基于CAN總線的車載靜中通衛(wèi)星天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹的是通過利用成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全自動控制的衛(wèi)星天線系統(tǒng)。設(shè)計(jì)目的是在無人工干預(yù)條件下實(shí)現(xiàn)整個衛(wèi)星跟蹤過程，并且結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備要求較低，同時由于采用穩(wěn)定的CAN總線作為數(shù)據(jù)傳輸載體，使整個系統(tǒng)具有較高兼容性和可靠性。

關(guān)鍵詞：CAN總線；衛(wèi)星天線系統(tǒng)；自動控制

中圖分類號：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 15-0000-02

隨著社會的進(jìn)步，信息技術(shù)的快速發(fā)展，各行業(yè)紛紛開始將信息技術(shù)納入自身的生產(chǎn)過程中去。但是在某些特殊的領(lǐng)域中，如：軍事、航海、地質(zhì)勘探、石油開采等，傳統(tǒng)的信息交互手段受到制約，有線通信、蜂窩通信難以滿足這些特殊領(lǐng)域的需求，受地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)因素的限制，有限通信系統(tǒng)和地面蜂窩系統(tǒng)不可能達(dá)到全球無縫覆蓋。據(jù)統(tǒng)計(jì)全球人口的5%到10%將居住在或旅行到永遠(yuǎn)不會被地面電信設(shè)施覆蓋的區(qū)域，而我國目前地面通信網(wǎng)只覆蓋了國土面積的約15%。衛(wèi)星通信作為目前唯一的通信解決辦法有著不可替代的作用。

本文所涉及的車載靜中通衛(wèi)星天線系統(tǒng)采用14GHz頻段下Ku波段通信。所謂靜中通是指在天線載體靜止條件下進(jìn)行衛(wèi)星通信的一種通信方式。該天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)下快速準(zhǔn)確的對星，同時具備一定的應(yīng)付地形條件限制的車載靜中通衛(wèi)星系統(tǒng)。利用GPS設(shè)備作為測量單元，在復(fù)雜地形條件下實(shí)現(xiàn)自動對星而不需人工干預(yù)，是一個完整的自動控制系統(tǒng)。

1 衛(wèi)星天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的技術(shù)

該系統(tǒng)主要采用的技術(shù)包括以下幾種：

1.1 CAN現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)的一對一的設(shè)備連線結(jié)構(gòu)形式，通過采用智能設(shè)備使控制系統(tǒng)不再依賴單一的控制計(jì)算機(jī)或儀表，而是在現(xiàn)場直接完成數(shù)據(jù)出，徹底的實(shí)現(xiàn)分散控制。通過簡化設(shè)備總線結(jié)構(gòu)，將不同的數(shù)據(jù)處理分散到各個控制模塊現(xiàn)場處理，可以有效降低對計(jì)算機(jī)硬件要求，并且大幅減輕總線系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，從而提高系統(tǒng)可靠性及降低系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。鑒于以上特點(diǎn)，本車載靜中通衛(wèi)星天線系統(tǒng)采用具有國際通用標(biāo)準(zhǔn)的CANBus作為該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸總線技術(shù)。

CAN總線（全稱：控制器局域網(wǎng)Controller Area Network）作為整個天線系統(tǒng)的通信載體，是一種出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代一種現(xiàn)場總線技術(shù)，最早用于汽車工業(yè)。由于其可靠性高、傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在今天它作為唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、醫(yī)療、自動化等領(lǐng)域。

CAN總線的特點(diǎn)：

采用串行的總線結(jié)構(gòu)，通訊介質(zhì)靈活，距離遠(yuǎn)。

多主機(jī)方式工作，即網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從?？蓪?shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。

CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突時，高優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)可不受影響傳輸數(shù)據(jù)，低優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)會主動退出并重發(fā)。

性價比高，結(jié)構(gòu)簡單。

本系統(tǒng)所有功能單元均采用SJA1000 CAN控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，按照設(shè)計(jì)需要采用CAN2.0b協(xié)議，所有單元進(jìn)行統(tǒng)一的識別符管理，總線中幀數(shù)據(jù)格式如下：

11bit節(jié)點(diǎn)標(biāo)識位3bit命令標(biāo)識位8Byte數(shù)據(jù)位

CAN總線基于總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)各單元的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖：

1.2 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各行業(yè)應(yīng)用結(jié)合后的產(chǎn)物，由于它是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通常面向特定任務(wù)因此功能較為單一，但是卻帶來了執(zhí)行效率高、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。本系統(tǒng)根據(jù)需求采用NXP公司集成CAN總線ARM7-TDMI-S內(nèi)核的LPC2119嵌入式處理器，該型號主頻60MHz可以滿足各單元數(shù)據(jù)處理，此外還具備PWM（脈寬調(diào)制）、UART及I2C等寄存器，可以滿足各單元不同傳感器及元器件的數(shù)據(jù)處理和傳輸需求。

1.3 GPS技術(shù)

GPS是英文Global Positioning System的縮寫，意即全球定位系統(tǒng)。是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導(dǎo)航定位和時間傳遞系統(tǒng)。其主要作用是準(zhǔn)確提供衛(wèi)星天線系統(tǒng)所在位置的經(jīng)度、緯度和方向數(shù)據(jù)（相對于真北方向）。該天線系統(tǒng)使用船載GPS導(dǎo)航設(shè)備可提供定位精度15米，測速精度0.1米/秒的定位數(shù)據(jù)，為天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確捕星提供了可靠保障。

1.4 衛(wèi)星通信技術(shù)

