大型對(duì)數(shù)周期天線陣列伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊琰麗 李穎 何會(huì)彬

摘 要：為了對(duì)大型對(duì)數(shù)周期天線陣列進(jìn)行伺服控制，實(shí)現(xiàn)天線陣列中單軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰方向的運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了大型對(duì)數(shù)周期天線陣列伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主控制單元通過CAN總線與天線陣列中各天線驅(qū)動(dòng)控制單元通信。除主控制單元觸摸屏外， PC上位機(jī)通過主控制單元配置擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口模塊，可對(duì)天線陣列進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，無需專人值守;應(yīng)急手持設(shè)備在主控制單元或CAN總線故障時(shí)，可單獨(dú)控制天線陣列中任一天線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)已在16個(gè)大型對(duì)數(shù)周期天線構(gòu)成的陣列中使用，能單獨(dú)控制某個(gè)天線、控制某幾個(gè)（或所有）天線同時(shí)同向或異向轉(zhuǎn)動(dòng)，或通過角度設(shè)置使天線轉(zhuǎn)動(dòng)到確定的角度，位置精度達(dá)到0.1°，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定良好，可靠性高。能夠滿足大型對(duì)數(shù)周期天線陣列的控制要求，可應(yīng)用于大部分大型對(duì)數(shù)周期天線陣列，有較高的應(yīng)用價(jià)值，能為大型天線陣列控制提供參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用;大型對(duì)數(shù)周期天線;陣列;伺服控制;CAN總線;ARM9

中圖分類號(hào)：TP273 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and implementation of large log-periodic

antenna array servo control system

YANG Yanli1， LI Ying1， HE Huibin2

（1. School of Information Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. Research and Development Department， Hebei Shenzhou Satellite Communications Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050200， China）

Abstract：

In order to perform servo control on a large log-periodic antenna array and realize the control of the pitch direction of the single axis rotary table in the antenna array， a large log-periodic antenna array servo control system is designed and implemented. The main control unit of the system is designed to communicate with each antenna drive control unit in the antenna array via the CAN bus. In addition to the touch screen of the main control unit， the antenna array can be controlled remotely and unattended by the PC upper computer through the extended network interface module configured by the main control unit. The emergency hand-held device is designed to control the movement of any antenna in the antenna array individually when the main control unit or CAN bus fails.

The running results indicate： The system has been used in an array which is composed of 16 large log-periodic antennas. It is able to control an antenna individually and control some （or all） antennas to rotate in the same direction or in opposite directions， or rotate the antenna to a certain angle by angle setting. The position accuracy of the system reaches 01 degree with stable running and high reliability. The system can fulfill the control requirements of large log-periodic antenna arrays， and can be applied to most large log-periodic antenna arrays. It can provide references for the control of large antenna arrays with high application value.

Keywords：

application of automation technology; large log-periodic antenna; array; servo control; CAN bus; ARM9

1 大型天線陣列的研究和發(fā)展

單一天線的方向性是有限的。將2個(gè)或2個(gè)以上的單個(gè)天線，按照相應(yīng)要求進(jìn)行饋電和空間排列構(gòu)成天線陣列， 以增強(qiáng)天線的方向性，提高天線增益[1]。大型天線陣列作為地面觀測(cè)裝置，可以對(duì)空間位置進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測(cè)，能捕捉極其微弱的射電信號(hào)[2]。其在射電天文觀測(cè)、深空探測(cè)、太陽活動(dòng)監(jiān)測(cè)、空間天氣研究等方面的應(yīng)用，不僅承載了人類研究宇宙物質(zhì)的原初性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、天體形成和演化、暗物質(zhì)和暗能量分布等天文、物理重大科學(xué)命題的使命[3]，在軍事國防上也具有重要的戰(zhàn)略意義（如強(qiáng)的太陽射電爆發(fā)可造成短波通信中斷等），是國家戰(zhàn)略計(jì)劃的重要組成部分[4]。

自20世紀(jì)90年代初以來，各國政府相繼開展對(duì)大型天線陣列的研究和應(yīng)用[5]。如英國劍橋81.5 MHz天線陣列由4 096個(gè)天線組成，在東西方向上排成32行，每行128個(gè)，行距0.65波長（3.68 m），等效接收面積36 000 m2[6]。俄羅斯151 MHz射電天文天線陣列共1 344個(gè)天線單元，共32行，行距3.5 m，每行42個(gè)天線單元，間隔3 m，總占地面積13 345.5 m2[7]。目前，中國參與建設(shè)的SKA（平方千米陣列射電天文望遠(yuǎn)鏡）將在澳大利亞、南非及非洲南部8個(gè)國家約3 000 km的廣袤荒野中建設(shè)2 500面15 m口徑反射面天線[8]，建成后，比目前最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列——美國EVLA的靈敏度提高50倍，巡天速度提高10 000倍[9]。

大型天線陣列數(shù)量較少，但它是國家科技和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的綜合體現(xiàn)。大型天線陣列覆蓋面積廣，單個(gè)設(shè)備體積大，質(zhì)量重，又要求控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、同步性、穩(wěn)定性和高可靠性，這些都給天線陣列控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了困難[10]。

2 大型對(duì)數(shù)周期天線陣列伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要求能控制大型天線組成的天線陣列：該陣列由16個(gè)（或更多）桁架式對(duì)數(shù)周期天線組成，每個(gè)天線尺寸為12 m×15 m，有效面積526 m2，天線質(zhì)量1 000 kg，質(zhì)心距俯仰軸距1 500 mm，連同單軸俯仰式轉(zhuǎn)臺(tái)架設(shè)在12 m高的自立塔架上，如圖1所示，相鄰天線間隔50 m，所有天線排成一排。要求能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制（控制某個(gè)或某幾個(gè)天線同向、或各自向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)）、聯(lián)動(dòng)控制（控制所有天線同向、或各自向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)），轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為俯仰角0°（天線與地面水平）～90°（天線與地面垂直）;或通過數(shù)據(jù)引導(dǎo)模式，使天線轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)置的角度，從而實(shí)時(shí)調(diào)整天線陣列的空間指向，滿足用戶通信要求。

