基于三維搖桿的轉(zhuǎn)臺(tái)控制器設(shè)計(jì)

陳俐潔 徐陽

摘 要：為滿足某型船載探照燈和轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際控制需求，采用ATmega8微處理器設(shè)計(jì)了基于三維搖桿的新型控制器。實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)的方位、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，并綜合了轉(zhuǎn)臺(tái)的速度比例控制，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了探照燈的開、關(guān)及焦距調(diào)節(jié)等功能，達(dá)到了預(yù)期的控制指標(biāo)。該設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)臺(tái)綜合控制及操控性等方面開辟了新途徑，同時(shí)也具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：探照燈 轉(zhuǎn)臺(tái) 三維搖桿 控制器 ATmega8

中圖分類號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（b）-0078-02

Abstract： In order to satisfy the actual control requirements of a certain type of ship searchlight and turntable， a new controller based on three dimensional rocker is designed by using ATmega8 microprocessor. The rotation and rotation of the turntable is realized， and the speed proportional control of the turntable is integrated. At the same time， the functions of opening and closing of the searchlight and focal length adjustment are realized， and the expected control index is achieved. The design has opened up a new way in the comprehensive control and manipulation of the turntable， and also has a strong practical value.

Key Words： Searchlight； Turntable； Three dimensional rocker； Controller； ATmega8

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，探照燈被廣泛應(yīng)用于安防、照明等諸多領(lǐng)域，特殊的使用環(huán)境對(duì)其控制設(shè)備的可操作性、便捷性及可靠性等性能提出了更高的要求。鑒于搖桿操控性強(qiáng)、使用方便、開發(fā)容易等特點(diǎn)，本控制器采用三維搖桿實(shí)現(xiàn)探照燈及轉(zhuǎn)臺(tái)操控的特殊要求。

1 系統(tǒng)組成及控制原理

本船載探照燈轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)包括探照燈、轉(zhuǎn)臺(tái)、控制箱、控制器四個(gè)部分，如圖1系統(tǒng)框圖所示。控制器上電后，通過開關(guān)燈按鈕的開閉，可直接控制探照燈的開關(guān)；通過搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)可發(fā)出控制信號(hào)，控制箱接受控制信號(hào)并進(jìn)行解析，再將控制命令發(fā)送給轉(zhuǎn)臺(tái)和探照燈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位、俯仰以及探照燈焦距調(diào)節(jié)等控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

本控制器采用ATMEL公司的ATmega8微處理器作為主控芯片。該芯片是基于RISC結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型、低功耗AVR微處理器，數(shù)據(jù)吞吐能力達(dá)1MIPS/MHz，可有效緩解處理器功耗和處理速度之間的矛盾。此外，其內(nèi)部集成了A/D變換、串口等硬件接口電路，可實(shí)現(xiàn)搖桿三維數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)LASH和EEPROM能夠采用普通的下載器實(shí)現(xiàn)下載和上載，性價(jià)比極高。

2.2 三維搖桿

三維搖桿，如圖2所示，有X、Y、Z三個(gè)軸向，設(shè)計(jì)采用X、Y軸分別控制轉(zhuǎn)臺(tái)的方位和俯仰，Z軸控制探照燈的焦距變換。硬件設(shè)計(jì)時(shí)，三個(gè)軸向上各連接了一組由電容和電阻構(gòu)成的低通濾波器，對(duì)三個(gè)軸向的控制信號(hào)進(jìn)行濾波，以消除干擾和抖動(dòng)。搖桿的控制角度經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)臺(tái)速度的數(shù)字量建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)速度的比例控制。此外，在電路板上設(shè)置了零值按鈕，用于搖桿三維動(dòng)作的零值校準(zhǔn)。

2.3 通信模塊

RS485通信方式，傳輸距離遠(yuǎn)，結(jié)合Modbus通信規(guī)約，可實(shí)現(xiàn)高效、可靠的信息通訊，本設(shè)計(jì)采用MAX485芯片作為通信模塊的核心芯片，來完成控制器與控制箱的相互通信，電路圖如圖3所示。

3 通信協(xié)議

3.1 串口通信格式

串口通信采用RS485主從通信模式，通訊波特率為9600bit/s，數(shù)據(jù)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無校驗(yàn)位。

3.2 協(xié)議規(guī)則

Modbus協(xié)議是由Modicon公司在1979年開發(fā)出來的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是第一個(gè)真正意義上用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。它定義了設(shè)備與設(shè)備之間的信息傳輸方式，使控制器之間、控制器和其他設(shè)備之間可以進(jìn)行通信和傳輸數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用經(jīng)簡(jiǎn)化后的Modbus通信RTU模式協(xié)議。通訊命令格式，如表1所示。其中，CRC0和CRC1為CRC校驗(yàn)值，用于確保傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 搖桿數(shù)據(jù)處理

為有效濾除脈沖噪聲，保護(hù)有效數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計(jì)將多次采集的搖桿模擬量數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，又進(jìn)行了中值濾波處理，中值濾波算法如公式（1）所示。

4.2 功能設(shè)計(jì)

為有效提高CPU執(zhí)行程序的效率，對(duì)搖桿的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收等處理均采用中斷執(zhí)行?？刂破魍ㄟ^A/D中斷程序每隔10ms采集一次模擬量，并將其送入相應(yīng)的通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷返回并將相應(yīng)數(shù)據(jù)緩存；A/D轉(zhuǎn)換的通道選擇由定時(shí)器2中斷完成；三維搖桿的3個(gè)控制動(dòng)作數(shù)據(jù)的處理及開關(guān)燈控制均在定時(shí)器1的中斷程序中完成；串口數(shù)據(jù)發(fā)送由T1中斷啟動(dòng)，待數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，終止串口中斷。

4.3 主程序

本控制器搖桿的采樣、啟動(dòng)按鈕及數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗^程均由中斷程序處理，主程序僅對(duì)三維搖桿的零值校準(zhǔn)進(jìn)行處理。當(dāng)校準(zhǔn)按鈕按下時(shí)，由主程序段處理搖桿位于復(fù)位狀態(tài)下的數(shù)值，并將該值寫入EEPROM，作為此后的初始值。之后，程序再次初始化，待校準(zhǔn)按鈕釋放后重新進(jìn)入校準(zhǔn)按鈕判斷循環(huán)，主程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié)語

本控制器已成功應(yīng)用于某型船載探照燈轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該控制器能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)方位和俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，且可按搖桿的幅度比例控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探照燈的開、關(guān)及焦距調(diào)節(jié)等功能，圓滿完成了技術(shù)指標(biāo)的要求。此外，本設(shè)計(jì)兼容了ATmega48、ATmega88芯片，還有進(jìn)一步擴(kuò)展功能及提升可靠性的空間。

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