基于C8051F130的動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)-新品速遞

精品文檔-下載后可編輯基于C8051F130的動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)-新品速遞1引言隨著衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，越來越多的信息通過衛(wèi)星進(jìn)行傳輸。車載衛(wèi)星通信由于基本不受地域和自然條件的限制，以及其通信距離遠(yuǎn)、質(zhì)量好和靈活機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，逐漸受到人們的青睞。為了使載體運(yùn)動(dòng)中穩(wěn)定收發(fā)衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)、話音、圖像的傳輸，必須為動(dòng)中通天線系統(tǒng)引入穩(wěn)定控制功能，這類天線穩(wěn)定系統(tǒng)國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有了成熟的技術(shù)解決方案，而且被廣泛應(yīng)用于軍事和商業(yè)領(lǐng)域。國內(nèi)研制起步較晚，目前也取得了一定的成果[1]。隨著車載衛(wèi)星通信的廣泛應(yīng)用，用戶對產(chǎn)品的功能、可靠性、價(jià)格、體積等方面的要求越來越高。本文研究的動(dòng)中通天線系統(tǒng)工作于Ku頻段，采用O．6M小口徑天線，天線控制系統(tǒng)選用高性能高速單片機(jī)C8051F130為系統(tǒng)處理器，提高了系統(tǒng)處理速度，同時(shí)采用圓錐掃描自動(dòng)跟蹤機(jī)制，構(gòu)成了天線位置反饋閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天線姿態(tài)的高精度快速穩(wěn)定跟蹤，使天線的中心軸始終對準(zhǔn)衛(wèi)星，從而保證在運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)可靠的衛(wèi)星通信。

2系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)主要由傳感系統(tǒng)(三軸陀螺和HMR3000)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及系統(tǒng)處理器C8051F130等組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

C8051F130是一款由Cygnal公司新推出的高性能高速單片機(jī)，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，執(zhí)行指令快速度可達(dá)100MIPS，與8051系列比較增加了很多的資源，他在片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采樣或控制系統(tǒng)所需的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件。將C8051F130應(yīng)用于動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)，可加快處理速度、充分利用其片上的功能模塊，達(dá)到更好的控制效果，并可簡化硬件電路，提高系統(tǒng)的可靠性。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到了C8051F130以下外圍模塊功能：(1)A／D采樣：將敏感天線姿態(tài)變化的方位、俯仰、橫滾三軸陀螺的傳感信號通過A／D轉(zhuǎn)換通道送給處理器。(2)定時(shí)模塊：實(shí)現(xiàn)采樣定時(shí)(5ms)和控制周期定時(shí)(20ms)。(3)異步通信：C8051F130提供2個(gè)串行通信口Vart0和Uart1，通過RS232模塊MAX202ECPE實(shí)現(xiàn)處理器和HMR3000、監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。(4)FLASH數(shù)據(jù)存儲：存儲控制系統(tǒng)的一些固定參數(shù)。(5)基本I／O口：實(shí)現(xiàn)執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制。整個(gè)系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)初始化后，首先進(jìn)行衛(wèi)星參數(shù)選擇，然后監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過接收GPS信號獲取動(dòng)中通天線當(dāng)前經(jīng)緯度(φ1，θ1)定位坐標(biāo)，根據(jù)公式(1)解算[2]得到跟蹤衛(wèi)星的天線方位A、俯仰E角(φ2為所選衛(wèi)星經(jīng)度，φ=φ2-φ1為星下點(diǎn)對所在位置的經(jīng)度差)。

