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基于ARM的空間光通信APT控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-8-17 13:25    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: APT , arm , 光通信 , 空間
空間光通信是以光波作為載波,在空間中進(jìn)行信息無線傳輸?shù)囊环N新型通信技術(shù),其具有保密性高,抗干擾性強(qiáng),通信速率高等優(yōu)點(diǎn),將會(huì)在衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面控制站的無線通信領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是由于光波波束窄,空間環(huán)境又比較復(fù)雜,而給通信鏈路的建立造成了極大的困難,所以對(duì)于空間光通信,必須先使用一套捕獲、瞄準(zhǔn)與跟蹤(Acquisition,Pointing and Tracking,APT)系統(tǒng)來建立和維持光通信鏈路。嵌入式系統(tǒng)具有高性能、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn),使其在運(yùn)動(dòng)控制上的應(yīng)用具有很大優(yōu)勢(shì),以ARM嵌入式處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)目前衛(wèi)星通信終端必須具有高實(shí)時(shí)性、高集成度、低功耗、體積小和重量輕等一系列特點(diǎn),提出一種基于ARM 7嵌入式處理器為核心的APT控制系統(tǒng)。  

1 APT控制系統(tǒng)組成  

APT控制系統(tǒng)由PWM脈沖控制和產(chǎn)生模塊、RS 232串行通信接口模塊、光電編碼接口模塊及人機(jī)交互模塊組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。  


  
核心控制芯片選用Philips公司生產(chǎn)的專用工業(yè)控制ARM芯片LPC2124。先由串口接收到由信標(biāo)光圖像處理部分得到的光斑坐標(biāo)值,通過位置跟蹤算法計(jì)算出輸出,PWM的控制量值,再由PWM產(chǎn)生模塊送出PWM脈沖到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī),最終帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)指向目標(biāo)位置。光電編碼器反饋回電機(jī)的速度信息到處理器,運(yùn)用相應(yīng)的控制算法可以將轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速度穩(wěn)定在設(shè)定值,防止電機(jī)因速度不穩(wěn)定而擾動(dòng)。在控制過程中,轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)、速度和位置等信息皆可由LCD顯示,轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速度、掃描步長(zhǎng)等由鍵盤輸入設(shè)定。  

2 硬件設(shè)計(jì)  

2.1 LPC2124處理器簡(jiǎn)介  

LPC2124是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU,是世界首款可加密的ARM芯片,并帶有256 KWord嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器和16 KB的SRAM,完全能滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的要求,故不需要外加存儲(chǔ)擴(kuò)展,使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單、可靠。內(nèi)部具有UART,硬件I2C,SPI,PWM,ADC,定時(shí)器和比較捕獲單元等眾多應(yīng)用部件,功能十分強(qiáng)大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)能滿足APT控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求。3.3 V和1.8 V供電電壓可使系統(tǒng)保持低功耗,128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)可使32位代碼在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行,提高了代碼運(yùn)行速度,獨(dú)特的16位Thumb模式可使代碼規(guī)模的降低超過30%,而系統(tǒng)的性能損失卻很小,提高了代碼的運(yùn)行效率,大大降低了程序的優(yōu)化難度。特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)和訪問控制系統(tǒng)。  

2.2 電源電路  

LPC2124的內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電壓為1.8 V,I/O口所需電壓為3.3 V,而整個(gè)數(shù)字電路的供電電源為5 V,且通過78M05將電源5 V穩(wěn)壓,故選用了LDO芯片LM1117MPX-3.3和LM1117MPX-1.8穩(wěn)壓輸出3.3 V及1.8 V電壓,其電路如圖2所示。  


  
2.3 RS 232接口模塊  

通過串口獲取光斑的坐標(biāo)值,由于系統(tǒng)芯片是3.3 V系統(tǒng),所以使用MAX 3232進(jìn)行RS 232電平轉(zhuǎn)換,其電路原理圖如圖3所示。  


  
通過設(shè)置LPC2124控制寄存器U0LCR,UODLM和U0DLL來設(shè)置工作模式及波特率。  

2.4 JTAG接口電路設(shè)計(jì)  

采用ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG作為仿真調(diào)試接口,JTAG信號(hào)的定義及與LPC2124的連接如圖4所示。圖中,JTAG接口上的信號(hào)nRST,nTRST與整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位電路連接,以達(dá)到與控制系統(tǒng)共同復(fù)位的目的。  


  
2.5 電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)  

通過設(shè)置LPC2124的PWMMR0,PWMMR6寄存器來設(shè)置輸出PWM的周期及占空比,從而控制轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用DMD402型二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器可提供整步、半步、8-16檔細(xì)分共三種運(yùn)行模式。另外,通過比較捕獲單元接收通過光電編碼器反饋產(chǎn)生的正交編碼信號(hào),經(jīng)程序處理后得到電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行速度,再對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。  

2.6 LCD顯示器及鍵盤設(shè)計(jì)  

利用點(diǎn)陣式液晶顯示器實(shí)現(xiàn)中文提示界面,增強(qiáng)了人機(jī)交互性。設(shè)計(jì)中采用128×64的點(diǎn)陣LCD,使用內(nèi)藏T6963C作為控制器。另外,使用4×4矩陣鍵盤作為用戶輸入。  

3 軟件設(shè)計(jì)  

APT控制系統(tǒng)主要由掃描、捕獲和跟蹤三部分組成,下面是這幾部分程序設(shè)計(jì)的介紹。  

3.1 掃描及捕獲部分  

上電復(fù)位運(yùn)行后,程序先完成各部分的初始化工作,顯示歡迎界面,并提示用戶輸入轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速度及掃描步長(zhǎng),接著程序開始執(zhí)行光柵螺旋掃描算法。光柵螺旋掃描算法示意圖如圖5所示,圖中每個(gè)小圓代表一個(gè)信標(biāo)掃描子區(qū),每個(gè)子區(qū)以正方形方式重疊。設(shè)每個(gè)子區(qū)的直徑為信標(biāo)發(fā)散角α,則掃描步長(zhǎng)為:  


  
以步長(zhǎng)α0在不確定區(qū)域內(nèi)搜索目標(biāo),直到捕獲到信標(biāo)光斑,然后轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。  


  
3.2 基于增量式PID控制的跟蹤算法  

PID控制算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中常用增量式PID控制算法,其公式為:  


  
式中:△u(k)為輸出的控制量;q0=KP;q1=KP(TS/TI);q2=KP(TD/TS)分別為比較項(xiàng)、積分項(xiàng)和差分項(xiàng)的系數(shù);TS為采樣時(shí)間,對(duì)于不同的控制系統(tǒng),TS各不相同,要根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來確定,該實(shí)驗(yàn)中TS為0.15 s。由式(1)可知,只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值e(k),e(k-1),e(k-2)就可以計(jì)算出△u(k),從而實(shí)現(xiàn)位置和速度的反饋控制,完成穩(wěn)定跟蹤。  

3.3 系統(tǒng)流程圖  

由上分析,可得到系統(tǒng)流程圖如圖6所示。  


  
4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論  

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,整個(gè)系統(tǒng)最高功耗約為20 W,轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍為0.2~0.8(°)/s,跟蹤精度按照標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,最小約達(dá)20.69μrad,最快響應(yīng)時(shí)間可達(dá)200 ms。利用Philips公司生產(chǎn)的ARM芯片LPC2124作為控制核心來進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā),從測(cè)試結(jié)果可以看出,系統(tǒng)功耗較低,精度基本上滿足了APT控制系統(tǒng)的要求,具有較大的實(shí)用價(jià)值。
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