Ringkasan:
Untuk menyediakan data lingkungan yang penting untuk penelitian kinerja penerima navigasi satelit, dirancang sebuah perangkat yang dapat mengumpulkan dan menyimpan sinyal satelit navigasi yang sebenarnya. Sistem ini menggunakan FPGA + ARM sebagai chip inti, dan mengintegrasikan sirkuit konversi turun frekuensi radio, sirkuit konversi A / D berkecepatan tinggi, dan modul penyimpanan data berkecepatan tinggi. Modul-modul ini merupakan sistem akuisisi dan penyimpanan sinyal navigasi satelit dengan saluran pengambilan sampel ganda, tingkat penyimpanan pengambilan sampel yang tinggi, dan portabilitas yang kuat. Pada platform perangkat keras lengkap, melalui pengujian sinyal sebenarnya dari satelit di orbit, kebenaran akuisisi sinyal dan data sistem penyimpanan diverifikasi, dan persyaratan desain yang diharapkan terpenuhi.
Format kutipan berbahasa Mandarin: Huang Geng, Ji Yuanfa, Sun Xiyan. Perancangan sistem akuisisi dan penyimpanan sinyal navigasi satelit. Aplikasi teknologi elektronik, 2016, 42 (4): 63-66.
Format kutipan bahasa Inggris: Huang Geng, Ji Yuanfa, Sun Xiyan. Perancangan sistem akuisisi data berdasarkan sinyal satelit navigasi Aplikasi Electronic Technique, 2016, 42 (4): 63-66.
0 Kata Pengantar
Penelitian dan pengembangan receiver navigasi satelit perlu dilakukan dalam lingkungan sinyal nyata.Namun, beberapa lingkungan nyata seringkali jauh atau bahkan dalam kondisi buruk. Hal ini tidak hanya membawa prosedur operasi yang lebih rumit pada proses penelitian dan pengembangan, tetapi juga meningkatkan investasi modal. Hal ini menimbulkan permintaan baru, yaitu, pengembang penerima memerlukan jenis peralatan baru yang dapat mengumpulkan dan menyimpan sinyal GNSS secara sederhana dan efisien di lingkungan nyata, dan dapat mengekstrak data sinyal untuk digunakan langsung kapan saja untuk pemantauan penerima. Algoritma.
Karena penerima perangkat lunak perlu menyediakan data observasi yang paling orisinal, kinerjanya secara langsung mencerminkan persyaratan penerima perangkat lunak untuk data asli, sehingga kualitas data asli sangat penting. Saat ini, banyak akuisisi sinyal satelit navigasi dan sistem penyimpanan didasarkan pada USB, bus PCI, dan hard disk IDE, dan laju pengambilan sampel dan penyimpanannya menjadi semakin sulit untuk memenuhi permintaan yang meningkat akan receiver berkinerja tinggi. Dibandingkan dengan teknologi bus sebelumnya, teknologi bus PCI Express dan teknologi bus SATA telah sangat meningkatkan kecepatan transmisi data dan skalabilitas, dan dapat lebih memenuhi kebutuhan dalam hal ini.
1 Arsitektur sistem secara keseluruhan
Sistem akuisisi dan penyimpanan sinyal navigasi satelit yang dirancang dalam makalah ini terdiri dari modul konversi turun RF, modul konversi A / D kecepatan tinggi, FPGA, ARM, modul kontrol penyimpanan hard disk SATA, dan hard disk SATA. Arsitektur sistem secara keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 1.
Sirkuit konversi turun frekuensi radio bertanggung jawab untuk mengubah sinyal frekuensi radio navigasi titik frekuensi GPS L1 dan sinyal titik frekuensi BD2 B1 di lingkungan pada saat yang sama, mengubahnya menjadi sinyal frekuensi antara analog dan mengeluarkannya pada saat yang bersamaan. Ada dua modul konversi A / D berkecepatan tinggi, dan dua modul A / D bertanggung jawab untuk mengukur dan mengambil sampel secara sinkron dua sinyal frekuensi menengah analog. Setelah data pengambilan sampel A / D di-cache di dalam perangkat FPGA, inti hard IP PCI Express di dalam FPGA digunakan untuk mengontrol modul kontrol penyimpanan hard disk SATA SiL3132 dengan bus PCI Express sebagai antarmuka kontrol transmisi. SiI3132 bertanggung jawab atas konversi protokol dari bus PCI Express ke bus SATA. Fungsi utama mikrokontroler ARM adalah untuk mewujudkan penyimpanan hard disk SATA melalui interaksi perintah dan data FPGA.