根據(jù)對(duì)大型對(duì)數(shù)周期天線陣列的控制需要，及系統(tǒng)須具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和高可靠性的控制要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了大型對(duì)數(shù)周期天線陣列伺服控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用分布式控制，主要由放置于控制室的主控制單元、安裝在每個(gè)天線轉(zhuǎn)臺(tái)上的天線驅(qū)動(dòng)控制單元、應(yīng)急手持控制設(shè)備等構(gòu)成。天線陣列中天線數(shù)量眾多，每個(gè)天線都是一個(gè)受控設(shè)備，系統(tǒng)要求每個(gè)受控設(shè)備都能作為主設(shè)備發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，并具有良好的實(shí)時(shí)性，同時(shí)要保證后期可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)使用CAN總線連接主控制單元及各天線驅(qū)動(dòng)控制單元進(jìn)行通信，如圖2所示。

CAN總線是一種總線型拓?fù)渫ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，用于連接現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備與控制室內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)，具有數(shù)字式、串行及多點(diǎn)通信等特點(diǎn)，能滿足大型天線陣列對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的要求[11]。CAN總線為多主總線，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)均可發(fā)起數(shù)據(jù)通信，不區(qū)分主從設(shè)備[12]。其采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)安排數(shù)據(jù)傳輸次序，節(jié)省了總線仲裁時(shí)間，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性[13]。CAN總線可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信功能。通過對(duì)通信數(shù)據(jù)編碼，可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)100個(gè)以上。通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km（5 KB/s），通信速率最高可達(dá)1 MB/s（40 m）[14]。

系統(tǒng)通過主控制單元觸摸屏控制天線陣列，應(yīng)急狀態(tài)下可通過手持控制設(shè)備（通過RS485與天線驅(qū)動(dòng)控制單元通信）單獨(dú)控制天線陣列中任一天線運(yùn)動(dòng)。主控制單元通過RS232/RS485串行接口與PC上位機(jī)通信，也可通過相應(yīng)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣列的監(jiān)視、控制和設(shè)置等功能。此外，可通過主控制單元的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，無人值守。

2.2 主控制單元設(shè)計(jì)

主控制單元采用ARM9作為中央處理器，將16個(gè)天線數(shù)據(jù)全部顯示在約2565 cm（10.1英寸）觸摸屏中，界面美觀，操作便捷，實(shí)用性強(qiáng)。主控制單元能顯示天線陣列中全部天線的當(dāng)前角度，是否處于限位狀態(tài)（天線與水平面夾角0°或90°），當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)方向（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）[15]。主控制單元通過CAN總線驅(qū)動(dòng)各天線驅(qū)動(dòng)控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣列中單個(gè)、多個(gè)和所有天線的運(yùn)動(dòng)控制。主控制單元也可通過串行接口接收上位機(jī)命令，或通過網(wǎng)絡(luò)接口接收遠(yuǎn)程命令實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣列中天線的運(yùn)動(dòng)控制[16]。此外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流及功耗較大，為此主控制單元設(shè)置了啟動(dòng)延時(shí)，當(dāng)天線陣列中有多個(gè)或所有天線電機(jī)需啟動(dòng)時(shí)，在前一天線電機(jī)啟動(dòng)200 ms后再啟動(dòng)下一個(gè)天線電機(jī)[17]。

2.3 天線驅(qū)動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)

天線驅(qū)動(dòng)控制單元由ARM控制器、角度反饋、驅(qū)動(dòng)器、限位保護(hù)、抗干擾電路等部分組成，如圖3所示。

天線驅(qū)動(dòng)控制單元采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM 7內(nèi)核的STM32作為主控制芯片，成本低、實(shí)時(shí)性和可靠性好[18];角度傳感器采用16位絕對(duì)型光電編碼器。因?yàn)榇笮蛯?duì)數(shù)周期天線質(zhì)量大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率大，其電流對(duì)單片機(jī)有較強(qiáng)的干擾，因此在單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路之間增加光耦隔離，增強(qiáng)了天線驅(qū)動(dòng)控制單元的抗干擾性[19]。此外，天線驅(qū)動(dòng)控制單元中還包含手動(dòng)控制模塊，當(dāng)主控制單元或CAN故障時(shí)，通過串行通信接口接收手持應(yīng)急設(shè)備的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的運(yùn)動(dòng)控制，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性[20]。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由16個(gè)大型對(duì)數(shù)周期天線構(gòu)成的天線陣列的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)天線、多個(gè)或所有天線單軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰方向的同向或異向?qū)崟r(shí)運(yùn)動(dòng)控制。使用CAN總線連接各天線驅(qū)動(dòng)控制單元，由主控制單元集中控制天線陣列，操作便捷，減少了設(shè)備投入，降低了成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。提供主控制單元、應(yīng)急手持設(shè)備、PC上位機(jī)，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等多種控制方式，提高了系統(tǒng)的可靠性。目前已在某研究所的天線陣列中使用，位置精度達(dá)到0.1°，為大型天線陣列控制技術(shù)的研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)的不足之處在于應(yīng)急手持設(shè)備與天線陣列中各驅(qū)動(dòng)控制單元尚未實(shí)現(xiàn)無線通信，給操作帶來不便。未來可進(jìn)一步研究借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)異地多區(qū)域大型天線陣列的集中控制技術(shù)。

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