基于ARM的空间光通信APT控制系统设计
摘 要:设计一种基于ARM嵌入式处理器为核心的控制系统,该系统主要完成在空间无线光通信中信标光的扫描、捕获和跟踪控制,即APT控制系统。以光栅螺旋扫描算法实现信标光的扫描、捕获功能,用增量式PID控制算法实现信标光的跟踪控制功能。该设计具有高实时性、高集成度、低功耗等优点,可满足空间光通信中APT控制部分的要求。
关键词:空间光通信;APT;ARM;PID
中图分类号:TP301.6文献标识码:B
文章编号: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
空间光通信是以光波作为载波,在空间中进行信息无线传输的一种新型通信技术,其具有保密性高,抗干扰性强,通信速率高等优点[1-3],将会在卫星与卫星、卫星与地面控制站的无线通信领域发挥重要的作用,具有广阔的应用前景。但是由于光波波束窄,空间环境又比较复杂,而给通信链路的建立造成了极大的困难,所以对于空间光通信,必须先使用一套捕获、瞄准与跟踪(Acquisition,Pointing and Tracking,APT)系统来建立和维持光通信链路[4-6]。嵌入式系统具有高性能、低功耗、低成本的优点,使其在运动控制上的应用具有很大优势,以ARM嵌入式处理器为基础的控制系统现在已经得到了广泛应用[7,8]。针对目前卫星通信终端必须具有高实时性、高集成度、低功耗、体积小和重量轻等一系列特点,提出一种基于ARM 7嵌入式处理器为核心的APT控制系统。
1 APT控制系统组成
APT控制系统由PWM脉冲控制和产生模块、RS 232串行通信接口模块、光电编码接口模块及人机交互模块组成,系统框图如图1所示。
核心控制芯片选用Philips公司生产的专用工业控制ARM芯片LPC2124。先由串口接收到由信标光图像处理部分得到的光斑坐标值,通过位置跟踪算法计算出输出PWM的控制量值,再由PWM产生模块送出PWM脉冲到电机驱动器驱动电机,最终带动转台指向目标位置。光电编码器反馈回电机的速度信息到处理器,运用相应的控制算法可以将转台的运行速度稳定在设定值,防止电机因速度不稳定而扰动。在控制过程中,转台的运行状态、速度和位置等信息皆可由LCD显示,转台的运行速度、扫描步长等由键盘输入设定。
图1 APT系统结构图
2 硬件设计
2.1 LPC2124处理器简介
LPC2124是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S CPU,是世界首款可加密的ARM 芯片,并带有256 KWord嵌入的高速FLASH存储器和16 KB的SRAM[9],完全能满足系统存储空间的要求,故不需要外加存储扩展,使系统更为简单、可靠。内部具有UART,硬件I2C,SPI,PWM,ADC,定时器和比较捕获单元等众多应用部件,功能十分强大,远远能满足APT控制系统的功能设计要求。3.3 V 和1.8 V供电电压可使系统保持低功耗,128位宽度的存储器接口和独特的加速结构可使32位代码在最大时钟速率下运行,提高了代码运行速度,独特的16位Thumb模式可使代码规模的降低超过30%,而系统的性能损失却很小[9],提高了代码的运行效率,大大降低了程序的优化难度。特别适用于工业控制、医疗系统和访问控制系统。
2.2 电源电路
LPC2124的内核及片内外设供电电压为1.8 V,I/O口所需电压为3.3 V,而整个数字电路的供电电源为5 V,且通过78M05将电源5 V稳压,故选用了LDO芯片LM1117MPX-3.3和LM1117MPX-1.8稳压输出3.3 V及1.8 V电压,其电路如图2所示。
图2 系统电源电路
2.3 RS 232接口模块
通过串口获取光斑的坐标值,由于系统芯片是3.3 V系统,所以使用MAX 3232进行RS 232电平转换,其电路原理图如图3所示。
图3 串行通信接口电路
通过设置LPC2124控制寄存器U0LCR,U0DLM和U0DLL来设置工作模式及波特率。
2.4 JTAG接口电路设计
采用ARM公司提出的标准20脚JTAG作为仿真调试接口,JTAG信号的定义及与LPC2124的连接如图4所示。图中,JTAG 接口上的信号nRST,nTRST与整个系统的复位电路连接,以达到与控制系统共同复位的目的。
图4 JTAG电路原理图