2 Desain sirkuit perangkat keras utama dari sistem
2.1 Desain sirkuit konversi-turun RF
Bagian front-end RF adalah bagian penting dari sistem. Artikel ini memilih RX3007 sebagai chip konversi turun RF. RX3007 adalah chip navigasi frekuensi radio dual-channel mode ganda Beidou 2 B1 / GPS L1. Chip ini sangat terintegrasi, mendukung kerja simultan saluran ganda, dan memiliki karakteristik sinyal frekuensi menengah rendah. Chip ini dapat mengeluarkan dua sinyal output frekuensi menengah analog setelah konversi turun sinyal frekuensi radio navigasi yang diterima dari antena. Secara default, sinyal frekuensi radio titik frekuensi BD2 B1 dan titik frekuensi GPS L1 diterima secara paralel. Frekuensi sinyal IF analog keluaran BD2 B1 dan GPS L1 masing-masing adalah 4,092 ± 2,046 MHz dan 4,092 ± 1,023 MHz. Gambar 2 adalah diagram skema rangkaian modul konversi turun RF.
2.2 Desain sirkuit modul konversi A / D
Konverter analog-ke-digital adalah salah satu komponen utama yang menentukan indeks kinerja sistem akuisisi, dan memiliki dampak signifikan pada keakuratan data akuisisi. Sistem ini memilih AD9233 untuk mewujudkan fungsi konversi analog-ke-digital dari sinyal frekuensi antara analog. AD9233 adalah konverter analog-ke-digital chip tunggal dengan akurasi kuantisasi 12 bit dan laju pengambilan sampel hingga 125 MS / s. Sumber tegangan referensi terintegrasi pada chip dan penguat sampel dan tahan memiliki kinerja yang sangat baik. Fungsi utama modul ini adalah untuk mengambil sampel dan mengubah sinyal analog-ke-digital dari sinyal IF analog front-end, dan mengirimkan data sampel ke FPGA ujung belakang. Dengan mempertimbangkan karakteristik IF-rendah dari sinyal IF analog front-end dan batasan laju throughput data penyimpanan back-end, frekuensi pengambilan sampel A / D diatur ke 39 MS / s, yang cukup untuk memenuhi fungsi sistem dan indikator kinerja. Gambar 3 adalah diagram skema rangkaian modul konversi A / D.
2.3 Desain modul kontrol penyimpanan hard disk
Chip inti kontrol penyimpanan sistem ini menggunakan SiI3132 yang diproduksi oleh Silicon Image, yang merupakan pengontrol host yang mengubah dari saluran PCI Express tunggal menjadi port SATA ganda. Chip ini sangat terintegrasi dengan lapisan transmisi SATA2.0, lapisan tautan, dan logika kontrol lapisan fisik, memberikan solusi lengkap chip tunggal dari bus PCI Express ke perangkat SATA. SiI3132 mendukung spesifikasi antarmuka SATA2.0 lengkap, termasuk dukungan untuk kecepatan transfer hingga 3,0 Gb / s, fungsi NCQ hard disk dan fungsi hot-swappable. Antarmuka bus PCI Expressnya mendukung spesifikasi standar PCI Express 1.1, salurannya adalah x1, dan kecepatan transfer datanya adalah 250 MB / s. Diagram skema modul kontrol penyimpanan hard disk ditunjukkan pada Gambar 4.
3 Desain program kunci sistem
3.1 Konfigurasi hard core PCI Express
Perangkat FPGA dari sistem ini memilih chip seri Cyclone IV GX EP4CGX150 yang diproduksi oleh Altera Company. FPGA berisi hingga 8 transceiver kecepatan tinggi dupleks penuh dengan kecepatan 3,125 Gb / dtk, dan menyediakan IP hard-core PCI Express 1.1 yang memerlukan lebih sedikit sumber daya untuk mencapai laju 2,5 Gb / dtk yang diperlukan oleh spesifikasi PCI Express 1.1. Codec 8B / 10B dan tumpukan protokol berlapis PCI Express, dan mendukung mode saluran x1, x2, x4, adalah solusi protokol PCI Express yang lengkap.
