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基于ARM9的微波功率调理模块设计实现

2015-04-18   来源:互联网   点击:
  1、引言  随着科学技术的飞速发展,航空航天设备、军用武器系统等高技术产品的复杂程度日益提高,传统的人工检测维护手段已经无法满足现代化装备的支持保障要求,自动测试系统(ATS)正逐步成为复杂系统与

  1、引言

  随着科学技术的飞速发展,航空航天设备、军用武器系统等高技术产品的复杂程度日益提高,传统的人工检测维护手段已经无法满足现代化装备的支持保障要求,自动测试系统(ATS)正逐步成为复杂系统与设备可靠运行的必要保证。

  一套微波自动测试系统主要包括主控计算机、程控电源、信号源、频谱仪、频率计、功率计和网络分析仪等。由于微波被测信号的幅度动态范围很宽,而组成自动测试系统的仪器的种类繁多,每种仪器都有各自的功率测量范围。如果采用手动方式调整被测信号的幅度,不但会影响测量速度,而且在精密测量中,还会造成测试数据的一致性很差,甚至产生错误数据。为了解决这些微波测量中遇到的实际问题,我们设计了微波功率调整模块,将被测信号连接到微波功率调整模块的输入端,而输出端与测量仪器相连。通过主控计算机程控微波功率调整模块,对输入信号的功率进行调整。与手动调整相比,这大大提高了测试速度,具有很高的可靠性和灵活性。通过对自动、手动测试数据的分析比较发现,自动测量准确度也提高了一个数量级。

  在当今的“后PC”时代,嵌入式系统以其高集成度、体积小、功耗低、可靠性高等特点,广泛应用于工业控制、无线通信、网络应用等方方面面。基于该系统设计的微波功率调理模块极大的提高自动控制测量效率。同时,为了将微波功率调理模块方便、可靠、灵活的融入到各种不同自动测试系统中,我们采用USB总线、LAN总线和RS232总线控制。三种总线都是标准的计算机总线,针对不同的微波测试系统,既方便集成,又占用最少的资源。

  2、模块电路原理设计

  微波功率调理模块主要由三部分组成:微波组件单元,ARM芯片最小系统单元和接口单元。其他辅助电路包括驱动电路、指示电路和电源电路。原理框图如图1所示。输入的被测信号经过微波组件单元的调理,输出功率满足后续电路测试需要。ARM芯片最小系统是整个模块的“大脑”,它接收上位机发出的指令并判断、解释,如果满足预定的握手协议,根据指令要求控制微波组件的放大、衰减量;如果不满足预置的握手协议,返回错误信息,等待下一次指令到来。接口电路包括USB接口、LAN接口和RS232接口,它是上位机和ARM芯片通讯的“桥梁”。多样性的接口既可以满足不同系统的搭建,又可以在允许的范围内尽可能的少占用系统资源。

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  图1 微波功率调理模块电路原理框图

  3、微波组件单元设计

  微波组件单元是整个模块的主功能单元,它包括一个-90dB的程控步进衰减器和一个+30dB的程控步进放大器,两者之间采用串联关系。具体连接关系如图2所示。

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  图2 微波组件单元电路原理框图

  衰减器的四个衰减档分别为-10dB、-20dB、-30dB和-30dB。他们之间灵活组合,就可以形成一个步进量为10dB,总衰减量为-90dB的步进衰减器。放大器的三个放大档分别为+10dB,总放大量为+30dB。由于二者之间采用串联工作方式,所以整个微波组件的功率调节范围为-90dB~+30dB,步进量位10dB。

  由于微波组件的控制电路与TTL不兼容,他们之间需要通过驱动电路来进行转换。驱动电路可以采用已经封装好的驱动模块成品,也可以采用集成电路设计。考虑成本因素我们决定采用集成电路设计方案。驱动电路主要包括74ALS175D和ULN2803A两片集成电路。输入的TTL控制信号驱动74ALS175N,输出一组相位两两相反的控制信号。这一组控制信号输入到ULN2803A,通过与微波组件内部控制电路相配合,形成内部电磁场控制衰减、放大各档的旁路开关,从而达到自动调节衰减量的目的。

  4、ARM芯片最小系统设计

  4.1 S3C2410芯片特点简介

  S3C2410处理器为ARM920T内核,它是16/32位RISC CPU,拥有独立的16KB指令和16KB数据CACHE、MMU虚拟内存管理单元、NAND Flash bootloader和系统管理单元(SDRAM控制器等),其它功能还包括3通道UART、4通道DMA、专用I/O口、RTC(实时时钟)和8通道10位精度ADC。S3C2410外围接口丰富,有触摸屏控制器,I2C总线接口,I2S数字音频总线接口,USB主机,USB设备,SD/MMC卡控制器,2通道SPI和PLL锁相环。由于处理器工作频率最高达到203MHz,能够使处理器轻松运行WinCE, Linux等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。

