基于ARM的空間光通信APT控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)，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。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，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。針對目前衛(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、掃描步長等由鍵盤輸入設(shè)定。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 LPC2124處理器簡介

　　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，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，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。

　　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。

　　通過設(shè)置LPC2124控制寄存器U0LCR，UODLM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。

　　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DMD402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，接著程序開始執(zhí)行光柵螺旋掃描算法。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，則掃描步長為：

　　以步長α0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：

　　式中：△u(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△u(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。

　　4 測試結(jié)果及結(jié)論

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，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)20．69μrad，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。