基于CPLD技术的数字时序控制电路

1、引言

六自由度电磁敏感定位系统作为一种新型的跟踪定位装置，可实时地确定目标的六个参数,已在机载火控系统（头盔瞄准具）、精密医疗器械、单兵作战模拟训练中获得广泛应用[1、2]。该跟踪系统由正弦信号发射电路、敏感信号接收电路组成的硬件和从敏感接收数据中求解目标参数的算法程序两部分组成，定位计算精度受制于上述两部分的误差。目前，在不考虑环境因素影响的情况下，算法误差已达到小于1毫弧的水平，因此，硬件电路的误差成为制约系统定位精度的主要因素。根据工作原理，该系统采取按时序依次激励发射天线，从而根据敏感天线接收信号组成接收矩阵计算目标参数。然而，作为时序控制电路的模拟器件，存在无法避免的温度漂移和时间漂移问题，从而大大影响了时序发射的精度，使系统定位计算的精度降低。为了解决该问题，本文利用CPLD数字控制技术对时序电路进行改进。CPLD(Complex Programmable Logic Device)是新一代的数字逻辑器件，具有速度快、集成度高、可靠性强、用户可重复编程或动态重构其逻辑功能等特点。利用CPLD芯片和数字控制技术设计的时序电路，可将时序控制的精度提高到纳秒级，并且工作稳定，不受温度的影响，有利于系统定位精度的提高。

　　2、系统原理[2、3]

六自由度电磁敏感系统的工作原理[2]如下：以发射天线的三个轴（x、y、z）为参考坐标系，接收天线相对于发射天线的位置参数由距离 、方位角和仰角表示，姿态参数由偏航角 、俯仰角 和横滚角 表示，此六个参数即为需要计算的目标参数，即六自由度，参看图1。系统由正弦信号发生器、时序控制电路、功率放大电路、三轴环天线、接收信号放大电路、检波判相电路和数据采集与参数计算电路组成，参看图2。
   


   系统工作时，发射电路以时分制激励方式依次激励发射天线的三路环形天线，每激励一次，接收天线（共三路）均收到三个信号，在一个激励周期内接收天线共收到九个信号，由此九个信号组成的接收矩阵可计算出所有的目标参数。

　　3、时序控制电路设计[4]

由系统工作原理可知，发射信号需以时分制方式依次激励三路发射天线，因此，时序控制的精确在提高系统跟踪定位计算精度方面显得十分重要。图3是时序控制理想工作状态下，发射信号时分制激励发射的状态图。但由于原时序电路采用的电容等模拟元器件的有限精度以及模拟器件受温度影响的结果，时序控制信号会发生漂移，精度较低，从而使接收矩阵元素的实际值与理论值发生较大大偏差，影响了系统的计算精度。要想提高系统定位计算的精度，必须提高系统时序控制的精度，基于此，本文根据CPLD数字控制技术，在MAX II系列芯片EPM570T100C5上设计了一种新型的数字时序控制电路，大大提高了系统时序控制的精度，从而提高了系统计算精度。电路组成如图4所示。
   


   由32MHz高精度晶体振荡器提供精确的时钟信号。MAX II芯片EPM570T100C5产生精确的时序控制信号。EPM570是世界一流的低成本器件，适用于实现任何数字控制功能。该芯片采用非易失单芯片解决方案，可解决处理器I/O引脚不够用等板级问题，管理上电排序，配置其它更复杂的器件，或者低成本实现不兼容接口（“胶合逻辑”）的转换。具有低成本、零功耗、小封装、瞬间启动以及非易失性、系统内可编程能力（ISP）等优点。CD4053根据CPLD芯片提供的精确时序数字控制信号完成正弦信号的时分制激励。