第二章設(shè)計實(shí)例

1、空間激光數(shù)字通信技術(shù)項目空間激光數(shù)字通信技術(shù)項目控制分系統(tǒng)驗收報告控制分系統(tǒng)驗收報告哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系2013年年10月月1.控制分系統(tǒng)概述控制分系統(tǒng)概述低軌衛(wèi)星激光鏈路控制分系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)光通信系統(tǒng)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制以及和衛(wèi)星總體之間協(xié)調(diào)互聯(lián)的重要部分。主要包括以下各部分：1.以DSP為核心的上位總控機(jī)部分。包括系統(tǒng)硬件及相應(yīng)控制軟件。2.DSP上位總控機(jī)與工業(yè)控制計算機(jī)之間485通訊控制硬件部分，以 及工控機(jī)通信控制軟件。3.以MCU為核心的轉(zhuǎn)臺控制部分。包括系統(tǒng)硬件及相應(yīng)控制軟件。4.以DSP為核心的光電碼盤信號采集和數(shù)據(jù)處理單元。5.精瞄控制A/D

2、及D/A轉(zhuǎn)換部分。6.CCD圖象數(shù)據(jù)采集處理及1394數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)?？刂品窒到y(tǒng)各部分的研制和加工都按照嚴(yán)格要求、從嚴(yán)把關(guān)的原則進(jìn)行，各子系統(tǒng)從最初設(shè)計、電路布局、到元器件選擇、干擾抑制等都按照高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以使控制分系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定可靠。2.控制分系統(tǒng)框圖控制分系統(tǒng)框圖3.控制分系統(tǒng)主要子系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)控制分系統(tǒng)主要子系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)3.1 DSP上位總控制機(jī)上位總控制機(jī)激光通信的瞄準(zhǔn)、捕獲跟蹤（PAT）裝置分為精瞄和粗瞄兩部分，下面是PAT裝置框圖。311 DSP部分電路構(gòu)成部分電路構(gòu)成該電路板以TMS320LF2407A DSP 芯片為核心，擴(kuò)展了128K存儲器，4路DA轉(zhuǎn)換，4路AD轉(zhuǎn)換，R

3、S485串行接口，與粗瞄控制MCU的并行接口，1394板接口，測試電路，以及DSP的一些擴(kuò)展引腳。其結(jié)構(gòu)框圖如下：312 RS-485模塊模塊RS-485接口信號為兩對輸入輸出的差分信號和地線。該電路采用一片美國德州儀器公司生產(chǎn)的差分驅(qū)動和接收芯片SN75LBC179，將F2407A串行通信接口模塊SCI的接收和發(fā)送信號轉(zhuǎn)換為符合ANSI RS-485標(biāo)準(zhǔn)的差分信號。SCIRXDSCITXDVCCR24100BAVCC1RO2DI3GND4Y5Z6B7A8J4SN75LBC179R25100ZY313 DSP與單片機(jī)接口與單片機(jī)接口與作為粗瞄控制的單片機(jī)的通信接口采用的是一種比較簡單的并口方式

4、，主要利用2407豐富的I/O引腳。由于粗瞄部分要控制的是一個二維轉(zhuǎn)臺的兩個方向，兩個方向軸的控制是由兩個獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，因此要求上位機(jī)DSP能分別給兩塊粗瞄控制板發(fā)送指令，并能夠分別接收到他們各自的運(yùn)動狀態(tài)信息。為此，采用了譯碼器分別對兩塊板子的選通與否進(jìn)行譯碼。314 DA轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊精瞄控制時，根據(jù)CCD傳回圖像檢測信標(biāo)光斑位置，然后DSP給出數(shù)字信號給D/A芯片，轉(zhuǎn)換得到模擬電壓，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后給到精瞄驅(qū)動裝置上，產(chǎn)生微轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精瞄控制。 D/A轉(zhuǎn)換芯片采用的是BURR-BROWN公司的DAC7625，是12位雙緩沖電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件 。D B 917V

