基于ARM的空間光通信APT控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹朝亮,艾 勇

摘 要:設(shè)計(jì)一種基于ARM嵌入式處理器為核心的控制系統(tǒng),該系統(tǒng)主要完成在空間無線光通信中信標(biāo)光的掃描、捕獲和跟蹤控制,即APT控制系統(tǒng)。以光柵螺旋掃描算法實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光的掃描、捕獲功能,用增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光的跟蹤控制功能。該設(shè)計(jì)具有高實(shí)時(shí)性、高集成度、低功耗等優(yōu)點(diǎn),可滿足空間光通信中APT控制部分的要求。

關(guān)鍵詞:空間光通信;APT;ARM;PID

中圖分類號(hào):TP301.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-026-03

Design of APT System in Space Optical Communication Based on ARM Processor

YIN Chaoliang,AI Yong

(College of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan,430079,China)

Abstract:APT system in space optical communication based on embedded ARM processor is designed.The scanning,acquisition and tacking (APT)control of beacon is implemented by adopting raster helix scan algorithm and incremental PID algorithm.This design features a high real-time index,high concentration degree and a low power level,which are all very appropriate to an APT system.

Keywords:space optical communication;APT;ARM;PID

空間光通信是以光波作為載波,在空間中進(jìn)行信息無線傳輸?shù)囊环N新型通信技術(shù),其具有保密性高,抗干擾性強(qiáng),通信速率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3],將會(huì)在衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面控制站的無線通信領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是由于光波波束窄,空間環(huán)境又比較復(fù)雜,而給通信鏈路的建立造成了極大的困難,所以對(duì)于空間光通信,必須先使用一套捕獲、瞄準(zhǔn)與跟蹤(Acquisition,Pointing and Tracking,APT)系統(tǒng)來建立和維持光通信鏈路[4-6]。嵌入式系統(tǒng)具有高性能、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn),使其在運(yùn)動(dòng)控制上的應(yīng)用具有很大優(yōu)勢(shì),以ARM嵌入式處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[7,8]。針對(duì)目前衛(wèi)星通信終端必須具有高實(shí)時(shí)性、高集成度、低功耗、體積小和重量輕等一系列特點(diǎn),提出一種基于ARM 7嵌入式處理器為核心的APT控制系統(tǒng)。

1 APT控制系統(tǒng)組成

APT控制系統(tǒng)由PWM脈沖控制和產(chǎn)生模塊、RS 232串行通信接口模塊、光電編碼接口模塊及人機(jī)交互模塊組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

核心控制芯片選用Philips公司生產(chǎn)的專用工業(yè)控制ARM芯片LPC2124。先由串口接收到由信標(biāo)光圖像處理部分得到的光斑坐標(biāo)值,通過位置跟蹤算法計(jì)算出輸出PWM的控制量值,再由PWM產(chǎn)生模塊送出PWM脈沖到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī),最終帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)指向目標(biāo)位置。光電編碼器反饋回電機(jī)的速度信息到處理器,運(yùn)用相應(yīng)的控制算法可以將轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速度穩(wěn)定在設(shè)定值,防止電機(jī)因速度不穩(wěn)定而擾動(dòng)。在控制過程中,轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)、速度和位置等信息皆可由LCD顯示,轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速度、掃描步長(zhǎng)等由鍵盤輸入設(shè)定。

圖1 APT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 LPC2124處理器簡(jiǎn)介

LPC2124是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU,是世界首款可加密的ARM 芯片,并帶有256 KWord嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器和16 KB的SRAM[9],完全能滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的要求,故不需要外加存儲(chǔ)擴(kuò)展,使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單、可靠。內(nèi)部具有UART,硬件I2C,SPI,PWM,ADC,定時(shí)器和比較捕獲單元等眾多應(yīng)用部件,功能十分強(qiáng)大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)能滿足APT控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求。3.3 V 和1.8 V供電電壓可使系統(tǒng)保持低功耗,128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)可使32位代碼在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行,提高了代碼運(yùn)行速度,獨(dú)特的16位Thumb模式可使代碼規(guī)模的降低超過30%,而系統(tǒng)的性能損失卻很小[9],提高了代碼的運(yùn)行效率,大大降低了程序的優(yōu)化難度。特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)和訪問控制系統(tǒng)。

