術(shù)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在歐美 線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，由于其可靠性高、 傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)和 錯誤檢測能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和電磁環(huán)境惡劣的工業(yè)領(lǐng)域。 過采用智能設(shè)備使控制系統(tǒng)不再依賴單一的控制計算機(jī)或儀表，而是在現(xiàn)場直接完成數(shù)據(jù)處理，徹底的實現(xiàn)分散控制。通過簡化設(shè)備總線結(jié)構(gòu)，將不同的數(shù)據(jù)處理分散到各個控制模塊現(xiàn)場處理，可以有效降低對計算機(jī)硬件要求，并且大幅減輕總線系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，從而提高系統(tǒng)可靠性及降低系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。 靈活多樣，可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率最高可達(dá) 1通信接口中集成了 議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作，實際使用過程中網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù)量可超過 100個。 采用對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼的方式進(jìn)行地址區(qū)分。優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由 11位或 29位二進(jìn)制數(shù)組成。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式 控制系統(tǒng)設(shè)計中非常有效。數(shù)據(jù)段長度最多為 8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。 證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。 線仲裁機(jī)制，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理時，必須將數(shù)據(jù)快速傳送 ,這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個節(jié)點同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時 ,要求快速地進(jìn)行總線分配，實時處理。同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換有較大的不同， 線以數(shù)第 2 章 相關(guān)技術(shù) 13 據(jù)幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 , 數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級標(biāo)識在幀頭標(biāo)識符中 ,具有最低二進(jìn)制數(shù)值標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀有最高的優(yōu)先級。這 種優(yōu)先級在系統(tǒng)設(shè)計時確定，且不可更改?？偩€中各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀沖突可通過數(shù)據(jù)幀標(biāo)識位大小仲裁解決。當(dāng)幾個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，標(biāo)識符二進(jìn)制數(shù)值較小的數(shù)據(jù)幀具有較高的優(yōu)先級。這種仲裁方式可有效提高總線利用效率。 分系統(tǒng)設(shè)計采用的主要 技術(shù) 跟蹤系統(tǒng)中各分系統(tǒng)根據(jù)其不同功能特點，采用不同技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，這些分系統(tǒng)通過嵌入式系統(tǒng)和 不同的技術(shù)類型的設(shè)備整合到一個統(tǒng)一的設(shè)計體系中，進(jìn)而通過軟件算法完成跟蹤功能的整體設(shè)計，這些技術(shù)類型主要包括：伺服驅(qū)動、角度測量、信號測量、慣性測量和 服驅(qū)動技術(shù) 伺服驅(qū)動系統(tǒng)從功能上劃分可以分為伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)兩大部分，其中： 伺服驅(qū)動器的主要功能是以數(shù)字信號處理器（ 為控制核心，可以實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的電機(jī)驅(qū)動控制。同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路。 伺服電機(jī)是一個執(zhí)行單元，它的作用是把控制信號（控制電壓或相位）變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)轫憫?yīng)轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電機(jī)分為直流和交流，本設(shè)計采用的交流伺服電機(jī)其工作原理是電機(jī)內(nèi)部定子裝有三相對稱的繞組，轉(zhuǎn)子部分是永久磁極 。當(dāng)定子的繞組中通過三相電源后，定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速同步。由于轉(zhuǎn)子有磁極，所以在極低頻率下也能旋轉(zhuǎn)運行，因此交流伺服電機(jī)調(diào)速范圍較寬，可適應(yīng)穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)載體的復(fù)雜姿態(tài)變化。另外，交流伺服電機(jī)通常配有編碼器。實時反饋電機(jī)運行情況 至伺服 驅(qū)動器，驅(qū)動器又根據(jù)反饋進(jìn)一步精確的控制電機(jī)的運行。 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于 線的穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 14 度測量技術(shù) 角度測量技術(shù)作為自動化設(shè)備的重要組成部分，其作用就是精確檢測位移量，并實時反饋位置變化量信號至數(shù)控裝置，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件使其向著消除偏差的方向運動，直 至偏差等于零為止。 為了提高穩(wěn)定式衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)在尋星和跟蹤過程中的準(zhǔn)確度，實現(xiàn)精確對星、穩(wěn)定跟蹤的功能，必須提高系統(tǒng)各軸向的運轉(zhuǎn)精度。通過對比同類產(chǎn)品，確定采用絕對值式編碼器作為位置檢測裝置。 絕對值式編碼器工作原理是通過讀取編碼盤上的圖案來表示數(shù)值的。其碼盤由個扇區(qū)構(gòu)成，每一個扇區(qū)由個位構(gòu)成，扇區(qū)中的位根據(jù)一定的編碼規(guī)則設(shè)計成透光與非透光兩種狀態(tài)。如圖 中空白的部分透光，用“ 0”表示；涂黑的部分不透光，用“ 1”表示。此碼盤每扇區(qū)有 4環(huán)，由里向外每一環(huán)配置的光電變換器對應(yīng) 2的 4次方。圖 6扇區(qū)，可實現(xiàn) 小測量角度可達(dá) =圖 萊編碼盤示例 在穩(wěn)定式衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)中，設(shè)計采用 16對值角度編碼器，其識別精度為 0,則進(jìn)入運轉(zhuǎn)方向和運轉(zhuǎn)速度判決函數(shù)，否則重新進(jìn)入中斷等待狀態(tài)。通過方向及轉(zhuǎn)速判斷，調(diào)整 理器中 寬調(diào)制寄存器占空比，向伺服驅(qū)動器輸出脈寬控制信號調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)各軸位移，實時接收角度編碼器反饋至控制單元的 16度的當(dāng)前角度位置數(shù)據(jù)，并將該實時位置循環(huán)與目標(biāo)位置比對，直至距離差值 =0 為止。閉環(huán)驅(qū)動分系統(tǒng)重新進(jìn)入等待狀態(tài)或用戶關(guān)閉系統(tǒng)。 由圖 圖 分系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，收到外部輸入的數(shù)據(jù)，通過自身閉環(huán)方式的調(diào)整 再調(diào)整控制方式實現(xiàn)自修正。減少天線控制分系統(tǒng)的計算負(fù)擔(dān)，該閉環(huán)方式符合分布嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計理念。 啟動 軟硬件初始化 中斷寄存器等待 判斷目標(biāo)位置距離 判斷運轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié) 空比 驅(qū)動伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn) 編碼器度數(shù)變化 關(guān)閉 第 4 章 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 37 號測量分系統(tǒng)設(shè)計 信號測量分系統(tǒng)的功能是實時提供衛(wèi)星跟蹤信號的信噪比，相對于其他系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)相對簡單，卻又極其重要。該分系統(tǒng)是整個跟蹤系統(tǒng)中與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)的重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)整個穩(wěn)定式衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)的技術(shù)紐帶。其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖 圖 號測量分系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 該測量技術(shù)以專用 片為基礎(chǔ)，采用 116、 理器，構(gòu)成獨立的信號測量單元。其工作原理是分系統(tǒng)啟動時利用理 30段的噪聲，將測量到的噪聲轉(zhuǎn)換為可處理的電平后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器以數(shù)據(jù)形式記錄該環(huán)境噪聲值。當(dāng)跟蹤系統(tǒng)啟動時，由用 L 波段信號中截取所選頻段信號，然后將該頻段信號交由 換為可測量電壓，最后 通過 將該信噪比數(shù)據(jù)以 于系統(tǒng)跟蹤信號質(zhì)量的評判。 信號測量分系統(tǒng)軟件工作流程如下圖