（电路与系统专业论文）avr微处理器在空间光通信主控系统中的应用研究.pdf

摘要 随着科技的进步和发展，空间激光通信技术已成为目前世界各国在通信领域的研 究热点。本文主要研究了空间光通信电子学主控系统的设计及实现技术。 论文从空间激光通信的发展现状出发，对空间激光通信系统总体设计方案进行了 较深入的研究，确定了主控系统采用e t x 计算机和a v r 微处理器的协同工作方式。 a v r 处理器在整个系统中主要负责数据的接收、运算、分析以及各种控制指令发出， 论文在研究各个功能模块的基础上，对a v r 部分进行了具体设计，包括硬件设计和软 件实现，完成了系统要求功能。 关键字：空间光通信a v r 单片机软件设计信号控制 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fs c i e n c e ，s p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h e r e s e a r c hf o c u si nc o m m u n i c a t i o nf i e l da l lo v e rt h ew o r l d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ed e s i g no f s p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n 7 sm a i nc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rb a s e do nt h es t a t u so fs p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n sd e v e l o p m e n t ，r e s e a r c h e s t h em a i nd e s i g nb l u ep r i n to ft h ew h o l es y s t e m f i n a l l y , w ed e c i d et ou s ee t x a n da v r w o r k i n gt o g e t h e r t h ef u n c t i o no f a v ri nt h ew h o l es y s t e mi sr e c e i v i n g 、c a l c u l a t i n g ，a n a l y z i n gd a t aa n d s e n d i n go u tt h ec o n t r o li n s t r u c t i o n s w ed e s i g n t h em a i nc o n t r o ls y s t e mb a s e do na v r p r o c e s s o r , i n c l u d eh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g n f i n a l l yc o m p l e t e ds y s t e mf u n c t i o n k e yw o r d s ：s p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n a v rm c us o f t w a r ed e s i g n s i g n a l c o n t r o l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，a 、，r 微处理器在在空间光通信主 控系统中的应用研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 可其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：团盘蝣盖月斗日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并岛国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：圆盈：塑年立月斗同 指导导师签名：一幺圣盘丛年土月4 同 1 1引言 第一章绪论 自由空间光通信( f s o ： f r e es p a c eo p t i e a l ) 又称无线光通信，是光纤通信和 无线通信相结合的产物，它是指以激光为载体，在真空或大气中传递信息，不需要任 何有线信道为传输媒介的一种通信技术。无线数字通信系统，可用于固定点使用，也 可用作应急抢通，其潜在的应用领域是在数据网、电话网、微蜂网及微微蜂窝网的入 网应急设备及不便铺设电缆及光缆的近距离场合。大气激光通信设备具有无电磁干扰、 组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比优等优点，可 传输多种速率的数据、话音、图像，具有广阔的应用前景。随着技术的不断完善和新 器件的不断出现，大气激光通信技术已成为当今信息技术的一大热门技术，其作用和 地位己能和光纤通信、微波通信相提并论，是构筑未来世界范围通信网必不可少的一 种技术。 