船載“動(dòng)中通”伺服系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)

陳慶超

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 江蘇 南京 210003)

船載“動(dòng)中通”伺服系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)

陳慶超

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 江蘇 南京 210003)

船載“動(dòng)中通”地球站的整個(gè)硬件系統(tǒng)的組成包括伺服分系統(tǒng)、天饋分系統(tǒng)和監(jiān)控分系統(tǒng)三大分系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主要完成的工作是以STM32為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對船載“動(dòng)中通”地球站下位機(jī)伺服系統(tǒng)的硬件控制電路的研究與設(shè)計(jì)。以硬件設(shè)計(jì)為主線，介紹了“動(dòng)中通”伺服系統(tǒng)的控制電路具體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括硬件的選型和電路圖的設(shè)計(jì)。

船載“動(dòng)中通”；伺服系統(tǒng)；STM32

0 引言

當(dāng)今社會(huì)是高速發(fā)展的信息化社會(huì)，人們對于通信的依賴性變得越來越強(qiáng)，通信方式也變得越來越多樣化，因而通信方式選擇也變得尤為重要。隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信方式也變得越來越多樣化。而衛(wèi)星通信由于其不受地域限制、通信范圍廣以及較為靈活的機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，在通信領(lǐng)域占據(jù)著非常重要的地位，尤其是在海洋通信領(lǐng)域內(nèi)，衛(wèi)星通信因?yàn)槠洳恍枰孛婊具@一特點(diǎn)，更是有著其他的通信方式無法替代的地位[1-2]。

通常所使用的衛(wèi)星通信地球站可以分為兩種，一種是固定式地球站，一種是移動(dòng)式接收站，“動(dòng)中通”便是一種移動(dòng)式的地面接收站。由于船載“動(dòng)中通”是放在船上使用的，在整個(gè)通信的過程中，船體始終在晃動(dòng)，而為了獲取穩(wěn)定連續(xù)的衛(wèi)星通信信號(hào)，就要保證接收站能夠始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。因此必須引進(jìn)伺服系統(tǒng)，將接收站和船體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行隔離，從而消除船體運(yùn)動(dòng)以及其他運(yùn)動(dòng)因素的影響，保證天線能夠始終對準(zhǔn)衛(wèi)星[3-8]。

1 系統(tǒng)功能

“動(dòng)中通”的伺服系統(tǒng)也是通常所說的跟蹤系統(tǒng)，它通過接收、分析和處理所有安裝在接收站上的傳感器的數(shù)據(jù)，獲取天線的實(shí)時(shí)的姿態(tài)信息，根據(jù)情況對天線做出調(diào)整控制，最終實(shí)現(xiàn)對天線的跟蹤[3]。

“動(dòng)中通”伺服系統(tǒng)的主要功能如下：

(1)完成對“動(dòng)中通”地球站姿態(tài)信息的測量，包括地球站的方位角、俯仰角和橫搖角的測量，還包括地球站在三軸方向上的轉(zhuǎn)速和地理位置信息的測量，其中地球站的姿態(tài)信息可通過傳感器獲取，地理位置信息可通過GPS獲取[2]。

(2)地球站控制信號(hào)輸出，包括各個(gè)電機(jī)的控制信號(hào)。

(3)通過RS485串行接口與上位機(jī)之間的通信。一方面可以收到上位機(jī)發(fā)送過來的控制命令，另一方面將地球站的各種信息發(fā)送給上位機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 伺服系統(tǒng)硬件模塊整體設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)整體框圖如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)硬件模塊整體框圖

2.2 CPU控制單元

圖3 電源模塊

本設(shè)計(jì)不再使用以往所使用的51系列的單片機(jī)作為控制芯片，而是選用功能更加強(qiáng)大的STM32系列為核心控制單元，具體選用的是STM32F407VET6型號(hào)，與51系列單片機(jī)相比，STM32運(yùn)算更高，功能也更加的豐富[6]。如圖1所示，伺服系統(tǒng)的控制電路擁有比較多的外接設(shè)備，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、信標(biāo)機(jī)、GPS、傳感器模塊以及與上位機(jī)的通信。其中信標(biāo)機(jī)、GPS、傳感器以及和上位機(jī)的通信均需要通過串口來實(shí)現(xiàn)，51系列的單片機(jī)串口資源較少，需要通過串口的分時(shí)復(fù)用才能滿足要求，而STM32擁有較多的串口資源，所以通過無需復(fù)用便可實(shí)現(xiàn)所有的串口通信目標(biāo)[4]。并且STM32處理速度相較于51單片機(jī)要快很多，可以更好地實(shí)現(xiàn)對天線的控制調(diào)整。在軟件程序的編寫方面，STM32因其功能齊全、調(diào)用便捷的庫函數(shù)而使得整個(gè)開發(fā)工作相對于51系列的單片機(jī)而言要簡單許多。因此本設(shè)計(jì)選用STM32作為CPU控制單元。

2.3 GPS通信模塊

全球定位系統(tǒng)GPS的作用就是提供地球站的地理位置信息。GPS通常安裝在跟蹤系統(tǒng)上，CPU通過解析從串口發(fā)送過來的GPS協(xié)議字，可以知道天線所在地的具體位置，即經(jīng)緯度信息。根據(jù)得到的經(jīng)緯度信息和所需要的衛(wèi)星的信息，可以計(jì)算出對星所需的理論方位角度和理論俯仰角度。

