掃頻接收機中數(shù)字掃描控制器設(shè)計方案 - 全文

　　 引 言

　　目前，市場上有相當多的超外差式掃頻接收機采用模擬的掃描控制方式，利用掃描斜波電壓同步各掃描硬件單元，這種控制方式精度差，并且要求主控CPU實時干預(yù)掃描過程，使得接收機的掃描速度很慢。針對這些問題，本文提供了一種數(shù)字掃描控制器設(shè)計新方法。采用該方法，我單位在2005年成功開發(fā)了一種新型微波毫米波接收機，其掃描控制精度、掃描速度等指標較以前的接收機產(chǎn)品有了很大的提高。

　　1 掃描控制變量

　　超外差式掃頻接收機在掃描過程中一般需要控制的變量有：YIG振蕩器頻率(或VCO頻率)、YIG濾波器中心頻率(或帶通濾波器頻率)、與測試頻率相關(guān)的功率補償數(shù)據(jù)(如平坦度補償數(shù)據(jù))等。

　　理想的YIG器件調(diào)諧曲線是一條直線(調(diào)諧曲線是根據(jù)諧振頻率變化與線包電流變化繪制的曲線)，但是，由于受磁性材料磁特性的影響，實際的調(diào)諧曲線是非線性的。與此類似，由于接收機內(nèi)各部件(如混頻器、濾波器等)幅度一頻率響應(yīng)曲線是非線性的，造成整機幅頻曲線也是非線性的。

　　在工程上，通常采用多段直線逼近的方法對上述曲線進行線性化處理，就是將各控制量曲線進行分段，在段內(nèi)認為控制量曲線是一條直線。只要各線段分段點位置選取合適，可以保證整機指標滿足設(shè)計要求。

　　通過計算各段控制量的起始值、步進值與步進個數(shù)(終止值減去起始值再除以步進量)就可以表征本段的控制量曲線。超外差式掃頻接收機包含多種控制變量，因此對每種控制變量都需要計算其控制量的起始值、步進值與步進個數(shù)。又由于各控制量曲線不盡相同，所用逼近曲線的直線段數(shù)目也就不盡相同。劃分的線段越多，逼近效果越好，控制精度也就越高。因此，在進行掃描控制之前，計算機主控的程序應(yīng)該首先確定各控制量的分段數(shù)目和各段內(nèi)的起始值、步進值、步進個數(shù)，這也就是送給掃描控制器的輸入參數(shù)。另外，為了提高控制速度，避免在掃描過程中CPU干預(yù)掃描進程，在各控制量換段時要求設(shè)計的掃描控制器能夠根據(jù)控制進度主動地讀取下一段的換段信息。下面，我們詳細介紹一下數(shù)字掃描控制器內(nèi)各單元的組成及實現(xiàn)。

　　2 組成框圖及控制時序

　　如圖1所示，掃描控制器包括：地址譯碼/數(shù)據(jù)緩存單元、RAM存儲單元、運算單元、觸發(fā)單元、中斷處理單元、步進脈沖發(fā)生單元和D/A輸出單元。

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　　掃描控制基本流程如下：

　　1)程序首先計算各控制量的分段數(shù)目及段內(nèi)各控制量的起始值、步進值、步進個數(shù)。

　　2)通過系統(tǒng)總線，程序?qū)⑸鲜鲇嬎愫玫臄?shù)據(jù)依次送入掃描控制器內(nèi)的RAM中保存。

　　3)程序控制觸發(fā)單元產(chǎn)生全局中斷信號，由中斷處理單元通知運算單元讀取各控制量首段的初始值。

　　4)程序控制觸發(fā)單元產(chǎn)生使能信號，控制步進脈沖發(fā)生單元產(chǎn)生計數(shù)脈沖。這時運算單元開始進行累加/減計算并且計數(shù)器記錄已產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。累加/減運算器的輸出值通過D/A變換器轉(zhuǎn)換為電壓值控制相關(guān)硬件電路。

　　5)當運算單元內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值達到本段設(shè)定的步進個數(shù)時，運算單元產(chǎn)生中斷信號通過中斷處理單元進行中斷識別并通知運算單元內(nèi)已產(chǎn)生中斷的模塊自動從RAM內(nèi)讀取下一段的初始值。運算單元內(nèi)四個模塊產(chǎn)生中斷的中斷級別各不相同，如果多個中斷同時產(chǎn)生，那么中斷處理單元會對各中斷進行緩存、排序并且首先處理中斷級別高的中斷。

