便攜式靜中通天線控制系統(tǒng)設(shè)計

李敬一（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北 京 100854）

便攜式靜中通天線控制系統(tǒng)設(shè)計

李敬一
（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北 京 100854）

對便攜式靜中通天線控制系統(tǒng)的設(shè)計方法進(jìn)行了論述。便攜式靜中通天線是一種復(fù)雜的高度集成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)主要由傳感器檢測部件、主控板組成，對星過程采用十字對星法，控制效果好。該系統(tǒng)能夠通過一鍵對星或上位機(jī)操作進(jìn)行對星，操作簡單、質(zhì)量輕、體積小、便于攜帶，適用于各種應(yīng)急救災(zāi)場所。

靜中通，天線，控制系統(tǒng)，對星

自然災(zāi)害發(fā)生時，地面通信網(wǎng)絡(luò)容易遭到破壞，且難以快速恢復(fù)。建立先進(jìn)的應(yīng)急通信系統(tǒng)，能夠為搶險救災(zāi)爭取時間、減少損失。衛(wèi)星通信具有覆蓋面大、頻帶寬、容量大、適用于多種業(yè)務(wù)等優(yōu)點，可以作為應(yīng)急通信的一個重要手段。建立天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)發(fā)生重大災(zāi)害而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓時，提供快速、可靠的應(yīng)急通信覆蓋，是通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中值得重視的問題。因此，便攜式靜中通天線應(yīng)運(yùn)而生。

便攜式靜中通天線主要完成衛(wèi)星的自動對星功能，具有一鍵對星、易于安裝、操作、集成等特點，成本低，應(yīng)用廣泛，具有良好的市場前景和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 便攜式靜中通天線控制系統(tǒng)的組成

便攜式靜中通天線控制系統(tǒng)的主控板為整個控制系統(tǒng)的核心，主要完成天線方位、俯仰、極化三軸的控制，以及與信標(biāo)機(jī)、上位機(jī)等的通訊功能，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)框圖

2 傳感器檢測部件選取

2.1 俯仰軸傳感器

俯仰軸位置檢測單元選用傾角傳感器，主要用來確定俯仰軸的位置信息，俯仰軸在升起和下降過程中位置變化緩慢，傾角傳感器能夠滿足使用要求。

2.2 方位軸傳感器

分別在天線座天線方位轉(zhuǎn)動范圍的左、中、右位置放置3個限位開關(guān)，上電后，天線方位軸向固定方向轉(zhuǎn)動，碰觸到某個限位開關(guān)時即可獲取當(dāng)前的絕對角度信息，如圖2所示。

圖2　限位開關(guān)獲取絕對位置

2.3 極化軸傳感器

絕對值編碼器為數(shù)字量輸出，輸出當(dāng)前的絕對角度，精度可達(dá)16位及以上，價位較高，適用于對精度要求較高的場合?？紤]到本系統(tǒng)對精度要求較高，且用于惡劣環(huán)境，因此，選用絕對值編碼器進(jìn)行極化電機(jī)位置檢測。

3 主控板設(shè)計

主控板上各模塊及與外圍傳感器的通信關(guān)系如圖3所示。

圖3　主控板功能框圖

3.1 電源模塊

靜中通天線控制系統(tǒng)的主控板供電電源電壓為24V，電位計供電電壓為12V，傾角傳感器、絕對值碼盤、信標(biāo)

電源輸入模塊的電路如圖4所示，采用貼片式肖特基二極管進(jìn)行反接保護(hù)，肖特基二極管具有正向偏置電壓低的特點，SK24的正向偏置電壓為0.5V，損失的壓降較??；選用自恢復(fù)式保險絲進(jìn)行電流保護(hù)，防止在電流過大時損壞其它重要器件；SMBJ26CA穩(wěn)壓管用于防止浪涌，型號選用原則為擊穿電壓VBR為工作電壓的0.85倍。

圖4　電源輸入模塊

圖5、圖6分別為24V轉(zhuǎn)12V模塊和24V轉(zhuǎn)5V模塊，分別選用電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2676S-12和LM2677-5，驅(qū)動能力分別為3A和5A，采用DATASHEET中的推薦電路進(jìn)行設(shè)計：輸入采用大電容和小電容并聯(lián)的方法進(jìn)行低頻和高頻濾波；輸出電壓采用低ESR的鉭電容進(jìn)行濾波；SR34 和6TQ045S均為肖特基二極管，當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換芯片突然關(guān)斷時，二極管將輸出電壓鉗位在0V以下。此外，該模塊還采用穩(wěn)壓管及自恢復(fù)式保險絲進(jìn)行過壓過流保護(hù)。