自由空间光通信和其他无线通信相比。具有不需要频率诲可证、频率宽、成本低 廉、保密性好，低误码率、安装快速、抗电磁干扰，组网方便灵活等优点。正是由于 这些特点，f s o 系统正受到电信运营商越来越多的关注与青睐。对于有线运营商，f s o 可以在城域光网之外提供高带宽连接，而其成本只有地下埋设光缆的五分之一而 且不需要等6 个月才能拿到施工许可证。对于无线运营商，在昂贵的e l t 1 租用线 路和带宽较低的微波解决方案之外，f s o 在流量回输方面提供了一个经济的替代选择。 在目前这个竞争激烈的环境中，f s o 无疑为电信运营商以较低的成本加速网络部署，提 高“服务速度”，并降低网络操作费用提供了可能。而且f s o 技术结合了光纤技术的 高带宽和无线技术的灵活、快速部署的特性，可以在接入层等近距离高速网的建设中 大有用武之地，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率( 如 s t m l 或更高) 的情况下，f s o 不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径“1 。 空间光通信曾掀起研究的热潮，但自从7 0 年代光纤通信的迅速发展以及大气光通 信受到天气的严重影响，使得一度辉煌的空间光通信研究陷入低谷。随着对超稳激光 器、新型光束控制器、高灵敏度和高数据率接收器和适合空间应用的先进通信电子设 备的研究基本成熟，空f 8 j 光通信又成为下一代光通信的发展方向之一。在过去【0 年内， 对卫星轨道之i a j 、空对地、地对空、地对地等各种形式光通信系统的研究在世界各发 达国家中广泛进行，一些先进国家已经推出空间光通信的一些产品，如美国朗讯的 2 j 4 g b p s 波分复用系统，闩本佳能公司的无线光通信系统等。我因通信事! i 上的迅速 发展也对空同党通信提出了要求。无线激光通信在自由空1 丑j 通信( 军事应用) 车 j 字宙 通信方面起着关键性的作用，尤其是m 是与卫晕之川的通信。宇宙空蚓因为没囱。空气， 不存在对激光的散射、阻挡和吸收现象，可以实现高质量的宇宙通信，能够提供比目 前通信卫星更大的通信容量。在军事上很容易实现全球侦察。空间光通信的研究对今 后通信技术的发展具有重大意义“。 1 2 空间光通信技术国内外研究现状 空间光通信的概念最早提出于2 0 世纪六十年代中期，限于当时的技术发展水平， 光通信器件还无法满足星间通信的要求。直到8 0 年代，随着光电器件研制技术的飞 速发展以及军事、商业等各方面的要求，星间光通信系统的研究才逐渐受到重视。上 世纪7 0 年代初。美国国家航空和宇航局( n a s a ) 进行了c o 。激光和半导体泵浦的激光空 间通信系统的初步研究。此后又开展了低轨道小卫星星座激光链路的研究。7 0 年代 中期美国空军( a i rf o r c e ) 开展了选择最佳通信波长的研究工作，并进行了在a c t s 飞船上搭载使用半导体激光的发射机以建立飞船与地面之间的外差接收联系的预研 工作。而欧洲主要的研究机构欧洲航天局( e s a ) 一直非常重视空间激光通信的 研究工作并于1 9 7 7 年正式开展了高数据率空间激光链路研究。从1 9 8 9 年起，e s a 开 始实施著名的s i l e x ( s e m i c o n d u c t o rl a s e ri n t e r s a t e l l i t el i n ke x p e r i m e n t ) 计 划，研究应用于近她轨道卫星和地球同步轨道卫星之间的光通信系统。日本从8 0 年 代中期就开始空间激光通信的研究工作，有宏大的光通信计划。日本字宙开发事业团 ( n a s d a ) ，邮电部通信研究实验室( c r l ) 和高级长途通信研究所( a t r ) 的光学及无 线电研究室进行此方面的研究工作。 近几年来，在商业需求及政府支持巨大推动下，卫星光通信技术己成为美国的研 究热点。美国至今已经实施了多个有关卫星光通信的研究计划，研制了多十卫星光通 信实验终端。t h e r m ot a x 公司成功研究了可接收和发射激光光束的卫星附加器，并 进行了激光传输电视会议信号的实验。朗讯科技公司( l u c e n tt e c h n o l o g i e s ) 9 1 l j 进行 了地面空间光通信的w d m 实验。实验中采用i 5 5 0 n m 附近的四波长复用，单波长信道数 据率为2 5 g b s 。通信距离为4 4k m 。该实验装置的发射端和接收端均采用了光纤 w d m 器件。同时，美国还在积极进行小卫星星座中星1 8 j 激光链路终端的研制。1 9 9 8 年 e s a 又丌始研制新一代卫星光通信终端s r o i l 。在i 幺终端中采用半导体泵浦的激光激 光器作为新光源，同时将以往的直接探测改为相于探测，这样将大大提高系统的探测 灵敏度。此类终端的数据率最高可达1 5 g b s ，而终端的质量最小可达8 k g 。由此可见， e s a 在卫星光通信研究方匦己走在当今世界的静列。f l 本高级长途通信研究所( a t r ) 在1 0 几年的研究工作中对激光星州链路的光束控制、调制等关键技术进行了研究及 论证，并建立了套自由空恻模拟装置进行了相关的地面模拟实验。