基于FPGA的手持式标校终端设计

祝本明，袁 强，周玉昆

（中国兵器工业第58研究所 四川 绵阳621000）

基于FPGA的手持式标校终端设计

祝本明，袁 强，周玉昆

（中国兵器工业第58研究所 四川 绵阳621000）

针对武器系统精度随使用时间而产生漂移，设计了一种基于FPGA的手持式标校终端。手持式标校终端由手持式机箱、电源模块、电池模块、信号产生模块等部分组成，是为某系统提供检验所需的射频信号，主要对系统射频信号进行校正和测试，防止信号漂移，实现及时校对。现场应用结果表明，本设计校验精度提高了20%，实现了高精度检测。

FPGA；手持式；标校终端；信号采集

测量精度是现代武器系统的重要指标。随着使用次数的增加，武器系统的精度会随之漂移。为了提高武器系统的测量精度，必须进行标校和参数修调。手持式标校终端是为某系统提供检验所需的射频信号，主要对系统射频信号进行校正和测试，防止信号漂移，实现及时校对[1-2]。

1 总体设计

标校终端系统框图如图1所示。

图1 系统框图

手持式标校终端由手持式机箱、电源模块、电池模块、信号产生模块等部分组成。信号发送模块是整个标校终端的控制中枢，它通过DDS芯片和DA芯片产生中频信号，然后通过上变频器单元产生所需射频信号；电源模块给整个系统供电，既可以给信号发送模块供电，又可以给充电电池充电；电池模块在无外接电源时，给系统供电[3-4]。

2 手持式机箱

标校终端采用全密闭机箱结构，内部各功能板卡上的热量通过导热板传至手持式机箱腔体，再通过机箱表面的散热槽散出。该腔体的外形尺寸为180 mm×120 mm×50 mm，腔体整体采用2A12铝合金材料，腔体重量为1 kg，腔体内部采用两层结构，在机箱正面面板上，设计有运行及电量不足指示灯；在机箱顶面面板上，设计了电源接口、串口、RFout、IFin、IFou和测试口。腔体外形示意图如图2所示。

图2 外形示意图

3 信号产生模块

信号产生模块为整个标校终端的核心，它完成中频信号、射频信号的产生及控制。其框图如图3所示。

图3 信号产生模块

FPGA通过串口收发器MAX3221接收上位机参数，完成相应控制命令与控制参数的接收，该上位机参数对DDS、DA及上变频器进行配置。其中DDS芯片AD9954的参考时钟由温补晶振提供。该DDS芯片的输出通过放大器AD8370进行功率控制后送入到AD9957，信号通过AD9957后再经过声表滤波器854680进行滤波，最后通过两级AD8370进行信号放大，最终产生一个0 dbm，70 MHz的中频信号。该中频信号送入到上变频器电源，经过FPGA控制最终产生0 dbm，2 300 MHz的射频信号[5-6]。

3.1 数据采集

XC7K160T通过BPI的方式进行配置。将控制命令与控制参数存储在16 MB的SPI FLASH中，整个信号处理卡的对外接口包括了：串口、上变频器控制口、15路测试信号接口、1路中频信号输出接口等[7-8]。

数据采集部分主要功能是进行70 M中频信号的模数转换，并将转换后的数字信号通过12位并行数据接口传送给FPGA。数据采集部分主要由时钟电路、前端调理电路及ADC芯片AD9626组成。ADC芯片AD9626是ADI公司的12位ADC，采用1.8 V电源供电，最高转换速率为250 MSPS，原理框图如图4所示。