圖5　24V轉(zhuǎn)12V

圖6　24V轉(zhuǎn)5V

圖7、圖8分別為5V轉(zhuǎn)3.3V和3.3V轉(zhuǎn)1.8V模塊，輸出采用穩(wěn)壓管和自恢復(fù)式保險絲進(jìn)行過壓過流保護(hù)。

圖7　5V轉(zhuǎn)3.3V

圖8　3.3V轉(zhuǎn)1.8V

圖9為電源隔離模塊，采用磁珠分別將電源隔離成數(shù)字電源、模擬電源，將地隔離成數(shù)字地和模擬地。

圖9　電源隔離

3.2 主控芯片最小系統(tǒng)

主控芯片選用基于Cotex M3內(nèi)核的控制芯片TM4C123BH6PM，具有豐富的外設(shè)和浮點運(yùn)算功能；采用庫函數(shù)進(jìn)行編程設(shè)計，簡化了開發(fā)流程，提高了效率。由于TM4C123BH6PM出色的特性，該系列芯片被廣泛用于自動化與過程控制、消費類和便攜式電子產(chǎn)品、人機(jī)界面、工業(yè)、照明等領(lǐng)域。

圖10為主控芯片最小系統(tǒng)，分別采用模擬電源和數(shù)字電源進(jìn)行供電，采用MAX809進(jìn)行上電復(fù)位檢測，16M外接無源晶振源，采用2.0間距的JTAG下載接口，小巧方便。

圖10　主控芯片最小系統(tǒng)

3.3 A/D轉(zhuǎn)換調(diào)理電路

圖11為A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換調(diào)理電路，共兩路，分別為信標(biāo)機(jī)AGC電壓和電位計輸出電壓調(diào)理電路，OPA2353為兩路集成運(yùn)放芯片。A/D調(diào)理電路由電壓比例電路、電壓跟隨器和二階壓控電壓低通濾波電路組成。電壓比例電路通過匹配合適的電阻，將輸入信號的模擬電壓值降至ARM芯片A/D模塊輸入電壓的范圍（0V～3.3V）。當(dāng)A/D模塊的輸入阻抗較小時，要求信號源的阻抗更小，這樣，A/D采集才會比較精確。運(yùn)放電路設(shè)計成電壓跟隨器，該電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)到A/D模塊的阻抗匹配。

同時，通過一個電容將運(yùn)放的輸入端接到運(yùn)放的輸出端形成正反饋，構(gòu)成二階壓控電壓源低通濾波電路。以信標(biāo)電路為例，在該正反饋電路中，C58使相位超前，C40使相位滯后，只要參數(shù)選擇合適，可以使整個電路在法f=f0附近帶有正反饋且不造成自激振蕩。這樣，就可使濾波電路在f=f0附近的電壓增益提高，使f=f0附近的對數(shù)幅頻特性曲線接近于理想的水平線。

圖11　A/D轉(zhuǎn)換調(diào)理電路

3.4 俯仰方位電機(jī)驅(qū)動電路

圖12為俯仰方位電機(jī)驅(qū)動電路，方位電機(jī)和俯仰電機(jī)的驅(qū)動主要由外部驅(qū)動器完成，主控板需提供一路開關(guān)信號和一路脈沖信號，其中，ARM_AZPWM、ARM_EIPWM 與ARM的PWM模塊相連，ARM_AZDIR、ARM_EIDIR連接ARM I/O（輸入/輸出）口，兩路信號均通過光耦隔離輸出。

圖12　俯仰方位電機(jī)驅(qū)動電路

3.5 極化電機(jī)驅(qū)動電路

圖13為極化電機(jī)驅(qū)動電路，采用L298進(jìn)行驅(qū)動，通過參照芯片手冊進(jìn)行外圍電路設(shè)計，同時布設(shè)4個快恢復(fù)二極管實現(xiàn)橋式電路，再利用單片機(jī)可編程定時器提供脈沖信號，驅(qū)動極化電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動作。

圖13　極化電機(jī)驅(qū)動電路

3.6 Wi-Fi模塊

圖14為Wi-Fi模塊設(shè)計電路，Wi-Fi模塊選用USRWIFI232-B，使用方便，配置簡單，人機(jī)界面友好。參照其硬件電路設(shè)計要求，設(shè)計Reload電路和指示燈電路，并將nlink管腳接到ARM的I/O口，并引出PHY的4個管腳，用于轉(zhuǎn)成以太網(wǎng)接口。

圖14　Wi-Fi模塊

3.7 GPS模塊設(shè)計

圖15為GPS模塊設(shè)計。GPS模塊采用板上表貼的LEA-5S，應(yīng)用成熟，外圍電路簡單易實現(xiàn)，參照技術(shù)手冊設(shè)計電路。