该装置通过模拟 激光在真空中长距离传输对光学天线进行评测，还可以通过模拟动态跟瞄偏差测试 a p t 子系统。a t r 利用这套装置进行了数掘率为数。r 亿比特的直接渊制光信号发射接 收实验。 同本于八十年代中期就开始了光学空间通信研究工作。同本航天局的主要系统是 始于1 9 8 5 年的l u c e ( l a s e ru t i l i z i n gc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 系统，它安装于 o i c e t s ( o p t i c a li n t e r o r b i tc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n gt e s ts a t e l l i t e ) 卫星 ( 在2 0 0 0 年夏天发射) 上，该通信端机和欧洲的s i l e x 通信端机兼容，并与e s a 的g e o 轨道上的a r t e m i s ( a d v a n c e dr e l a ya n dt e c h n o l o g ym i s s i o ns a t e l li t e ) 卫星上的 s i l e x 系统进行光通信实验，在轨道上证实对准、捕获和跟踪技术，以及轨道闻光通信 的其它关键技术。c r l 开发的空间光通信设备( l a s e rc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t - l c e ) ， 装载于1 9 9 4 年8 月2 8 日发射的e t s v i 实验卫星上，进行空间激光通信系统的基本技 术的演示。该卫星没有被发射到原计划的g e o 轨道上，由于轨道错误影响了其生存期。 在e t s v l 有限的生存期( 1 9 9 4 1 9 9 6 ) 内，c r l 和n a s a 的j p l 进行了一些空对地实验。 实验中使用强度调制和直接探测( i m d d ) ，建立了1 0 2 4 m b p s 的双向链路，卫星上使 用7 5 c m 直径天线。下行链路使用波长0 8 3 u m 、1 3 8 m w 的a i g a a s 激光二极管。东京 的上行链路采用0 5 l u m 波长的a r g o n 激光器，天线孔径1 5 m 。值得一提的是，1 9 9 5 年，美国与日本两颗相距3 9 万公里的卫星实现了互联，并成功的通话了8 分钟，是空 间光通信的第一次突破“1 。 我国从六十年代开始对激光技术展开研究，从1 9 6 1 年第一台激光器研制成功至 今，我国的激光技术取得了长足的进步，许多方面已经达到或接近世界先进水平。4 0 多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比 如信息光电子技术，非线性光学，超快激光学，量子光学，激光雷达，激光制导，激 光武器等等。这些交叉技术与学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。 到了9 0 年代，我国开始了以卫星通信为背景的卫星光通信技术研究，目前已经完成 了对国外研究情况的调研分析，一系列关键技术正在研究之中，在某些领域也取得了 突破性进展，但与国外还存在着很大的差距，尤其在高功率半导体激光器、高灵敏度 低噪声光学检测器件、a p t 技术等方面还有待突破。 2 1 世纪是高科技迅速发展的年代，也是光电技术突飞猛进的年代，大气和空间 激光通信技术势必将有非常大的提高和发展，尤其在电磁频谱复杂，电子干扰同益强 烈的环境中，光通信显得尤为重要。未柬大气和空i b j 激光通信尤其是保密通信将得到 广泛的应用，随着光通信中新技术、新器件的不断发展，激光通信的前景将更加美好。 1 3 本课题主要研究内容 本课题来源于我校激光通信国防科研项目中电子学主控部分，本文任务是 诞掘项 目要求，结合空问光通信系统的特点，设计空i b j 光通信电子学主控系统，论文的主要 研究内容是： 1 ) 空蚓激光通信系统总体结构； 2 ) 空川激光通信电子学主控系统总体方案发汁： 3 ) 空间激光通信电子学主控系统a v r 微处理器硬件电路设计； 4 ) 空间激光通信电子学主控系统软件设计； 5 ) 系统总体调试。 4 第二章空间光通信系统基本组成 空间激光通信系统包括光学分系统、电子学分系统、机械学分系统等几部分。本 章将研究空间光通信系统整体结构以及关键技术。 2 1 空间光通信系统介绍 系统主要分为五大部分：( 1 ) 激光发射部分；( 2 ) 激光接收部分；( 3 ) 捕获、瞄 准、跟踪( a p t ) 系统；( 4 ) 转台伺服驱动器；( 5 ) 电控系统。 系统工作过程： a p t 过程：系统在数据通信过程中，首先要进行信标光的瞄准、捕获和跟踪：a p t 系统分为粗、精二级跟踪模式。当目标进入粗跟踪视场，系统进入糨跟踪模式，实现 目标的捕获；当目标进入精跟踪视场，系统切换跟踪模式至精跟踪模式，对目标进行 瞄准和实时跟踪。 发射接收过程：系统一旦完成双方的精确对准和跟踪后，激光发射器打开，像接 收端发射通信光，接收端接收通信光。 整个过程能够顺利进行的关键是a p t 过程，只有发射和接收端真正对准，才能确 保通信的建立。 