5、 R E FL28V O U T D26D B 715V R E FH1D B 210D B 311D B 412V O U T B2V O U T A3V SS4G N D5/R ST6/L D A C7D B 08D B 19D B 513D B 1119D B 614N IC24A 022/C S23V D D25D B 1018R /W20V O U T C27A 121D B 816U 5D A C 7625/ISPW R O N _R STV C C AB D 0B D 1B D 2B D 3B D 4B D 5B D 6B D 7B D 8B D 9B D 10B D 11D S

6、PA 5D SPA 4IO PF1IO PF2D A C V R E FHC 5 0.1uFR 31KR 410KD 12.5VV C C AA G N DC 810UC 71041O U T11IN C21IN +3V D D C /G N D42IN +52IN C62O U T7V D D +8U 7T L C 22721O U T11IN C21IN +3V D D C /G N D42IN +52IN C62O U T7V D D +8U 8T L C 2272R 1810KC 9101R 1333R E FAD A C O U T 1A G N DC 10101R 1433R 19

7、10KD A C O U T 2A G N DR E FB3IN +V C C AV C C A1O U T11IN C21IN +3V D D C /G N D42IN +52IN C62O U T7V D D +8U 9T L C 2272R 2010KC 11101R 1533R E FCD A C O U T 3A G N DC 12101R 1633R 2110KD A C O U T 4R E FDV C C AR 920KR 1020KR 1120KA G N DR 1220KA G N DA G N DA G N DA G N DA G N D315 DSP上位總控制機(jī)軟件系統(tǒng)

8、上位總控制機(jī)軟件系統(tǒng)o DSP上位總控制機(jī)軟件系統(tǒng)包括：1. 模擬星載總體主控軟件，這部分主要用于地面實(shí)驗室模擬星上總體使用，可以通過這部分實(shí)現(xiàn)對終端控制的操作，這部分軟件在工業(yè)控制計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。2. DSP上位總控制機(jī)控制軟件，這部分軟件將固化于DSP中，用于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)總體的控制及各分系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制。模擬星載總體主控軟件部分界面控制軟件流程圖圖1. 控制軟件流程圖2. 跟瞄過程控制軟件流程1控制軟件流程圖圖4. 跟瞄過程控制軟件流程3圖3. 跟瞄過程控制軟件流程2控制軟件流程圖圖5. 跟瞄過程控制軟件流程43.2 二維轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制部分二維轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制部分衛(wèi)星光通信PAT跟瞄技術(shù)采用復(fù)合軸

9、控制的方式，即采用具有較大瞄準(zhǔn)范圍的粗瞄裝置來補(bǔ)償兩星間的相對運(yùn)動，進(jìn)行大范圍跟蹤，采用具有較高瞄準(zhǔn)精度的精瞄裝置來補(bǔ)償精瞄誤差，克服高頻振動干擾和補(bǔ)償提前瞄準(zhǔn)量，對粗跟蹤誤差進(jìn)行補(bǔ)償。綜合考慮系統(tǒng)功能設(shè)計運(yùn)動控制系統(tǒng)，主要包括以下三個模塊：1.控制器：采用ATMEL公司的AT89C55作為控制器的主控單元。接收上位機(jī)給出的目標(biāo)位置，反饋給上位機(jī)轉(zhuǎn)臺實(shí)際位置；接收測角碼盤給出的電機(jī)實(shí)際位置信號；根據(jù)給定的位置信號與碼盤給出的電機(jī)實(shí)際位置按控制算法給出讓電機(jī)正確轉(zhuǎn)動的控制量。要求控制器具有一定的頻帶寬度，合理的響應(yīng)時間和較小的超調(diào)。2.直流無刷力矩伺服電機(jī)系統(tǒng)（包括功放電路）：粗瞄控制子系統(tǒng)的執(zhí)