2.5 电机控制及驱动设计
通过设置LPC2124的PWMMR0,PWMMR6寄存器来设置输出PWM的周期及占空比,从而控制转台的运行速度。电机驱动采用DMD 402型二相步进电机驱动器,该驱动器可提供整步、半步、8-16档细分共三种运行模式。另外,通过比较捕获单元接收通过光电编码器反馈产生的正交编码信号,经程序处理后得到电机的当前运行速度,再对速度进行调节。
2.6 LCD显示器及键盘设计
利用点阵式液晶显示器实现中文提示界面,增强了人机交互性。设计中采用128×64的点阵LCD,使用内藏T6963C作为控制器。另外,使用4×4矩阵键盘作为用户输入。
3软件设计
APT控制系统主要由扫描、捕获和跟踪三部分组成,下面是这几部分程序设计的介绍。
3.1 扫描及捕获部分
上电复位运行后,程序先完成各部分的初始化工作,显示欢迎界面,并提示用户输入转台运行速度及扫描步长,接着程序开始执行光栅螺旋扫描算法[10]。光栅螺旋扫描算法示意图如图5所示,图中每个小圆代表一个信标扫描子区,每个子区以正方形方式重叠。设每个子区的直径为信标发散角α,则扫描步长为:
a0=(α/2)×(2/2)×2=(2/2)α
以步长a0在不确定区域内搜索目标,直到捕获到信标光斑,然后转入跟踪状态。
3.2 基于增量式PID控制的跟踪算法
PID控制算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。在实时控制系统中常用增量式PID控制算法,其公式为[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)为输出的控制量;q0=KP;q1=KP(TS/TI);q2=KP(TD/TS)分别为比较项、积分项和差分项的系数;TS为采样时间,对于不同的控制系统,TS各不相同,要根据实际调试经验来确定,该实验中TS为0.15 s。由式(1)可知,只要贮存最近的三个误差采样值e(k),e(k-1),e(k-2)就可以计算出Δu(k),从而实现位置和速度的反馈控制,完成稳定跟踪。
3.3 系统流程图
由上分析,可得到系统流程图如图6所示。
图5 光栅螺旋扫描算法
图6 整体软件流程图
4 测试结果及结论
经实验测试,整个系统最高功耗约为20 W,转台转动速度范围为0.2~0.8 (°)/s,跟踪精度按照标准差计算,最小约达20.69 μrad,最快响应时间可达200 ms。
利用Philips公司生产的ARM芯片LPC2124作为控制核心来进行设计与开发,从测试结果可以看出,系统功耗较低,精度基本上满足了APT控制系统的要求,具有较大的实用价值。
参考文献
[1]Shinhak Leem,James W Alexander,Gerry G Ortiz.Deep Space Acquisition,Tracking,Pointing Technologies for Optical Communicatin[A].JPL[C].1999.
[2]孙未,艾勇.一种新型的大气传输光通信APT系统研究[J].红外技术,2003,7(4):42-43.
[3]张素霞.空间光通信APT技术分析[J].西部广播电视,2005(2):9-11.
[4]姜复兴.PAT控制系统设计[J].自动化技术与应用,2002(1):30-31.
[5]王威,艾勇.基于DSP的空间光通信APT运动控制箱设计[J].国外电子元器件,2008(3):62-65.
[6]刘静江,黄永梅,傅承毓.空间光通信ATP系统中的跟瞄技术[J].光电工程,2003(4):4-7.
[7]余小鹏,钱东海.应用SM5004芯片和ARM的运动控制系统设计[J].现代制造工程,2007(2):34-35.
[8]陈赜.ARM嵌入式技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[9]周立功.周立功单片机[EB/OL].http://www.zlgmcu.com/home.asp.2008.
[10]孙未.基于TMS320LF2407ADSP的瞄准、捕获和跟踪伺服控制系统研究[D].武汉:武汉大学,2004.
[11]刘炳全,王明军.基于终点的用户均衡交通分配模型求解算法[J].现代电子技术,2008,31(22):145-147,154.
