星地光通信系统ATP软件控制模块研制

论文摘要

星地光通信的应用现在已经成为了通信领域研究的热点。星地光通信具有高保密性、高码率、高带宽、抗干扰及重量轻、体积小、和低功耗等优点。星地光通信在技术上还存在很多挑战。捕获、跟踪、以及对准（ATP-Acquisition、Tracking、Pointing）技术是最重要、最关键的,其捕获/跟踪性能的好坏将直接决定星地光通信链路建立与否。因此,高性能、高精度的ATP系统研制是星地光通信研究的重点。本文主要对星地光通信ATP子系统的跟踪控制环路进行研究。从ATP系统运算与控制部份入手,采用FPGA为主芯片和Altera公司的NIOSII软核CPU,实现了跟踪与对准功能。本人在本课题中主要承担ATP子系统跟踪控制模块的设计与实现。针对粗跟踪、精跟踪两个跟踪过程的不同,在FPGA芯片内设计不同的软件功能单元来实现系统的跟踪控制功能。主要包括粗跟踪CCD接口设计、粗跟踪CCD接口设计、光电码盘接口设计、FPGA接口设计及D/A转换单元设计等。利用Quartus II开发软件,在FPGA芯片内设计了可嵌入的NIOSII软处理器,并在该软核平台上,用C语言来实现了:对CCD获取的光斑进行了滤波、形心计算的算法、以及采用数字PID算法分别对电机和快速转镜的运动进行控制;对ATP子系统的工作流程进行控制。最后,参与系统的测试,并在软件的开发环境下,对搭建的软核性能进行了测试。在ATP系统中,涉及到对整个系统的实时处理控制,若采用普通的单片机,外围电路复杂,而且不能满足精度指标、跟踪算法的误差和滤波处理的要求。而采用NIOSII软核CPU处理器,具有更快的运算速度、更高的精度、更少的资源占用,此外在体积和功耗上也具有明显的优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 星地光通信技术
• 1.2 星地光通信的特点
• 1.3 星地光通信的国内外研究现状和发展趋势
• 1.3.1 国外发展状况
• 1.3.2 国内发展状况
• 第二章 星地光通信的ATP 系统
• 2.1 ATP 子系统工作原理
• 2.2 ATP 子系统结构组成
• 2.3 ATP 子系统的工作模式
• 2.4 ATP 子系统中的控制机构
• 第三章 NIOSII 软核处理器的简介
• 3.1 SOPC 技术介绍
• 3.1.1 SOPC 概述
• 3.2 NIOSII 的软核处理器
• 3.2.1 采用NIOSII 软核处理器设计的优点
• 3.2.2 NIOSII 软核的基本要素
• 3.2.3 定制指令
• 3.2.4 硬件加速
• 3.3 NIOSII 的开发流程和工具
• 3.3.1 开发流程
• 3.3.2 硬件设计工具
• 3.3.3 软件设计
• 第四章 ATP 子系统中的目标检测与跟踪
• 4.1 信标光斑的预处理
• 4.2 复杂背景下信标光斑的检测跟踪
• 4.3 ATP 子系统信标光斑中心提取
• 4.4 ATP 子系统的PID 控制算法
• 第五章 粗跟踪控制环路设计及软件实现
• 5.1 粗跟踪控制环路的设计
• 5.2 粗跟踪模块中的软件控制
• 5.2.1 光电码盘控制及数据采集
• 5.2.2 粗跟踪CCD 控制及信号处理及软件实现
• 5.2.3 粗跟踪数字PID 控制及软件实现
• 5.2.4 D/A 转换控制及软件实现
• 第六章 精跟踪控制环路的设计及软件实现
• 6.1 精跟踪控制环路的设计
• 6.2 精跟踪CCD 数据采集及软件实现
• 6.2.1 精跟踪CCD 数据采集电路
• 6.2.2 精跟踪CCD 数据采集的软件实现
• 6.3 快速转镜模块的控制与软件实现
• 6.4 精跟踪中央控制模块及软件控制
• 6.4.1 中央控制模块电路
• 6.4.2 中央控制模块软件的实现
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献