2.2 電源電路

LPC2124的內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電壓為1.8 V,I/O口所需電壓為3.3 V,而整個(gè)數(shù)字電路的供電電源為5 V,且通過78M05將電源5 V穩(wěn)壓,故選用了LDO芯片LM1117MPX-3.3和LM1117MPX-1.8穩(wěn)壓輸出3.3 V及1.8 V電壓,其電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源電路

2.3 RS 232接口模塊

通過串口獲取光斑的坐標(biāo)值,由于系統(tǒng)芯片是3.3 V系統(tǒng),所以使用MAX 3232進(jìn)行RS 232電平轉(zhuǎn)換,其電路原理圖如圖3所示。

圖3 串行通信接口電路

通過設(shè)置LPC2124控制寄存器U0LCR,U0DLM和U0DLL來設(shè)置工作模式及波特率。

2.4 JTAG接口電路設(shè)計(jì)

采用ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG作為仿真調(diào)試接口,JTAG信號(hào)的定義及與LPC2124的連接如圖4所示。圖中,JTAG 接口上的信號(hào)nRST,nTRST與整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位電路連接,以達(dá)到與控制系統(tǒng)共同復(fù)位的目的。

圖4 JTAG電路原理圖

2.5 電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

通過設(shè)置LPC2124的PWMMR0,PWMMR6寄存器來設(shè)置輸出PWM的周期及占空比,從而控制轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用DMD 402型二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器可提供整步、半步、8-16檔細(xì)分共三種運(yùn)行模式。另外,通過比較捕獲單元接收通過光電編碼器反饋產(chǎn)生的正交編碼信號(hào),經(jīng)程序處理后得到電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行速度,再對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.6 LCD顯示器及鍵盤設(shè)計(jì)

利用點(diǎn)陣式液晶顯示器實(shí)現(xiàn)中文提示界面,增強(qiáng)了人機(jī)交互性。設(shè)計(jì)中采用128×64的點(diǎn)陣LCD,使用內(nèi)藏T6963C作為控制器。另外,使用4×4矩陣鍵盤作為用戶輸入。

3軟件設(shè)計(jì)

APT控制系統(tǒng)主要由掃描、捕獲和跟蹤三部分組成,下面是這幾部分程序設(shè)計(jì)的介紹。

3.1 掃描及捕獲部分

上電復(fù)位運(yùn)行后,程序先完成各部分的初始化工作,顯示歡迎界面,并提示用戶輸入轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速度及掃描步長(zhǎng),接著程序開始執(zhí)行光柵螺旋掃描算法[10]。光柵螺旋掃描算法示意圖如圖5所示,圖中每個(gè)小圓代表一個(gè)信標(biāo)掃描子區(qū),每個(gè)子區(qū)以正方形方式重疊。設(shè)每個(gè)子區(qū)的直徑為信標(biāo)發(fā)散角α,則掃描步長(zhǎng)為:

a0=(α/2)×(2/2)×2=(2/2)α

以步長(zhǎng)a0在不確定區(qū)域內(nèi)搜索目標(biāo),直到捕獲到信標(biāo)光斑,然后轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。

3.2 基于增量式PID控制的跟蹤算法

PID控制算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中常用增量式PID控制算法,其公式為[7]:

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=KP{e(k)-e(k-1)+

(TS/TI)e(k)+(TD/TS)[e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)]}(1)

式中:Δu(k)為輸出的控制量;q0=KP;q1=KP(TS/TI);q2=KP(TD/TS)分別為比較項(xiàng)、積分項(xiàng)和差分項(xiàng)的系數(shù);TS為采樣時(shí)間,對(duì)于不同的控制系統(tǒng),TS各不相同,要根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來確定,該實(shí)驗(yàn)中TS為0.15 s。由式(1)可知,只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值e(k),e(k-1),e(k-2)就可以計(jì)算出Δu(k),從而實(shí)現(xiàn)位置和速度的反饋控制,完成穩(wěn)定跟蹤。

3.3 系統(tǒng)流程圖

由上分析,可得到系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖5 光柵螺旋掃描算法

圖6 整體軟件流程圖

4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,整個(gè)系統(tǒng)最高功耗約為20 W,轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍為0.2~0.8 (°)/s,跟蹤精度按照標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,最小約達(dá)20.69 μrad,最快響應(yīng)時(shí)間可達(dá)200 ms。

利用Philips公司生產(chǎn)的ARM芯片LPC2124作為控制核心來進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā),從測(cè)試結(jié)果可以看出,系統(tǒng)功耗較低,精度基本上滿足了APT控制系統(tǒng)的要求,具有較大的實(shí)用價(jià)值。

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