2 2 空阃光通信系统关键技术 在空间光通信技术中，通常采用信标光来完成空间光束的捕获、跟踪及瞄准。信 号的接收由信号光来完成。归纳起来，自由空间光通信主要包括以下几个方面的关键 技术： 1 ) 高功率光源 在空间光通信系统中，一般采用低功率主控激光器产生低幅度、低相位噪声和良 好频率特性的光信号，并采用外凋制器以降低啁啾，提高调制带宽，降低串话。鉴于空 间光通信传输距离长及空问损耗大的特点，要求光发射机输出功率大且调制速率高。 光源一般采用半导体激光器或半导体泵浦的y a g 固体激光器，既可作为信号光源，也 可作为信标光源。工作波长为0 8 1 s u m 近红外波段。信杯光源应能提供几瓦量级的 连续光或脉冲光，以便在大视场与高背景光干扰下，能快速、精确地捕获和跟踪目标， 可采用大功率单管或多管芯阵列组合以提高功率。通常信标光的凋制频率为几十赫兹 至几千赫兹或几十千赫兹，以克服背景光的干扰。信号光则选择输出功率为几十毫瓦 的半导体激光器，要求输出光束质量好、发散角小及渊剐频率高( 可达几十g t l z ) 。为实 现高速( g bit s ) 和氏距离( 几万千米) 星际链路，又不增加粤远天线的尺寸和质鞋， 光发射机后可接进末级高功率放大器。 2 ) 高灵敏度抗干扰的光信号接收技术 空间光通信系统中，光接收机收到的信号十分微弱，又加之高背景噪声场的干扰 导致接收端s n i 。为了快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取两方面的措施： 提高接收端机的灵敏度：对所接收信号进行处理。在光信道上采用光窄带滤波器( 干扰 滤光片或原予滤光器等) ，以抑制背景杂散光的干扰，在电信道上则采用微弱信号检测 与处理技术。 3 ) 精密、可靠及高增益的收发天线 为完成系统的双向互逆跟踪，空间光通信系统均采用收、发合一天线，隔离度近 1 0 0 的精密光机组件。由于半导体激光器光束质量一般较差，要求天线增益要高。另 外，为适应空间系统，天线( 包括主副镜，合束、分束滤光片等光学元件) 总体结构要 紧凑、轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至2 5 c m 。 4 ) 空间激光通信链路的快速而精确的捕获、跟踪和瞄准( a t p ) 技术 捕获( 粗跟踪) 系统： 激光信标发射的光束很窄，在相距极远的两卫星之间，必须保证信标的发射波束 覆盖接收机的接收天线，接收端能够捕捉跟踪发射端的窄光束。由于姿态监测控制系 统误差、参照系计算误差、卫星的腾空浮动和振动以及其它系统误差的存在，在收发 双方互相对准之后总有一个不确定角。空间捕获目标的范围为1 。2 0 。或更大， 通常采用c c d 来实现。 为了缓解对空间瞄准、捕获和跟踪系统苛刻的要求。同时加快通信链路建立速度， 接收机的视场角一定要宽，为几毫弧度，灵敏度为一i l o d b m ，跟踪精度为几十毫弧度。 然而，这样接收的背景辐射功率就会迅速上升，掩埋其中的信标信号。解决这一问题 、的关键在于接收机中使用超窄带宽、高透射率的光学滤波器。 跟踪与稻准( 精跟踪) 系统： 系统完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四像限红外探测器 q d 或q a p d 高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要 求视场角为几百微弧度，跟踪灵敏度为一9 0 d b m ，跟踪精度为几微弧度。 太阳光为地球表面的云层、积雪和海洋反射所产生的强烈背景辐射。对于地球同 步卫星( o e o ) 和低轨道卫星( l e o ) 之间的通信链路建立，这是一个巨大的挑战( 此外还 有太阳、月亮、金星等天体的背景辐射) 。好的干涉滤光片带宽为( 1 1 0 ) 1 0 “n l ，无 法满足要求：原子滤光器帝宽可迭到l l o 。2 m ，可以保证在一定信噪比的前提下有效 地扩大接收机的视场角，满足快速捕获信标的要求。 5 ) 发射机激光器的超高速率调制技术 目前各固空蚓激光通信实验的码率部在l o b s 以上而且不断提高，为了增大通 信容匿在一些方案中采用同一波长的两路旋向相反的圆偏振光同时传送，从而使通 信容量加倍；在超高速调制的同时，又要产生足够的功率用于广阔的空l a j e 离传输， 因此除研究大功率半导体激光器以外，国外还在研究采用激光二极管阵列的方案。 6 ) 高灵敏度抗干扰接收机技术 卫星之间的距离可长达4 万k m ，而激光波束的强度是按距离的平方递减的，也就是 说衰减可能达到1 5 2 d b 。接收机要有超高的灵敏度才行，否则背景辐射等噪声产生的 误码率将使接收机无法接收。目前除提高检测器本身灵敏度外，还在探讨外差接收及 纠错编码等途径。 7 ) 网络控制技术 空间激光通信的协议和控制，包括从低层的调制激光束的编码和同步、失效链路 检测、合适的数据链路协议设计以及高层的链路建立、信息包传送、拥塞防护、全球 兼容等各种问题。 2 3 空间光通信技术发展趋势 科学与应用研究成果的推广，空间应用将成为经济和社会发展的重要推动力之一。 随着科技的进步，空间通信成为了目前研究的重大课题。人类自二十世纪七十年代以 来，利用空间环境及其相对地球的高远位置进行了广泛的应用实验，突破了航天应用 领域众多的技术关键，拓展了广泛的应用领域，形成了通信、导航、气象、资源、科 学、深空探测等卫星系统。 