10、行機(jī)構(gòu)，具有力矩系數(shù)大，過載能力強(qiáng)，散熱條件好，沒有換向火花，電磁干擾小，可靠性高等特點(diǎn)。3.測角系統(tǒng)：采用絕對式光電編碼器作為測角元件，測角電路采用TI公司的TMS320F240數(shù)字處理芯片作為主處理器，將光電編碼器檢測出的電機(jī)實(shí)際位置模擬信號轉(zhuǎn)換成21位數(shù)字信號，送給控制器。測角系統(tǒng)在整個粗瞄控制子系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵，測角系統(tǒng)的精度決定著整個控制系統(tǒng)的精度。這部分將在后面論述。粗瞄控制系統(tǒng)原理框圖 321 二維轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計二維轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計運(yùn)動控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的基本功能如下：o實(shí)時接收測角碼盤21位電機(jī)實(shí)際位置數(shù)據(jù)；o及時接收上位機(jī)DSP給出的21位目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，并實(shí)時向上

11、位機(jī)返回實(shí)際電機(jī)位置；o實(shí)時給功放驅(qū)動電路16位電機(jī)實(shí)際位置信號；o根據(jù)控制算法實(shí)時給出驅(qū)動電路控制電壓，根據(jù)需求設(shè)計控制器硬件系統(tǒng)如下： 運(yùn)動控制部分電路設(shè)計EA/VP31X119X218RESET9INT012INT113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RD17WR16PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U189C51D03Q0

12、2D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U274LS373P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P0.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7P2.0P2.0P2.1P2.1P2.2P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7GNDP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7WRP3.5P3.4CS1INT0A08A17A26

13、A35A44A53A62A71A823A922A1019E18G20W21D09D110D211D313D414D515D616D717U36116RDINT1GNDP2.7P2.6P2.5OE1OE2OE3Y2Y3CS1A23B22C21D20G118G219011223344556677889910101111131214131514161517VCC24 U574HC154P2.4Y1Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11地址譯碼+5Vo 并行擴(kuò)展電路設(shè)計控制器設(shè)計關(guān)于數(shù)據(jù)通信方式的選擇，考慮到并行通信速度較串行通訊速度快，而且對于主控電路與外圍電路距離很近粗瞄控制系統(tǒng)，采用并行通信有著明

14、顯的優(yōu)勢，故子系統(tǒng)中單片機(jī)與上位機(jī)DSP通信、接收測角電路反饋的位置信號都采用了并行通信的方式。運(yùn)動控制部分電路設(shè)計o數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是伺服系統(tǒng)中重要的組成部分。D/A在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)把控制系統(tǒng)控制算法的計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號，輸出給功放驅(qū)動終端二維轉(zhuǎn)臺。控制器的設(shè)計中，選用美國AD公司推出的一種LC2MOS型雙路，12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD7237A，它具有高速，低功耗，寬工作電壓等特點(diǎn)。WRY1REF ina1REFout2REFinb3Rofsb4Voutb5AGND6DB77DB68DB59DB410DB311DGND12DB213DB114DB015A016A117CS18WR19

15、LDAC20VDD21Vouta22Vss23Rofsa24U4AD7237GNDP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7Q0Q1+12V-12VoutaoutbCS23261574U6LM741R5R310kR420k+12V-12VGNDVoutaoutaC150.1ufC160.1ufGNDGND3261574U7LM741R8R610kR720k+12V-12VGNDVoutboutbC170.1ufC180.1ufGNDGND322 二維轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計二維轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)中控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)最終是靠控制軟件來完成。可以說硬件是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的基