圖15　GPS模塊

3.8 RS485收發(fā)模塊

傳統(tǒng)的RS485收發(fā)模塊需要進(jìn)行系統(tǒng)隔離設(shè)計，本電路采用金升陽的RS485隔離收發(fā)模塊TD301D485H-E，是一款集隔離電源、信號隔離芯片、RS485收發(fā)芯片和總線保護(hù)器件于一體的RS485協(xié)議收發(fā)模塊。其自帶定壓隔離電源，可實現(xiàn)2500VDC的電氣隔離，并具有ESD保護(hù)功能。

考慮到線路的特殊情況（如某臺分機(jī)的RS485芯片被擊穿短路），為防止總線中其它分機(jī)的通信受到影響，在RS485信號輸出端串聯(lián)了2個10Ω的電阻R13、R19。這樣，本機(jī)的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場施工中，由于通信載體是雙絞線，其特性阻抗為120Ω左右，所以，在線路設(shè)計時，在RS485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各應(yīng)接1只120Ω的匹配電阻（見圖14中的R17），以減少線路上傳輸信號的反射。

由于RS485芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為±200mV，即差分輸入端VA-VB≥+200mV，輸出邏輯1，VA-VB≤-200mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對值小于200mV時，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時，接收器輸出邏輯0，這會誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的方法是人為地使A端電位高于B兩端電位，這樣，RXD的電平在RS485總線不發(fā)送期間（總線懸浮時）呈現(xiàn)唯一的高電平，ARM就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在RS485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R11、R20，即可很好地解決這個問題。同時，RS485收發(fā)器的輸出端分別連接穩(wěn)壓管及防雷管進(jìn)行電路保護(hù)，如圖16所示。

圖16　RS485收發(fā)模塊

3.9 MAX232電平和TTL電平轉(zhuǎn)換

圖17為MAX 232電平和TTL電平轉(zhuǎn)換電路，共3路，使用了2個MAX3232芯片，電路成熟，參照設(shè)計手冊設(shè)計即可，其輸出加過流過壓保護(hù)。

圖17　232電平和TTL電平轉(zhuǎn)換

3.10 SPI接口設(shè)計

SPI接口用于與外圍的Tunner模塊進(jìn)行通信，通過ARM自帶的SPI模塊通過BAT54S進(jìn)行電壓鉗位，并通過限流、濾波、ESD、過流保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)。電路設(shè)計如圖18所示。

3.11 限位開關(guān)及一鍵通按鈕

限位開關(guān)和一鍵通按鈕均直接輸入到ARM的GPIO輸入引腳，如圖19所示，當(dāng)按鈕未按下時，由于電阻的上拉作用（R54～R58），ARM檢測到引腳為高電平；當(dāng)按鈕按下時，ARM檢測到引腳為低電平。3個限位開關(guān)+一鍵通按鈕，并增加了一路輸入以作備用。

圖19　IO口輸入

4 下位機(jī)程序設(shè)計

天線的控制流程初定為：上電后，天線判斷上次斷電是否正常，如果上次斷電正常，那么，天線轉(zhuǎn)到初始位置（方位0°，俯仰45°，極化0°），如果非正常斷電，則天線在上電后保持不動，這主要是考慮到天線在對星完成后遇到突然斷電情況，再重新上電后無需再次對星?？刂七^程中在while循環(huán)中使用switch mode進(jìn)行模式判斷，mode=0， break；mode=1，天線轉(zhuǎn)到初始化位置；mode=2，天線對星；mode=3，天線收藏。整體控制流程如圖20所示。

5 實 驗

通過實際對星試驗，驗證控制系統(tǒng)的使用效果。實驗結(jié)果表明，鑫諾5號對星時間為1分40秒以內(nèi)。靜中通天線與7.5m基站語音、視頻通信效果良好，語音、視頻信號無明顯中斷現(xiàn)象，接收增益為30dB，發(fā)送增益為31dB。圖21和圖22分別為實驗過程圖。

圖20　程序流程圖

6 結(jié)束語

便攜式靜中通天線控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，便于集成和調(diào)試，成本低，控制效果好，能夠滿足系統(tǒng)使用要求。實際對星實驗結(jié)果表明，天線與基站通信無明顯中斷現(xiàn)象，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖21　接收極化

圖22　接收反極化

1 蔣岳新， 李榮華. 森林防火應(yīng)急VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用于管理［J］. 森林防火， 2013， （2）： 33～36

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1009-8119（2016）08（1）-0057-04機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器供電電壓均為24V，OPA2353供電電壓為5V，Wi-Fi轉(zhuǎn)以太網(wǎng)口模塊供電電壓為1.8V，其它供電電壓為3.3V。因此，電源模塊主要考慮將24V電壓轉(zhuǎn)換成12V、5V、3.3V、1.8V。