尽管空间光通信与微波、毫米波通信相比是一种新兴的通信技术，但是，由于信 息产业市场发展的需求和近年来迅速发展的卫星光通信技术，些难度较大的关键技 术( 空间光束跟瞄技术、高背景噪声抑制技术等) 己经取得了较好的解决，研究更加 深入，技术也更加成熟。从世界卫星光通信发展格局与特点未看有以下四个方面： 1 ) 卫星光通信技术与系统的同趋完善： 2 ) 卫星光通信体制和通信协议的建立己被列入议事日程； 3 ) 卫星单元技术研究的进一步深化； 卫星光通信的应用范围同益扩大，卫星通信正在经历着革命性的变化，卫星间光通 信领域的研发人员也已经改变了他们的步伐和方向。小型、更好、更快是下一代系统 的特性，可以肯定的是数据率的提高。主要目的是赶上陆地光纤系统。较高功率的激 光和较高速度的光丌关，同时还有高速电子系统( a s i c 和i m i c ) 将有助于达到这个目 标。 关于光波长的研究，早甥的许多工作集中在0 ，s u m ，目前达到1 0 6 u m 。陆地光纤 系统采用掺饵光纤放大器达到高容量，这对空问光通信系统来晚具有吸引力，所以目 新的系统采用的波长集中在0 5 3 u m 。采用新材料【乜可以使系统更轻。低质量、小尺寸、 宽带以及相对较低的成本的终端，与r f 解决方案相比，在高比特率方面，具有明显的 优势。 值得提出的是，空阳j 光通信的发展是与商质量大功率 导体激光器、精密光学元 7 件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密的光、机、电综合技术的 研究和发展密不可分的。近几年来光电器件、激光技术、电子学技术的发展，为空间 光通信奠定了物质基础，在人力、物力上也作了准备。高新技术的发展和应用不仅为 空间通信信息产业的发展创造了条件，开拓了市场，其关键技术的实现也为未来移动 通信、计算机多媒体通信等终端联网，以及轻便光通信等民用和军用方面采用空间光 通信技术奠定了基础。 综上所述，全球大容量、多波段、立体覆盖的信息产业和通信技术的发展需求， 将必然为空间光通信开辟广阔的天地，对从事空间光通信的科技和工程人员是机遇， 也更是挑战，但相信通过共同的努力，空间光通信步入工程化和实用化是指日可待的。 可以预见，在不远的将来，卫星激光通信作为现代通信的一种新型技术，将走入人类 生话。 第三章电子学主控系统总体设计 3 1 电子学主控系统总体设计方案 空间光通信电控系统由主控计算机、a p t 控制器、信标光探测与处理、粗精转台伺 服控制、激光发射接收、电源及接口电路等部分组成。其中，主控计算机( 电子学主 控系统) 以嵌入式e t x m g x 微处理器和嵌入式a t m e g a a v r 微处理器为核心处理芯片， 负责控制a p t 转台、收发激光器、信标光发射器，同时还要对其它系统来的信息进行 接收、判断、处理并发出相应的命令。图3 1 为电子学主控系统框图： 图3 1 电子学主控系统框图 整个电子学系统中e t x 计算机负责接收g p s 定位系统数据并且对系统工作情况进 行实时显示，a v r 处理器负责接收来自激光收发系统、二维转台的信息，通过对信息 的判断，发出相应的控制指令。 3 2 主控系统处理器 系统中采用嵌入式处理器设计电子学主控系统。电子学总体控制是整个光通信系 统的核心单元，承担着空削激光通信系统的总体协调管理与控制功能，包括系统工作 过程控制、a p t 系统跟踪模式控制、激光发射接收系统通信控制、温度控制以及与外部 系统进行各种信息传递与交换等。 微处理器是整个电子学控制的核心部件。主控汁算机采用双c p j 复合式结构，即 主控计算机由嵌入式e t x m g x 微处理器和嵌入式盯m p g a a v r 微处理器组成。系统总体 控制采用微处理器主、从式控制模式，完成系统自检、总体管理及肘备j = ：系统的控制 和通信功能。e t x 主控计算机主要完成接收g p s n s 数据、坐标变换、与a v r 微处理器 通信、观察用c c d 实时显示以及数据显示功能；嵌入式a v r 微处理器作为主控系统i o 控制模块，完成对激光发射、激光接收、a p t 分系统跟踪位置误差及脱靶量控制功能； e t x 微处理器和a v r 微处理器在系统控制上，将按照时序要求分时工作，二者之间通过 串口实现数据的传输。 3 2 1e t x 嵌入式计算机 e t x ( e m b e d d e dt e c h n o l o g ye x t e n d e d 嵌入式技术延伸) 标准是一种嵌入式工业主 板标准，是针对各类专业应用的嵌入式p c 而提出的，主要面向专用计算机系统板的设 计者，它最初是由j u m p t e c ( 现已被k o n t r o n 并购) 制定，后经e t x 工业组织 ( e t x i n d u s t r i a lg r o u p ) 批准和发布，成为了该组织成员共同遵守和使用的规范。 目前，该组织拥有包括k o n t r o n 、a d l i n k 和l i p p e r t 等在内5 0 多家成员单位，可提 供基于n s 、v i a 、p e n t i u ml l l c e l e r o n 以及p e n t i u m - m 等多种c p u 架构的e t x 产品“1 。 