16、礎(chǔ)，而軟件設(shè)計是實(shí)現(xiàn)控制目的的關(guān)鍵，控制軟件的設(shè)計將直接決定這個系統(tǒng)的控制性能。系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本要求為：o實(shí)時性：單片機(jī)必須在一定時間內(nèi)，完成一系列的軟件處理過程，如實(shí)時接收伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動位置，按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行處理，輸出控制信號，以及對可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行處理。o可靠性：軟件的可靠性是指軟件在運(yùn)行過程中避免發(fā)生故障的能力，以及一旦發(fā)生故障后的解脫和排除故障的能力。軟件設(shè)計時應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的一切非正常情況，采取一定的對策。o可維護(hù)性：軟件的總體設(shè)計時，必須要有良好的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便于程序的反復(fù)調(diào)試、修改和補(bǔ)充，并保證最終的軟件仍具有簡潔明了的結(jié)構(gòu)?？刂栖浖鞒虉D設(shè)中

17、斷入口地址開 始內(nèi)部RAM清零各端口初始化各控制字設(shè)初值外部RAM清零預(yù)設(shè)各控制參數(shù)循環(huán)等待中斷主程序結(jié)束 主程序流程圖進(jìn)定時器中斷電機(jī)位置送DSP定時器賦初值退出中斷開外部中斷接收碼盤數(shù)據(jù)電機(jī)位置送功放控制量送功放控制算法定時器中斷程序流程圖 控制軟件流程圖PID運(yùn)算流程圖 33 光電編碼器信號采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)光電編碼器信號采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)o絕對式光電編碼器作為轉(zhuǎn)臺的測角元件，它的信號處理直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的精度。因此，絕對式光電編碼器的信號處理設(shè)計至關(guān)重要。共分為硬件電路設(shè)計和軟件流程設(shè)計兩部分。331 硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計o絕對式光電編碼器輸出為電流信號，共有12路粗碼信號、4路

18、中精碼和4路精碼信號，經(jīng)過處理要求轉(zhuǎn)換成為21位的數(shù)字信號。硬件電路分為模擬部分和數(shù)字部分：模擬部分將絕對式光電編碼器原始電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過放大、整形，變成DSP可以處理的信號，數(shù)字部分包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)鎖存、數(shù)字處理芯片（DSP）、數(shù)據(jù)輸出。硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計1. 光電信號放大 編碼器傳感頭送出的信號是電流信號，經(jīng)過負(fù)載電阻變?yōu)殡妷盒盘?，因光電流較弱，盡管加較大的負(fù)載電阻，有時仍不能滿足后續(xù)電路處理的要求，這就要求需要放大。粗碼信號處理電路中精碼和精碼放大電路硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計2信號輸入鎖存及輸出o粗碼信號及中精碼信號輸入采用兩片74ls373鎖存器鎖存。兩路精碼差

19、分輸出Gsin和Gcos分別由兩片lf398采樣保持器鎖存，再分別經(jīng)過兩片AD進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。21位碼盤信號輸出采用三片74ls374鎖存。3數(shù)字信號處理芯片（DSP）o碼盤信號處理電路的核心數(shù)字信號處理芯片采用TI公司TMS320C2000系列的TMS320F240處理芯片。對于碼盤信號處理電路，主要用到TMS320F240的三組通用I/O口，A口、B口和C口。A口B口用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，C口用于芯片選通和一些狀態(tài)的輸入。332 軟件部分設(shè)計軟件部分設(shè)計主程序主要完成測角系統(tǒng)的初始化工作，然后啟動定時器，定時器間隔為1ms，即測角系統(tǒng)的采樣時間，光電編碼器信號處理和輸出交給定時器中斷響應(yīng)程

20、序來完成。主程序流程圖初始化程序流程圖定時器中斷子程序流程圖34 CCD圖象采集處理及圖象采集處理及1394數(shù)據(jù)傳輸部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸部分341 圖像處理子系統(tǒng)設(shè)計要求圖像處理子系統(tǒng)設(shè)計要求整個系統(tǒng)要求信號處理速度要快，圖像采樣頻率高。目前衛(wèi)星激光通信瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤系統(tǒng)（PAT）終端設(shè)計的相關(guān)參數(shù)如下：o攝像機(jī)象元（8bit）：100pix100pix（捕獲狀態(tài)），20pix20pix（跟蹤狀態(tài)）；o攝像機(jī)幀頻：64Hz（捕獲狀態(tài)），1000Hz（跟蹤狀態(tài)）；o接收光彌散圓直徑：20m（最多占9個象元）。o考慮到今后的需求，希望在數(shù)據(jù)處理中留有足夠的冗余。例如，光斑所占象元有可能會很多；CCD幀頻有可