　　6)當下一個計數(shù)脈沖到來時，運算單元內(nèi)產(chǎn)生中斷的模塊又會重新開始累加/減運算并計數(shù)，重復(fù)4、5步。

　　7)觸發(fā)單元記錄掃描時間。當掃描時間達到預(yù)設(shè)值時，觸發(fā)單元控制使能信號為低電平，各寄存器復(fù)位，掃描過程結(jié)束。

　　3 模塊內(nèi)部實現(xiàn)

　　1)地址譯碼/數(shù)據(jù)緩存單元地址譯碼/數(shù)據(jù)緩存單元連接外部總線，通過譯碼接收屬于本掃描控制器的數(shù)據(jù)和控制字，包括：復(fù)位控制字、掃描使能控制字、觸發(fā)單元內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值(用于計算掃描時間)、步進脈沖發(fā)生單元內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值(用于產(chǎn)生步進脈沖)以及RAM內(nèi)需存儲的控制量DAC值。

　　2)RAM存儲單元

　　存儲控制量DAC值。如果接收機內(nèi)地址資源足夠豐富，軟件可以通過地址譯碼/數(shù)據(jù)緩存單元直接訪問RAM。如果接收機內(nèi)地址資源有限，可以將整個RAM劃分為若干個區(qū)域(段地址)，每個區(qū)域?qū)?yīng)于一種控制量。每種控制量的各分段數(shù)據(jù)依次排列，可通過段內(nèi)偏移地址訪問。

　　3)運算單元

　　運算單元包括RAM數(shù)據(jù)回讀模塊、計數(shù)器及累加/減運算器模塊。RAM數(shù)據(jù)回讀模塊的回讀方式取決與RAM內(nèi)數(shù)據(jù)的存儲格式;計數(shù)器通過將讀取的步進個數(shù)值與當前的計數(shù)值進行比較決定是否產(chǎn)生中斷。在實際應(yīng)用中，累加/減運算器位數(shù)有限，而計算的步進DAC值位數(shù)有可能大大超過運算器位數(shù)，這就要求設(shè)計人員必須認真選取步進DAC的有效長度，對DAC值進行適當截取，使控制誤差能夠在可接受的范圍內(nèi)。累加/減運算器模塊在步進脈沖的觸發(fā)下，對初始值進行累加/減運算，其DAC值輸出位數(shù)等于選甩的DAC器件位數(shù)。

　　4)D/A輸出單元

　　D/A輸出單元負責(zé)將已累加/減數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。D/A輸出單元時序同步于控制脈沖。如果掃描控制器硬件資源不多，可以給每一個控制量單獨配置一個D/A轉(zhuǎn)換器;否則，可以將這些控制量先緩存起來再通過一個D/A轉(zhuǎn)換器輸出以減少硬件成本。

　　5)觸發(fā)單元

　　觸發(fā)單元接收到掃描使能控制字后控制步進脈沖發(fā)生單元使能端有效，步進脈沖發(fā)生單元開始工作，進而使得整個掃描控制器運轉(zhuǎn)起來。當觸發(fā)單元內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值與接收到的用于計算掃描時間的計數(shù)量相同時表明掃描過程已經(jīng)完成，這時觸發(fā)單元控制步進脈沖發(fā)生單元使能端失效，步進脈沖發(fā)生單元停止工作，掃描過程結(jié)束。另外，在掃描開始前觸發(fā)單元接收控制字產(chǎn)生全局中斷信號，通過中斷處理單元通知運算單元調(diào)用各硬件控制量的初始DAC值。

　　6)中斷處理單元

　　中斷處理單元根據(jù)預(yù)先設(shè)定的中斷優(yōu)先級別決定控制運算單元內(nèi)各模塊的先后順序。中斷處理單元由中斷寄存器、中斷識別模塊、復(fù)位處理模塊三部分組成。組成框圖見圖2所示。

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　　掃描控制基本流程如下：

　　1)程序首先計算各控制量的分段數(shù)目及段內(nèi)各控制量的起始值、步進值、步進個數(shù)。

　　2)通過系統(tǒng)總線，程序?qū)⑸鲜鲇嬎愫玫臄?shù)據(jù)依次送入掃描控制器內(nèi)的RAM中保存。

　　3)程序控制觸發(fā)單元產(chǎn)生全局中斷信號，由中斷處理單元通知運算單元讀取各控制量首段的初始值。

　　4)程序控制觸發(fā)單元產(chǎn)生使能信號，控制步進脈沖發(fā)生單元產(chǎn)生計數(shù)脈沖。這時運算單元開始進行累加/減計算并且計數(shù)器記錄已產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。累加/減運算器的輸出值通過D/A變換器轉(zhuǎn)換為電壓值控制相關(guān)硬件電路。