e t x 最突出的表现为结构灵活、扩展容易、尺寸小巧等，与现在嵌入式可裁剪思想 相吻合，符合工业发展趋势。e t x 嵌人式计算机具有高性能，低功耗，小尺寸，完全 p c 兼容，易于升级等特点。其安装方式充分考虑了抗震动的恶劣环境的应用要求，是 一种适合工控行业要求的工业主板。 e t x 嵌入式计算机模块具有完整的p c 功能和高效的c p u 性能，为嵌入式应用提供 完美的解决方案。e t x 采用x 8 6 c p u 内核，主频可从2 0 0 m h z 到1 8 g h z 。在其9 5 1 1 4 m m 的尺寸上，集成了p c 所有的功能，同时提供标准p e 架构所具有的所有接口。e t x 标准 规定了采用该规范的模块的标准外观结构、标准连接器的分布以及连接器对应引脚的 信号描述。 通常，较p c i 0 4 相比而言，e t x 标准规定了采用该规范的模块的标准外观结构、标 准连接器的分布以及连接器对应引脚的信号描述。通常，符合e t x 标准的s o m 模块上 集成了无需风扇的低功耗c p u ，同时还集成了各种计算机标准功能接口如：e t x 模块上 包含了高性能x 8 6 系列的c p u 、芯片组、南北桥。板子背面的4 x l o o p i n 总线引脚定义 了p c 的标准接口信号以及p c i 和i s a 信号等。应用时只需在基扳上设计对应的 4 x l o o p i n 插座，扩展的i 0 功能可通过总线上的p c i 或i s a 实现扩展了外接h d d 、f d d 、 声卡、串并口等功能，方便用户根据自身需求，定制功能，设计自己的主板。同时， e t x 系列产品有较长的生命周期，并且可以互换。 e t x 应用系统采用背板设计，底板上设计4 个e t x 插座( x 卜x 4 ) ，通过四个l o o p i n 的高密度连接器来实现计算机板与底饭之问的连接，如图3 2 所示为设i , - t p c b 的：；d 图象。 每个连接器对应的信号分配为： l ) e t x 连接器x i ：p c 总线( 3 2 何) 、u s b 、声卡： 2 ) e t x 连接器x 2 ：i s a 总线( 1 6 位) ： 3 ) e t x 连接器x 3 ：v g a 、l e d ( l v d s ) 、c o m l 、c o m 2 、i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 、 键盘鼠标； 4 ) e t x 连接器x 4 ：e i d e ( 2 ) 、以太网、特性信号。 图3 2g r x 的p c b 的3 d 图象 e t x 嵌入式计算机主要面向高性能、高集成、高稳定型的系统设计。有了e t x 嵌入 式计算机核心模块，无需考虑功能复杂的c p u 部分电路设计，只需专注于所需的功能 模块进行扩展开发、生产，把e t x 模块看作是一个集成了c p u 、p c i 总线、i s a 总线以 及标准p c 1 0 功能的特殊芯片，从而简化系统的设计，真正的实现了“把p c 象芯片 一样设计到目标应用系统中。 基于e t x 设计，可根据实际需要自定义主板的形状、尺寸、接插件位置和类型等， 并直接集成扩展的i o 功能，从而增加了主板的集成度，同时也缩短了开发周期并简 化了整个生产过程。e t x 模块具有高性能，低功耗( 典型值：e p u 主频5 0 0 m h z 时1 2 w ) ， 小尺寸( 9 5 x l1 4 x l o m m ) ，完全p c 兼容，易于升级等特点。并且其安装方式充分考虑了 抗震动的恶劣环境应用要求，是一种非常适合于工控行业要求的工业主板。 e t x 嵌入式计算机模块凭借其强大的功能、较小的体积和低功耗使其成为空间激光 通信主控系统设计的首选。系统中，采用e t x 微处理器主要完成坐标变换、数据计算、 通信及显示控制等功能。 3 2 2a v r 嵌入式单片机 a v r 单片机是a t m e l 公司1 9 9 7 年推出的精简指令集( r i s e ) 单片机系列。a 1 e l 公司通过a v r 把r i s e 技术带到了8 位单片机世界，这种全新的结构带来了很多优势。 该系列的程序存贮器是在片内的f l a s h 存贮器，可以反复修改上千次、这对新产品丌 发，产品升级都是很方便的“j 。 a t m e i 。公司曾经把5 1 内核与其擅长的f i a s h 制造技术相结合，推出可重复擦写1 0 0 0 次以上低功耗的8 9 c 5 1 5 2 等产品，取代其它8 0 5 i 系列，称霸单片机市场数年。a v r 单片机是1 9 9 7 年由a t m e l 公司研发出的增强型内置f l a s h 的r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc p u ) 精简指令集高速8 位单片机，使得a v r 单片机具备1 m i p s m h z 的高速处理能力。a v r 单片机吸取p i c 及8 0 5 1 单片机的优点，并作了重大改进，广泛 应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。 a v r 系列单片机的特点： 1 ) a v r 单片机是高速单片机。