21、能更高。342 角偏差檢測算法角偏差檢測算法o 下圖為利用計算機(jī)采集的攝像機(jī)圖像，采樣窗口的像元數(shù)取100100。采用閾值判斷法讀取光斑灰度值，光斑的形心坐標(biāo)計算公式如下：343 實(shí)現(xiàn)方案實(shí)現(xiàn)方案在整個PAT系統(tǒng)中，由于對光信號檢測的實(shí)時性要求較高，根據(jù)總體方案我們選用德國BASLER公司的A602f型CMOS工業(yè)攝像機(jī)。其有如下特點(diǎn)：o采用1394接口輸出圖像數(shù)據(jù)，最大圖像傳輸速度400Mb/s；o符合1394協(xié)會的V1.20數(shù)字?jǐn)z像機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；o在最大像素640*480時，最高幀頻支持100Hz；o通過1394異步事務(wù)可控灰度增益、亮度、曝光時間；o可調(diào)整視域和幀頻，當(dāng)視域變小時可增大幀頻

22、；o單像素占8位數(shù)據(jù)，輸出256色灰白圖像；o利用1394線纜供電，+8.0 VDC 至 +40.0 VDC (+12 VDC正常)波紋1% ，功率約為2W，；攝像機(jī)有兩種工作模式：formate-0模式和formate-7/mode-0模式，本系統(tǒng)工作在formate-7/mode-0模式，在工作過程中可以調(diào)整采樣窗口和幀頻。該攝像機(jī)利用IEEE1394接口實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，能夠滿足要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖下圖為CCD圖象采集處理及1394傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖o整個系統(tǒng)由DSP5416、FLASH、1394鏈路層芯片、1394物理層芯片以及攝像機(jī)構(gòu)成，DSP2407作為上位機(jī)。1394芯片用來接收攝

23、像機(jī)的高速視頻信號。5416用來初始化各芯片，并控制1394總線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成圖像處理并將處理后的結(jié)果傳給上位機(jī)DSP2407。344 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計oTMS320VC5416作為本系統(tǒng)的主控芯片，它是TI公司TMS320C54x系列DSP中性能最高的一款處理器芯片，處理能力高達(dá)160Mips。比較適合音頻信號的編解碼和數(shù)字圖像處理領(lǐng)域。o由于在本系統(tǒng)中5416要不斷把圖像處理的結(jié)果實(shí)時的傳輸給上位機(jī)2407，并接受上位機(jī)的指令工作返回狀態(tài)參數(shù)。我們采用5416芯片特有的主機(jī)接口（HPI）來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)2407間的通信。硬件電路原理圖/OE/WE/CE/DS/MST

24、RBR/WADDR0-14ADDR0-14DATA0-15DATA0-15VC5416SST39VF400A15FLASH芯片連接原理圖 硬件電路原理圖1IN51IN6/1EN41GND32IN112IN12/2EN102GND9NC1NC2NC7NC8NC13NC14NC15NC16NC20NC21NC26NC272OUT172OUT18SENSE219/2RESET221OUT231OUT241FB/SENSE25/1RESET28U5TPS767D301+C2010uF+C2210uF+C2147uF+C1547uFC1710uFC180.1uFR131K5VC190.1uFR141K3.3VR1510.7K,1%R1634.8K,1%1.6VL6INDUCTORL5INDUCTORL7INDUCTORL8INDUCTORPHY3.3VLINK3.3VR501.6K,1% TPS767D301電源電路原理圖345 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計o 在