Hard core IP PCI Express dirancang untuk menggunakan modul megafungsi Quartus II untuk menyelesaikan konfigurasi parameter hard core tertentu. Dalam proyek Quartus II 15.0, klik Katalog IP di bawah menu Alat, dan pilih Kompiler IP untuk PCI Express v15.0. Antarmuka konfigurasi hard core ditunjukkan pada Gambar 5. Inti IP keras dipilih untuk desain, jumlah saluran x1, jam referensi 100 MHz, frekuensi jam aplikasi diatur ke 125 MHz, dan jenis port adalah port root. Klik Next untuk membuat rangkaian pengaturan untuk konfigurasi ruang, kapasitas, cache, dan manajemen daya. Desain ini menggunakan pengaturan default. Terakhir, klik Selesai untuk menghasilkan file inti keras PCI Express.
3.2 Desain driver penyimpanan hard disk
Mikrokontroler ARM bertindak sebagai pengontrol utama dalam proses penyimpanan. Mikrokontroler ARM menggunakan chip STM32F429 yang diproduksi oleh STMicroelectronics. FPGA dan SiI3132 secara langsung terhubung melalui antarmuka PCI Express Oleh karena itu, ARM mengontrol SiI3132 dengan mengeluarkan berbagai perintah kontrol ke FPGA untuk secara tidak langsung mewujudkan akses ke register internal SiI3132 dan RAM perintah internal, sehingga mewujudkan kontrol baca dan tulis dari hard disk. . Untuk SiI3132, sistem ARM + FPGA dianggap sebagai tuan rumah.
Pengontrol kontrol penyimpanan SiI3132 terutama terdiri dari dua sub-modul: modul logika PCI Express dan modul logika port SATA. Dalam modul logika PCI Express, register konfigurasi dan register globalnya terletak di ruang konfigurasi PCI, yang dapat diakses secara umum sesuai dengan spesifikasi protokol terkait PCI. Ada dua blok logika SATA, fungsinya persis sama, dan mereka terutama bertanggung jawab untuk berkomunikasi dengan perangkat SATA. Bus PCI Express dan bus SATA di dalam chip berbagi jalur data, dan eksekusi protokol serta transfer data dikendalikan oleh mesin status perintah baca dan mesin status perintah eksekusi. Kedua mesin negara ini masing-masing memiliki FIFO perintah terkait, dan setiap perintah FIFO memiliki 31 slot perintah. Sebuah perintah menempati 128 B, yang mencakup 64 B PRB (The Port Request Block) dan 64 B SGT (The Scatter / Gather Table, tabel tersebar / terpusat).
Struktur data PRB meliputi empat bagian: (1) Bidang kontrol, yang menunjukkan jenis PRB. Menurut bidang jenis PRB yang berbeda, PRB memiliki berbagai bentuk perintah: perintah ATA standar, perintah PACKET, perintah soft reset, dll. (2) Bidang penulisan ulang cakupan protokol digunakan untuk secara selektif mengubah aliran protokol SATA normal. (3) Area FIS berisi FIS (Frame Information Structure) awal yang dikirim ke perangkat saat PRB dijalankan. (4) SGE (The Scatter / Gather Entry, Scatter / Gather Entry) mendefinisikan alamat dari data yang dikirimkan. Artinya, dalam proses penyimpanan, host hanya perlu mengisi entri SGE untuk alamat cache dari data yang dikumpulkan.Ketika perintah transmisi data dijalankan, bus data akan mengirimkan data yang sesuai ke perangkat hard disk SATA. Sebuah SGT berisi 4 entri SGE, jadi perintah PRB lengkap berisi total 6 entri SGE. Struktur data PRB selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 1.
Dalam driver penyimpanan hard disk SATA, diagram alur program penulisan hard disk ditunjukkan pada Gambar 6. Tuan rumah menulis aliran perintah terus menerus ke dalam perintah FIFO, dan perintah di slot perintah secara berurutan diambil dan dieksekusi. Host mengakses perintah FIFO dengan mengakses base address register 1 di ruang konfigurasi PCI.
Host membuat PRB yang berisi perintah SATA yang sesuai dan menulisnya ke SiI3132. SiI3132 menghasilkan FIS yang sesuai menurut PRB. FIS adalah unit dasar untuk transmisi data dan interaksi protokol dengan perangkat SATA. Setelah perintah SATA dijalankan, host melakukan pemrosesan selanjutnya sesuai dengan status penyelesaian dari perintah yang sesuai.