硬件采用哈佛( h a r w a r d ) 结构，达到一个时钟周期可 以执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令。 2 ) a v r 单片机支持程序的在系统编程i s p ，开发门槛较低。只需一条i s p 并口下 载线，就可以把程序写入a v r 单片机。 3 ) a v r 单片机采用了可多次擦写的f l a s h 存贮器给用户的开发生产和维护带来 方便。a v r 单片机的f l a s h 程序存储器，可擦写1 0 0 0 次以上，而新工艺a v r 器 件，程序存储器擦写可达1 0 0 0 0 次以上，因此大家可以放心的实验和调试下载 程序。 4 ) a v r 单片机有丰富的外设，如r t c 、w a t c h d o g 、a d 转换器、p 州、u a r t 接口 等。部分型号还可以使用片内振荡器提供系统1 8m h z 的系统时钟，使该类单 片机无外加晶振器件即可工作。 5 ) i 0 口功能强、驱动能力大。a v r 单片机的i o 口是真正的i o 口，能正确反映 i 0 口输入输出的真实情况。i o 口有输入输出、三态高阻输入，也可设定内 部拉高电阻作输入端的功能，以便于各种应用所需( 多功能i o 口) 。 6 ) 具有较大容量e e p r o m ，有可擦写l o 万次的e e p r o m ，为掉电后数据的保存带来方 便，来电后能记住掉电时的工作状态，e e p r o m 容量为6 4b 4k b 。 7 ) a v r 是低功耗单片机，具有休眠省电功能( p o w e rd o w n ) 及闲置( i d l e ) 低功耗功 能。一般耗电在l 2 5l t l a ；对于典型功耗情况，w d t 关闭时为1 0 0n a 更适用 于电池供电的应用设备，有的器件最低1 8v 即可工作。 8 ) 高度保密性，不可破解的位加密锁l o c kb i t 技术，且具有多重密码保护锁死 ( l o c k ) 功能。 根据项目的实际情况，主控系统将选择a v r 单片机m e g a 系列高端产品a t m e g a 2 5 6 0 。 2 第四章主控系统硬件电路设计 4 1电子学主控系统硬件结构 电子学主控系统微处理器主要由两大部分构成：e t x 计算机和a v r 处理器。电子学 系统的主要功能有：与g p s 进行数据传输、与二维转台进行通信、高速数据存储通信、 编码通信、激光发射接收系统控制、电源温控系统控制、信息实时显示、a v v g a 输 入切换等，另外，e t x 与a v r 之间也有专门的信息通信格式进行数据传输，图4 i 为主 控系统结构框图： g p 洲s 敦据入 1 液晶，v g a 显示l e t x - “唱 计算机 一机界面c a 标，键盘，l 一一 粗跟踪 转台控制 a p t 控制 数据存储 r s 4 2 2 主控计算帆 _ 精跟踪 转台控制 萋薹叠蕞 信杯光控制 a v r 制输八偶盘，显示) 障 微处理器 壬 系境娃控 l l u 源系统 幽4 1 电控系统总体控制设计框图 整个主控计算机采用双c p u 复合式结构，根据e t x 与a v r 各自特点，系统中 显示界面、g p s 数据接收由e t x 计算机负责：控制命令发出、a v v g a 输入切换、与其 他设备通信及信息处理由a v r 负责。 4 2a v r 微处理器一a t m e g a 2 5 6 0 由于主控系统中a v r 部分承担着与车日精a p t l ，e t x 、编码、高速存储通信并进行数 据运算的任务，所以通信用串口数最以及信息运算速度是a v r 部分设计的一个重要指 杯。 3 a v r 微处理器中的a t m e g a 2 5 6 0 有四个u s a r t ( 通用同步和异步串行接收器和转发 器) ，串口数量满足设计要求，而其高达1 6 m i p s 的指令执行速度更是保证了整个系统 的高速运行， 4 2 1a t m e g a 2 5 6 0 特点 a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有台勺寄存器都直接与算逻 单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高1 0 倍的数据 吞吐率。 a t m e g a 2 5 6 0 具有如下特点：2 5 6 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有在写的过程中 还可以读的能力，即r w w ) 、4 k 字节的e e p r o m 、8 k 字节的s r a m 、8 6 个通用i o 口线、 3 2 个通用工作寄存器、实时时钟r t c 、6 个灵活的具有比较模式和p w m 功能的定时器计 数器( t c ) 、四个u s a 耵、蔼向字节的两线接口硼i 、1 6 通道1 0 位a d c ( 具有可选的可 编程增益) 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、s p i 串行端口、与i e e e1 1 4 9 1 规 范兼容的j t a g 测试接口( 此接口同时还可以用于片上调试) ，以及六种可以通过软件 选择的省电模式。