　　5)當運算單元內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值達到本段設(shè)定的步進個數(shù)時，運算單元產(chǎn)生中斷信號通過中斷處理單元進行中斷識別并通知運算單元內(nèi)已產(chǎn)生中斷的模塊自動從RAM內(nèi)讀取下一段的初始值。運算單元內(nèi)四個模塊產(chǎn)生中斷的中斷級別各不相同，如果多個中斷同時產(chǎn)生，那么中斷處理單元會對各中斷進行緩存、排序并且首先處理中斷級別高的中斷。

　　6)當下一個計數(shù)脈沖到來時，運算單元內(nèi)產(chǎn)生中斷的模塊又會重新開始累加/減運算并計數(shù)，重復(fù)4、5步。

　　7)觸發(fā)單元記錄掃描時間。當掃描時間達到預(yù)設(shè)值時，觸發(fā)單元控制使能信號為低電平，各寄存器復(fù)位，掃描過程結(jié)束。

　　中斷處理過程如下：首先，四種中斷分別緩存入四個中斷寄存器。中斷寄存器使用FIFO存儲單元可以儲存多個中斷，利用FIFO存儲單元內(nèi)部自身的標志位作為邏輯判斷依據(jù)可以簡化我們的設(shè)計。其次，中斷識別模塊檢測各FIFO存儲單元的空標志位。如果有任意一個FIFO存儲單元的空標志位為O，則說明有中斷產(chǎn)生，那么中斷識別模塊將按中斷優(yōu)先級別排序，并產(chǎn)生一個脈沖通知與最高中斷級別相對應(yīng)的運算單元內(nèi)的數(shù)據(jù)調(diào)用模塊從RAM中讀取下一段控制量的初始值。再次，數(shù)據(jù)調(diào)用模塊完成讀取任務(wù)后返回給復(fù)位處理模塊一個處理程序完成標志。復(fù)位處理模塊在收到處理程序完成標志后根據(jù)輸出中斷類別產(chǎn)生讀脈沖至空標志位為O且中斷優(yōu)先級別最高的中斷寄存器中。此時，中斷寄存器的空標志位有可能發(fā)生變化。最后，中斷識別模塊再次檢測所有的空標志是否都為1，如果不是，中斷處理單元繼續(xù)上述過程直到所有的空標志都為1。中斷處理過程結(jié)束。

　　7)步進脈沖發(fā)生單元

　　步進脈沖發(fā)生單元內(nèi)包含多個計數(shù)器，計數(shù)使能由觸發(fā)單元控制，計數(shù)器的模從地址譯碼/數(shù)據(jù)緩存單元讀取。每隔一定時間，步進脈沖發(fā)生單元產(chǎn)生計數(shù)脈沖作為累加/減器的時鐘并由運算單元內(nèi)計數(shù)器計數(shù)。

　　4 設(shè)計實例

　　以某型號微波毫米波接收機為例。在此接收機中，系統(tǒng)總線設(shè)計為串行總線，需要控制的變量有YIG振蕩器頻率、YIG濾波器中心頻率、平坦度補償數(shù)據(jù)和預(yù)選器帶寬控制電壓。選用Altera公司的EplkSOQC208—3芯片作為數(shù)字掃描控制器芯片，IDT71V016SA20Y作為RAM存儲芯片，AD7538KR、DAC8412作為DAC轉(zhuǎn)換芯片。

　　經(jīng)測量，YIG振蕩器頻率開環(huán)控制精度達到5MHz(接收機鎖相環(huán)的鎖頻范圍可達80MHz)，YIG濾波器中心頻率控制精度達到3MHz(YIG濾波器3dB帶寬最小處40MHz)，平坦度補償值誤差小于O.2dB，預(yù)選器帶寬誤差小于帶寬2%。數(shù)字掃描控制器選用60MHz時鐘作為外部時鐘，在最忙碌情況下(四種中斷同時到來)，完成四種中斷處理總時間小于5μs。

　　通過仿真和測試數(shù)字掃描控制器僅使用了FPGA內(nèi)約70%的資源，可以為今后的模塊擴展留有余地。

　　5 結(jié)束語

　　實際使用過程中，我們須綜合考慮硬件自身的性能(如YIG器件磁滯效應(yīng)、機械開關(guān)切換時間、中頻濾波器響應(yīng)時間等)、軟件設(shè)計復(fù)雜度、要求的性能指標等多組因素對掃描控制精度、速度的影響，合理選擇劃分段數(shù)及工作時鐘，最大限度挖掘出接收機潛能.