图4 数据采集原理框图

3.2 模拟数据产生部分

DA部分主要由时钟电路、输出信号调理电路和DDS芯片AD9954、AD9957组成。DA时钟部分采用了DDS芯片AD9954产生，其具有400 MSPS的内部时钟速度，32位频率调谐精度，14位相位调谐精度，可用数字编程控制，相位噪声优于120 dBc/Hz，模拟正弦波输出可达160 MHz；所选用的温补晶振主要AD部分电路中温补晶振相同。AD9957内置一个高速DDS及一个高速14位数模转换器，具有一路250 MHz速率的18位并行接口，1 GSPS的内部时钟速度，可输出的模拟信号频率最大可达400 MHz，最大功耗1.4 W，具有低功耗，体积小等特点[9-10]。模拟数据产生部分原理框图如图5所示。

图5 模拟数据产生部分原理框图

3.3 外部通讯接口模块

外部通讯接口模块主要功能是完成数字信号处理卡与视频编码卡及外部设备之间的数据通讯，并向视频编码卡及外部设备提供12 V电源。外部通讯接口模块提供一路网口、一路串口、2路IO接口、接收一路时统信号，使用了MAX3221、MAX3079E、IP101GRI等芯片。IP101GRI是一款基于 DSP的PHY收发器技术的10/100 Mbps的单端口快速以太网收发器，内部FIFO支持帧大小为12 KB，其提供的MII或RMII可与不同类型的MAC连接，最大功耗为0.15 W；MAX3221是用于RS-232通讯的低功耗收发器；MAX3079E是用于RS-485/RS-422通讯的低功耗收发器[11-12]。外部通讯接口模块原理框图如图6所示。

图6 外部通讯接口模块原理框图

4 电源模块

电源模块主要由变压器、整流滤波模块、充电模块、备用电池组、电池管理模块、切换模块、DC/DC模块和保护模块组成[13-15]。如图7所示。

图7 系统总体结构

备用电池组切换模块负责在交流供电系统断电时将电源切换到由备用电池组供电状态。电源经两路DC/DC模块的稳压和保护模块的过压、过流保护后输出直流18 V向负载供电。

备用电池组由-40～60℃工作宽温电芯10～16.8 V电池组组成，每节锂电池最高输出4.2 V，最低截止输出电压2.5 V，锂电池组最高输出电压16.8 V，最低截止输出电压10 V；每节锂电池输出功率7.5 W，锂电池组输出功率30 W。

电池管理模块实时检测备用电池组的工作状态，包括单体电压、温度和工作电流，并对备用电池组进行电压均衡控制，避免备用电池组单体过压、过充电、过放电和温度过高，提高电池组的有效储能容量。

图8 电源管理电路图

MAX8724是一款美信公司生产的电池充电管理芯片，是精确、高效的多种化学类型电池充电器，使用模拟输入来控制充电电压和电流，具有输入电流限制，在同时提供负载供电和电池充电时，一旦电流达到设定的门限，可自动降低电池的充电电流。如图8所示。

5 结 论

手持式标校终端是某系统的核心系统之一，用于整个系统的信号矫正及测试，校验的稳定性关乎到整个系统的可靠运行。本设计在充分考虑用户需求的基础上，对各模块功能进行简化设计，在保证满足用户需求的前提下减少不必要的元件、电流等，降低设计的复杂度，提高产品可靠性。现场应用结果表明，本设计校验精度提高了20%，实现了高精度检测。

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The design of heandheld calibration terminal based on FPGA

ZHU Ben-ming，YUAN Qiang，ZHOU Yu-kun
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the drift of weapon system accuracy with the use of time，a heandheld calibration terminal based on FPGA is designed.The heandheld calibration terminal which are consist of handheld box，power unit，battery unit，signal unit，etc，provide the inspection RF signal for system，mainly to calibration and testing of RF signal system，to prevent signal drift，realize the check in time.Field application results show that the design precision is improved by 20%，realized the high precision detection.

FPGA；handheld；calibration terminal；signal acquisition

TN06

：A

：1674－6236（2017）05-0009-04

2016-05-12稿件编号：201605108

国家自然科学基金项目（61162003）

祝本明（1981—），男，安徽阜阳人，硕士。研究方向：计算机应用研究等。