4 Hasil pengujian
Setelah desain sistem selesai, fungsi sebenarnya dari sistem diuji melalui beberapa percobaan. Pengujian ini menggunakan hard drive solid-state sebagai perangkat penyimpanan, dan objek akuisisi serta penyimpanan adalah sinyal navigasi satelit yang sebenarnya. Setelah penyimpanan selesai, hubungkan hard disk ke komputer, dan jalankan penerima perangkat lunak MATLAB untuk menganalisis data yang dikumpulkan. Mulai dari spektrum sinyal, efek penangkapan dan pelacakan dan pemosisian akhir, keakuratan data yang dikumpulkan dievaluasi. Gambar 7 menunjukkan rangkaian hasil analisis salah satu sinyal frekuensi tengah titik frekuensi GPS L1 yang dikumpulkan dan disimpan.
Terlihat dari hasil analisis Gambar 7 bahwa frekuensi tengah sinyal frekuensi antara GPS L1 sekitar 4.092 MHz, dan bandwidth sinyal sekitar 2.046 MHz. Dapat berhasil menangkap 6 satelit GPS, nomor satelitnya adalah 2, 5, 12, 15, 26, 29, dan berhasil mencapai pemosisian. Hal ini menunjukkan bahwa sistem akuisisi dan penyimpanan secara akurat mengumpulkan dan menyimpan dengan benar sinyal frekuensi menengah dari titik frekuensi navigasi satelit hingga batas tertentu, dan mencapai tujuan desain sistem.
5. Kesimpulan
Untuk memenuhi persyaratan data asli dari lingkungan nyata dalam proses penelitian penerima navigasi satelit saat ini, makalah ini mengusulkan sistem akuisisi dan penyimpanan sinyal navigasi satelit dan menguji fungsi sebenarnya dari sistem tersebut. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem dapat mengumpulkan dan menyimpan sinyal frekuensi menengah satelit navigasi secara akurat. Selain itu, peralatan tersebut juga dapat digunakan dalam analisis sinyal dan penelitian simulator sinyal GNSS dan satelit GNSS di orbit, yang memiliki prospek aplikasi yang luas.
referensi
Li Bao, Cao Kejin, Xu Jiangning, dll. Perancangan Sistem Akuisisi Sinyal Navigasi Multi-channel Berbasis FPGA dan USB Interface Pengukuran dan Kontrol Komputer, 2012 (2): 541-543.
Silicon Image.SiI3132 PCI express ke lembar data pengontrol ATA serial. (2010-05-07) .http: //wenku.baidu.com/link? Url = UlR-pZJUZpjJjACqE-J36abR_7cWzJTMx2Z7tXczxYQ1g8Ge3abAs-BmgVNLOKQrWe
Hu Hui. Desain dan implementasi sistem akuisisi dan perekaman data berkecepatan sangat tinggi multi-saluran. Nanjing: Universitas Sains dan Teknologi Nanjing, 2010.
Bruce Lee, Meng Lilin, Shao Ruirui, dll. Desain platform aplikasi PCI Express berdasarkan FPGA Electronic Technology, 2014 (12): 108-111.
Zhang Hui, Chen Xin, Shen Jingjing, dll. Evaluasi desain dan simulasi sistem penyimpanan airborne berkapasitas besar Electro-Optics and Control, 2014 (5): 104-108.
Zhang Tianwen. Desain dan implementasi pengontrol hard disk solid-state berdasarkan antarmuka SATA 2.0. Taiyuan: Universitas Utara Cina, 2015.
- Samsung S10 + edisi terbatas akan mulai dijual pada 15 Maret: penyimpanan 12GB + 1TB, bodi keramik, harga lebih dari 10.000
- Animator spesial "Mommy Duck", elit industri berkumpul untuk memuji animasi Tiongkok yang melonjak ke ketinggian baru
- "Academic Paper" Algoritma jaringan heterogen satelit seleksi dua arah multi-pengguna berdasarkan teori permainan
- 27 tembakan tiga angka memecahkan rekor, Harden 30 + 13 + 9 Rockets membanting Suns untuk menang 6 kali berturut-turut
- Berita baru dari Xiong'an! Tenaga hijau mempercepat pembangunan Distrik Baru Xiong'an dan membuka era interkoneksi energi
- Apa itu usaha patungan? Tujuh puluh delapan puluh ribu kursi sedan milik sendiri ini benar-benar bagus