  4.2 最小系统总线设计

  S3C2410具有完备的数据、地址总线,寻址空间达到1GBit,能直接驱动各种外设。但由于总线逻辑电平为3.3V,和5V电源的TTL逻辑接口不兼容,加之考虑到日后系统扩展对驱动能力方面要求留有余量,总线上需要缓冲驱动器。本模块选用74LVC16245来驱动大部分外部设备,如硬盘、CF卡、功能模块等。而高速器件如SDRAM、网卡等外设或接口仍然和本地总线相连。对于一些专用设备的总线,如SPI, I2C, I2S, USB、由于总线驱动能力符合规范标准,且不会出现电平冲突问题,不需要缓冲,直接相连。具体框图如图3所示。

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  图3 最小系统总线设计框图

  4.3 存储器电路设计

  4.3.1 与 SDRAM接口电路设计

  S3C2410处理器内部带有内存控制器,因此将SDRAM和S3C2410处理器相连是比较简单的。由于S3C2410具有32位数据带宽,而市面上大多SDRAM全部是16位数据带宽。为了充分发挥S3C2410的带宽性能,使用2片16位SDRAM拼接出32位带宽。在处理器的存储空间中,字节是表示存储容量的唯一单位。而SDRAM为32位的时候,它的每一个存储单元都包含4字节。因此,SDRAM的A0接到S3C2410的A2上,其他数据线依此类推。SDRAM的BA脚选中内部存储的块区,其实就是SDRAM地址的最高位,接到S3C2410的A24~A25上。由于32位带宽存储单元的SDRAM以4字节为寻址单位,内存访问会忽略A0, A1地址。

  4.3.2 与FlashROM接口电路设计

  嵌入式系统中,程序代码、文件系统和部分用户设置参数都是存放在非易失性存储器中的。虽然Flash存储设备存在许多标准,但常用于嵌入式系统的只有NAND Flash和NOR Flash两种。其中NOR Flash的特点是具有独立的数据总线和地址总线,它的读时序和SRAM完全一致。所以可以直接存放程序代码,程序也可直接在Flash上运行。NAND Flash的高低位地址、数据复用同一接口,程序需先下载至RAM中才能运行。S3C2410中集成了NAND Flash控制器,它可以在启动时将NAND Flash中的4KB启动代码硬件拷贝到内部SRAM启动缓冲区(Stepping-Stone)中运行。从S3C2410的内部硬件构成可知,它可以自动完成拷贝、ECC校验编解码、错误处理等所有工作,NAND Flash的非线性特征己经被完全屏蔽了。由于配有硬件ECC校验器,不但极大的提高了Flash的读写效率。而且使NAND Flash的硬件接口设计变得十分简单。由于篇幅所限,这里就不给出具体的电路图了。

  5、接口电路设计

  微波功率调理模块包括RS232接口、USB接口和LAN接口。三种接口均是标准的计算机接口,便于系统集成。RS232是应用最早、也是目前应用最为广泛的标准串行总线接口之一。虽然RS232接口的传输速度慢,有效距离近,但是它占用的系统资源少,接口成本低,所以模块中标配了RS232接口。USB接口传输速度快、功耗低,具有良好的兼容性,是现在广泛应用的一种串行计算机总线。由于它“即插即用”,无需关机、重启就可以实现连接,在系统集成中尤其方便。LAN接口可以方便的实现远程、大量数据的、传输,在远程控制应用中具有不可比拟的优势。当模块需要工作在恶劣环境时,LAN接口的这种远程控制功能就必不可少。

  5.1 RS232接口电路设计

  S3C2410内部具有3个独立的UART控制器,每个控制器都可以工作在中断模式或DMA模式,也就是说UART控制器可以在CPU与UART控制器传送数据的时候产生中断或DMA请求。并且每个DART均具有16字节的FIFO(先入先出寄存器),支持的最高波特率可达到230.4Kbps。若用RS-232总线进行通信,则需外接电路实现电平转换。在发送端需要用驱动电路将TTL电平转换成RS-232C电平,在接收端需要用接收电路将RS-232C电平转换为TTL电平,电平转换器采用MAX232芯片。 MAX232芯片是MAXIM公司专为RS-232收发设计的一款集成电路。它结构简单,只需要将对应接口与之相连,单一的+5V供电和5个1.0μF的电容就可以实现电平之间的转换。

  5.2 USB接口电路设计

  USB的全名为Universal Serial Bus,即“通用串行总线”。S3C2410内置USB Device控制器。USB接口总共4根线:电源、地、差分数据线,硬件上只需要将对应的线联接即可。电路如图4所示。

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  图4 USB接口电路连接关系

  5.3 LAN接口电路设计

  以太网既是一种计算机接入局域网络的连接标准,又是一种网络互联设备数据共享的通信协议。

  网络接口可用的芯片种类比较多,本模块采用的接口芯片是Ax88796。Ax88796是台湾Asix公司推出的NE2000兼容快速以太网控制器。其内部集成10/100 Mb/s自适应的物理层收发器和8K×16位的SRAM,支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多种CPU总线类型。Ax88796的CPU[1:0]两个输入引脚用来设置与不同CPU总线连接时Ax88796的工作模式。包括摩托罗拉控制器总线模式、X86总线模式、ISA模式。S3C2410的读写线分离,属于X86模式,所以这里AX88796也接成X86模式。数据线、地址线和S3C24

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