本系統(tǒng)采用20度單偏置拋物面天線，因?yàn)檫@種天線的饋源及其支撐遮擋最小，并且有較大的焦距直徑比f/D，從而使天線的縱向尺寸變大，短徑降低，還能降低天線旁瓣電平和改善饋源的極化輻射電平。如果橫向安裝在汽車頂上有利用降低整體高度，折疊式設(shè)計(jì)可減小阻力，便于汽車行駛。由拋物面增益天線將接收到的信號反射至饋源，通過降頻器將14GHz的高頻信號轉(zhuǎn)換為2GHz的L波段的可用信號便于分析。

1.5 伺服電機(jī)及角編碼器技術(shù)

伺服系統(tǒng)包括了伺服驅(qū)動器和伺服馬達(dá)，考慮到車載條件下需長時間免維護(hù)工作，選用微型交流無刷伺服馬達(dá)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其驅(qū)動器由微處理器來控制所有功能，還有產(chǎn)生供逆變器專用的可調(diào)脈沖寬度PWM輸出的ASIC芯片，用ASIC的輸出來控制IGBT逆變器。全數(shù)字化可以消除模擬量控制存在的漂移，如果選用直流伺服驅(qū)動器和直流伺服馬達(dá)，雖然能夠提供線性控制、角速度控制、拉伸速率之間的良好同步，但是直流伺服馬達(dá)的電刷（即使是長壽命電刷）須經(jīng)常更換，給售后服務(wù)、維修、備份帶來很多不便。

光電角編碼器技術(shù)

本系統(tǒng)采用絕對編碼器作為3軸運(yùn)動的測量傳感設(shè)備，絕對編碼器直接輸出數(shù)字量。其工作原理是在圓形玻璃或樹脂碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不需計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道?；谝陨显砑氨鞠到y(tǒng)對星精度的設(shè)計(jì)要求，我們采用16bit精度的絕對角編碼器，即 =65536線為，平均精度約為0.0055度/線

2 衛(wèi)星天線系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分布嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要由以下五個單元構(gòu)成：1.通信控制單元2.伺服驅(qū)動單元3.光纖陀螺單元4.GPS單元5.控制單元。各單元由獨(dú)立的嵌入式處理器和相關(guān)設(shè)備構(gòu)成，由具備CAN總線功能的嵌入式處理器完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸。采用這種分布式結(jié)構(gòu)可以有效降低系統(tǒng)復(fù)雜性、提高可靠性，實(shí)現(xiàn)軟硬件模塊化，并為以后的系統(tǒng)升級留下空間并降低成本。

衛(wèi)星天線系統(tǒng)各單元的功能及工作機(jī)制：

1.1 通信單元

L波段信號經(jīng)同軸電纜輸入通信單元，通過專用DSP芯片對信號強(qiáng)度進(jìn)行測量和采樣，檢測信號強(qiáng)度和對頻譜采樣，獲得較精確的衛(wèi)星信號強(qiáng)度信息，并將結(jié)果通過I2C串行傳輸傳送至LPC2119處理器。處理器通過分析信號強(qiáng)度的變化及比對頻譜特征庫來判斷是否捕星成功，并將結(jié)果按照預(yù)先制定的幀格式，實(shí)時的通過CAN總線提交至控制單元。

2.2 驅(qū)動單元

驅(qū)動單元主要由嵌入式處理器、角編碼器和伺服電機(jī)系統(tǒng)組成。嵌入式處理器接收控制單元的通過CAN總線發(fā)送的絕對角編碼器的目標(biāo)線位值，通過程序判斷后經(jīng)PWM（脈寬調(diào)制）控制占空比控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中通過安裝在各軸上的角編碼器實(shí)時獲取所在軸的精確線位位置，從而完成控制單元的運(yùn)轉(zhuǎn)指令。

2.3 GPS單元

通過RS232串口將通用NMEA0183格式的GPS數(shù)據(jù)傳入嵌入式系統(tǒng)的UART寄存器，將字符串格式的數(shù)據(jù)按照需求拆分后，通過CAN總線按照預(yù)定格式上傳至控制單元用于計(jì)算。

2.4 控制單元

作為整個衛(wèi)星天線系統(tǒng)的核心，控制單元接收來自通信單元、陀螺儀單元、GPS單元的即時數(shù)據(jù)，并且通過計(jì)算后發(fā)送CAN指令控制各軸運(yùn)動至指定的絕對角編碼器線位位置，來完成整個對星過程。衛(wèi)星天線安裝主要調(diào)整三個角度，按先后次序分別為仰角、方位角、高頻頭極化角。

方位角計(jì)算公式：

仰角計(jì)算公式：

極化角=X（當(dāng)X為正值，高頻頭順時針轉(zhuǎn)動X度，反之逆時針轉(zhuǎn)動）

X=衛(wèi)星經(jīng)度-接收地經(jīng)度Y=接收地緯度

在控制單元程序算法中，通過GPS反饋的真北方向值來判斷整個車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的真實(shí)方向，并將該值與方位角值進(jìn)行減法運(yùn)算來獲得天線方位軸實(shí)際需要運(yùn)轉(zhuǎn)的角度，并將該角度進(jìn)行轉(zhuǎn)化為所需的絕對角編碼器線位數(shù)，由該差值的正負(fù)來判斷方位軸運(yùn)行方向（正值順時針，負(fù)值逆時針）。并將計(jì)算結(jié)果經(jīng)由CAN總線發(fā)送至各伺服單元，來完成整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的對星過程。

[作者簡介]王立基（1982-），男，山東青島人，碩士研究生，同濟(jì)大學(xué)，研究方向：軟件工程。