基于單片機(jī)的雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)

崔娟

【摘 要】本文以C8051F020為主控制器，設(shè)計(jì)了一種高可靠性的雷達(dá)伺服系統(tǒng)，文中詳細(xì)介紹了它的硬件組成原理，并給出了相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)和主要流程。該系統(tǒng)樣機(jī)已經(jīng)調(diào)試通過(guò)，具有工作平穩(wěn)、噪聲小、可靠性高等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】雷達(dá)伺服系統(tǒng)；C8051F020；步進(jìn)電機(jī)

0 引言

雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)用來(lái)控制天線動(dòng)作，搜索各個(gè)方位的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)天線的自動(dòng)控制的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是由機(jī)械傳動(dòng)部分和驅(qū)動(dòng)控制電路組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其它的反饋系統(tǒng)沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，它是由若干元件和部件組成的具有功率放大電路的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制雷達(dá)天線的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、步進(jìn)、停止，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，還要考慮到功耗低、體積小、便于攜帶的特點(diǎn)，在使用時(shí)應(yīng)該具有高可靠性、傳輸誤碼率小，同時(shí)還要還要具有開(kāi)機(jī)測(cè)試、電池電壓采樣，欠壓報(bào)警等輔助功能。本文是基于C8051F020單片機(jī)的設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際要求，將具體介紹該系統(tǒng)的硬件電路原理及軟件系統(tǒng)構(gòu)建。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本方案是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)天線的中心角度調(diào)整以及在方位上的掃描速度和掃描范圍的控制，采用準(zhǔn)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機(jī)接受控制脈沖一步一步地旋轉(zhuǎn)，防止出現(xiàn)積累誤差。此方案采用Silabs公司開(kāi)發(fā)的C8051F020單片機(jī)作為主控制器，NS公司推出的LMD18245作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)單片機(jī)接收到終端命令時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，系統(tǒng)中光電編碼器與步進(jìn)電機(jī)同軸，光電編碼器將步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作反饋回單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)天線的閉環(huán)控制。該系統(tǒng)通過(guò)RS232A串口進(jìn)行通信和調(diào)試。系統(tǒng)總框圖（圖1）如下：

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括主控C8051F020和驅(qū)動(dòng)器LMD16245構(gòu)成的控制電機(jī)電路、編碼器讀數(shù)經(jīng)過(guò)整形電路回饋給主控的反饋電路、主控和串口芯片構(gòu)成的通信和測(cè)試電路、電池電壓采樣電路及欠壓報(bào)警電路。

主控單片機(jī)C8051F020是一款真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，將C8051F020用于嵌入式控制系統(tǒng)，可大量減少外圍器件，充分發(fā)揮C8051F020的高速度特點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的集成度。內(nèi)部包含數(shù)字電路和模擬電路，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該將模擬電源和數(shù)字電源分別連接，最后要通過(guò)磁珠（或電感）連接在一起；由于步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路工作在較大脈沖電流狀態(tài)，電路中采用光電耦合器將主控單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)隔離，這樣可以避免單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)功率回路的共地干擾。單片機(jī)控制信號(hào)LVTTL和光電編碼器與控制電機(jī)之間的和TTL電平之間用74LV4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。原理圖模塊設(shè)計(jì)如下介紹：

2.1 光電隔離

采用光耦集成電路TLP521實(shí)現(xiàn)隔離，不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)，就能達(dá)到防止干擾的目的。由于光耦的輸入端電流較大，直接使用CPU的引腳驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)CPU產(chǎn)生較大的電流沖擊，所以先用74LVX4245進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，然后控制光耦工作。

2.2 電平轉(zhuǎn)換

CPU及外圍電路用3.3V供電，CPU引腳直接輸出的是LVTTL電平，為了與外部TTL電平兼容，并且提高驅(qū)動(dòng)能力與減少干擾，采用集成電路74LVX4245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用集成電路LMD18245，最大輸出電流3A，內(nèi)部含16細(xì)分電路，也可以外接電路再細(xì)分，外圍電路簡(jiǎn)單。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無(wú)關(guān)。

2.4 電源轉(zhuǎn)換電路（DC/DC）

驅(qū)動(dòng)部分電路容易受到干擾，與CPU部分的供電電源分開(kāi)，利用2個(gè)DC/DC集成電路產(chǎn)生2路5V電壓，一路提供給光電編碼器，并經(jīng)變換提供給CPU，另一路提供給光藕和驅(qū)動(dòng)電路的邏輯電平。

2.5 JTAG

片內(nèi)JTAG接口可直接對(duì)對(duì)安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、實(shí)時(shí)在系統(tǒng)仿真調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器及寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停止命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用角度與速度準(zhǔn)雙閉環(huán)控制。角度反饋是伺服的主反饋回路，時(shí)實(shí)角度由光電編碼器采集得到；速度反饋是一個(gè)局部反饋回路，前次的速度值只是軟件的記憶值，外部沒(méi)有速度傳感器，所以在本文中稱(chēng)為準(zhǔn)雙閉環(huán)控制。在任何時(shí)刻當(dāng)角度與速度發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)都必須響應(yīng)，速度值的控制由軟件設(shè)置中斷周期來(lái)完成，編寫(xiě)程序時(shí)，特別注意中斷、存儲(chǔ)器、運(yùn)算符號(hào)位的管理，提高系統(tǒng)的可靠性。主流程圖如圖2所示。

4 結(jié)論

本文提出的基于C8051F020的雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)在雷達(dá)整機(jī)樣機(jī)中調(diào)試通過(guò)，并能夠正常的工作。使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器更加精確的控制了步進(jìn)電機(jī)的相電流，大大的改善了電機(jī)的振動(dòng)和噪音，消除了電機(jī)的低頻振蕩，提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。單片機(jī)C8051F020本身就是低功耗設(shè)計(jì)，還可以通過(guò)改變系統(tǒng)時(shí)鐘、復(fù)位源及片上外設(shè)等狀態(tài)來(lái)節(jié)省功耗。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]張以杰，李瑞棠.雷達(dá)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

[責(zé)任編輯：王楠]