如圖2所示，本設(shè)計(jì)選用的是北斗GPS，即BD-126，BD-126具有標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)接口，提供北斗GPS單一定位或混合定位業(yè)務(wù)。此外，BD-126的體積非常小，僅為16 mm×12.2 mm×2.6 mm，功耗低，具有非常好的靈敏度和定位反應(yīng)時(shí)間[6]。

圖2 BD-GPS

2.4 電源模塊

在天線工作的過程中，電路中的各個(gè)模塊都需要電源，并且各個(gè)模塊的電源也不盡相同，比如和上位機(jī)通信的RS485模塊、GPS和信標(biāo)機(jī)等模塊使用的是3.3 V的電源，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用的是5 V的電源，還有使用12 V和24 V的電路。所以在電路設(shè)計(jì)中就需要包含電源轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)視線。具體設(shè)計(jì)如圖3所示，此模塊包括24 V電源轉(zhuǎn)5 V電源和5 V電源轉(zhuǎn)3.3 V電源。

2.5 電機(jī)模塊

2.5.1驅(qū)動(dòng)

在整個(gè)船載衛(wèi)星天線的設(shè)計(jì)中共需要四個(gè)電機(jī)，分別是方位電機(jī)、俯仰電機(jī)、橫滾電機(jī)和極化電機(jī)。本電路設(shè)計(jì)所針對的船載“動(dòng)中通”的四個(gè)電機(jī)均為步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的輸入是電脈沖，輸出的是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。每當(dāng)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到后會(huì)輸送驅(qū)動(dòng)信號(hào)給電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小可以有輸入電脈沖信號(hào)的周期來進(jìn)行控制，周期越短，頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度的大小可以通過脈沖的個(gè)數(shù)來進(jìn)行控制[9]。為方便對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制和簡化控制程序的編寫，電路采用MC74HCT245N作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，如圖4所示。MC74HCT245N包含8個(gè)具有3態(tài)輸出的非反相雙向緩沖器，適用于面向總線的應(yīng)用程序。每塊驅(qū)動(dòng)芯片可實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制，整個(gè)電路共需要兩塊驅(qū)動(dòng)芯片。

2.5.2碼盤

碼盤是用來測量角度位移的編碼傳感器，本設(shè)計(jì)中使用的是一種增量式正交碼盤，是相對式計(jì)數(shù)的碼盤，安裝在電機(jī)上。碼盤的輸出為兩組相互正交的方波，相位相差90°[5]，如圖5所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

圖5 碼盤兩相轉(zhuǎn)動(dòng)圖

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈碼盤便會(huì)產(chǎn)生256個(gè)脈沖。在通過軟件來提高分辨率時(shí)，比如進(jìn)行四分頻，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈將會(huì)產(chǎn)生1 024個(gè)脈沖信號(hào)。這種情況下每個(gè)脈沖的角度為360°/1 024=0.035 156 25°。通過差分編碼器AM26LS32對碼盤的A相和B相的脈沖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到最終轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對脈沖計(jì)數(shù)，以此可以算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度[3]。

2.6 接近開關(guān)傳感器

在初始化的過程中天線需要走到設(shè)定的姿態(tài)，即電機(jī)走到相應(yīng)的限位，這些限位就是通過接近開關(guān)傳感器測得的。電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，當(dāng)電機(jī)走到相應(yīng)的限位時(shí)，接收傳感器的引腳就會(huì)由高變低，此時(shí)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，直到天線的初始化完成進(jìn)入到下一個(gè)步驟。接近開關(guān)傳感器的連接較為簡單，如圖6所示。

圖6 接近開關(guān)傳感器

2.7 串口通信模塊

本控制電路屬于船載通信中的下位機(jī)部分，它需要通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，以接收上位機(jī)發(fā)來的命令以及將天線當(dāng)前的一些信息發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示和觀察分析[7]。在上下位機(jī)的通信中該系統(tǒng)使用的是RS485標(biāo)準(zhǔn)，具體電路的實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

圖7 RS485通信

3 結(jié)束語

通過編寫簡單的測試程序?qū)υ摽刂齐娐愤M(jìn)行調(diào)試，該控制電路基本可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的初衷，可以通過編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)電路對電機(jī)的控制，也能夠?qū)崿F(xiàn)和上位機(jī)的通信以及通過其他串口接收其他設(shè)備傳送過來的信息，如傳感器、信標(biāo)機(jī)、GPS等。該控制電路的主要缺陷是沒有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，可在原有的基礎(chǔ)上再添加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行改進(jìn)。

[1] 李迪陽.船載衛(wèi)星通信地球站中上位機(jī)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京:南京郵電大學(xué), 2016.

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Hardware design of control circuit for servo system of shipborne mobile communiation

Chen Qingchao

(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

The shipborne system includes servo subsystem, feed subsystem and monitoring subsystem. The main work of this design is completing the research and design of the hardware control circuit for the servo system of shipborne system. The circuit is based on STM32. This paper introduces the specific design and implementation of control circuit with hardware design as the main line. The work includs hardware selection and circuit design.

shipborne mobile communication; servo system; STM32

TP21；TP30

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.013

陳慶超.船載“動(dòng)中通”伺服系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(20)：45-47.

2017-03-31)

陳慶超(1991-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信技術(shù)。E-mail：2386765342@qq.com。