空闲模式时c p u 停止工作，而s r a m 、t c 、s p i 端口以及中断系统继 续工作：掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止 工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持 时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态； a d c 噪声抑制模式时c p u 和所有的i o 模块停止运行。面异步定时器和如c 继续工作。以减少a d c 转换时台开关噪声；s t a n d b y 模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动 能力；扩展s t a n d b y 模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。器件是以a t m e l 的高 密度非易失性内存技术生产的。片内i s pf l a s h 可以通过s p i 接口、通用编程器，或 引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用f l a s h 存储器。 在更新应用f l a s h 存储器时引导f l a s h 区的程序继续运行，实现r w w 操作。通过将8 位 r i s cc p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在一个芯片内， a t m e g a 2 5 6 0 为许多嵌入式控 制应用提供了灵活丽低成本的方案。a t m e g a 2 5 6 0a v r 有整套的开发工具，包括c 编译 器，宏汇编，程序调试器仿真器和评估板。图4 2 为a t m e g a 2 5 6 0 功能结构图： 4 2 7 0 魁 町0 幽4 2h t m e g a 2 5 6 0 功能结构图 4 2 2a t m e g a 2 5 6 0 复位及中断处理 a v r 有不同的中断源。每个中断和复位在程序空间都有独立的中断向量。所有的 中断事件都有自己的使能位。当使能位置位，且状态寄存器的全局中断使能位也置位 时，中断可以发生。根掘程序计数器p c 的不同，在引导锁定位b l b 0 2 或b l b l 2 被编 程的情况下，中断可能被自动禁止。这个特性提高了软件的安全性。程序存储区的最 低地址缺省为复位向量和中断向量。列表也决定了不同中断的优先绒，向量所在的地 址越低，优先级越高。r e s e t 具有最高的优先级，第二个为i n t o 一外部中断清求0 。通 过置位m c u 控制寄存器的i v s e l ，中断向量可以移至引导f l a s h 的起始处。编程熔丝 pit，p|i 位b 0 0 t r s t 也可以将复位向量移至引导f l a s h 的起始处。 任一中断发生时全局中断使能位i 被清零，从而禁止了所有其它的中断。用户软 件可以在中断程序里置位1 来实现中断嵌套。此时所有的中断都可以中断当前的中断 服务程序。执行r e t i 指令后i 自动置位。 从根本上说有两种类型的中断。第一种由事件触发并置位中断标志。对于这些中 断，程序计数器跳转到实际的中断向量以执行中断处理程序，同时硬件将清除相应的 中断标志。中断标志也可以通过对其写1 的方式来清除。当中断发生后，如果相应的 中断使能位为o ，则中断标志位置位，并一直保持到中断执行，或者被软件清除。类似 的。如果标志被清零，则所有己发生的中断都不会被执行。直到i 置位，然后挂起的 各个中断按中断优先级依次执行。第二种类型的中断则是只要中断条件满足，就会一 直触发。这些中断不需要中断标志。若中断条件在中断使能之前就消失了，中断不会 被触发。 。 4 3a v r 微处理器硬件电路设计 整个a v r 主控系统由激光器发射控制电路、串行通信电路、电源监控电路、数码 管显示电路、键盘输入电路、复位电路、外围接口电路组成，如图4 3 所示，下面将 对各电路进行说明： 皇 暑星 善釜 霾蓊瓣 看覃覃i i 喜i 莹量量 f e “n d d j t h i “ d d ，c o x 咖“$ 喜；嘉l i l l l 琵雏隧 i r - - , 囊囊 _藐目羽； 涮。翌透 明谨 星窑 ；e 琵 委 皂 燃墩 0 u z k m 目 s l l ：岂卷 ：； 翥惑 4 j m d 自o 4 - 【l 1 s o j 2 “：= c w o 自j7 = 一o a t j l v ，z 一i j w 型1 0 , ：i ：一i 口h 吨。：一i n 幽d ，3 a v r 埂r i 原理幽 7 胃 镭 毒 b g t 镕 ，；：；“q； ，z ， 爿幂鞴叫 j2z一0no一 嗣|必疆 | -， ”；jd习卜_目目a 贮联捌la矧自lljl 器筇餮醛 一鲤嚣配“掰一 露餮珑 一般暂一 2_i：一f至h5-jipz：；ilz；癸羡筇驱绝鞭薹验壅琵蝰韭强疆 膊 韵川划吲 ：强 孵r 4 3 1 多功能电源监控电路 带电压监控的复位电路又叫电源监控电路，多功能电源监控电路具备如下功能： 1 ) 上电复位保障上电时能正确地启动系统； 2 ) 掉电复位当电源失效或电压降到某一电压值以下