當(dāng)天線擾動(dòng)時(shí)，敏感天線姿態(tài)變化的角速度壓電陀螺繞著相應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)速度成線性比例關(guān)系的輸出電壓，處理器每隔5ms定時(shí)對陀螺輸出電壓信號進(jìn)行A／D采樣，根據(jù)陀螺測得的運(yùn)動(dòng)角速度，解算出系統(tǒng)穩(wěn)定的角位置，經(jīng)三軸陀螺回路校正，采用閉環(huán)控制策略將角位置補(bǔ)償信號送入伺服系統(tǒng)，天線在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制下迅速捕獲衛(wèi)星。由于載體的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、姿態(tài)變化快、幅度大，以及陀螺的零點(diǎn)漂移等諸多復(fù)雜因素的影響，會引起原對準(zhǔn)衛(wèi)星的天線偏離衛(wèi)星，使通信中斷，因此系統(tǒng)在陀螺穩(wěn)定的基礎(chǔ)上還需配以圓錐掃描跟蹤體制[3]，使衛(wèi)星接收機(jī)輸出的AGC信號超過預(yù)設(shè)門限值，達(dá)到高精度跟蹤衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)中穩(wěn)定地通信。3控制策略和圓錐掃描

3．1控制策略根據(jù)角速度壓電陀螺測得的運(yùn)動(dòng)角速度，解算出系統(tǒng)穩(wěn)定的角位置補(bǔ)償量δ=η×[A]×T(η為陀螺輸出，[A]為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，T為控制周期)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)作前饋補(bǔ)償保證了系統(tǒng)穩(wěn)定的快速性；同時(shí)根據(jù)HMR3000高精度空間指向的輸出進(jìn)行系統(tǒng)指向閉環(huán)修正，彌補(bǔ)了開環(huán)控制中由于陀螺零點(diǎn)漂移所帶來的系統(tǒng)偏差，兩者相輔相成，完成了天線系統(tǒng)的高精度快速穩(wěn)定[4]。如圖2所示。

3．2圓錐掃描自動(dòng)跟蹤機(jī)制本系統(tǒng)采用拋物面圓口徑天線，天線口徑D=0．6m，焦距f=0．32D，副面切向圓直徑d=70mm，高h(yuǎn)=9．48mm，材料為鋁材，質(zhì)量約為51g。傳統(tǒng)的圓錐掃描大多采用旋轉(zhuǎn)偏焦饋源的方式。鑒于本系統(tǒng)副面質(zhì)量輕，采用旋轉(zhuǎn)副面方式進(jìn)行圓錐掃描，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)副面相比，無需空心電機(jī)，具有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、電路設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)、造價(jià)低等特點(diǎn)。選用普通低速直流電機(jī)，先將天線波束軸偏離目標(biāo)軸一定角度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)副面使天線波束軸繞目標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸以一定的頻率呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)。如果跟蹤目標(biāo)偏離旋轉(zhuǎn)軸，接收機(jī)輸出的信號幅度受波束掃描調(diào)制，形成調(diào)幅的誤差信號，調(diào)制度的大小與角誤差成正比，相位由目標(biāo)偏離方向泱定。因此，波束掃描時(shí)形成的調(diào)幅誤差信號包含了目標(biāo)角誤差的全部信息。圓錐掃描跟蹤天線輸出的誤差信號經(jīng)接收機(jī)放大和檢波后，輸送到方位、仰角誤差相位檢波器，誤差相位檢波器的基準(zhǔn)信號分別是頻率相同(圓錐掃描頻率)而相位正交的正弦、余弦信號。相位檢波器的輸出即為方位，仰角誤差信號，經(jīng)功率放大后控制天線旋轉(zhuǎn)，使旋轉(zhuǎn)軸指向朝著角誤差濺小方向運(yùn)動(dòng)[5]。天線波束圓錐掃描空間關(guān)系見圖3，ε為誤差角，δ為波束偏角。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對衛(wèi)星的快速跟蹤，還必須提高接收機(jī)AGC信號電平輸出的采樣速率，這樣可以加快天線的調(diào)整速率，相應(yīng)就該提高圓錐掃描頻率。然而掃描頻率的選擇受天線結(jié)構(gòu)抗震性能和信號接收機(jī)性能的影響，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)確定了一個(gè)比較適合本系統(tǒng)的2Hz掃描頻率。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)軟件按其功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要分為4個(gè)模塊，即初始化模塊、衛(wèi)星信息模塊、姿態(tài)解算模塊以及自動(dòng)跟蹤模塊。初始化模塊主要完成系統(tǒng)的初始化，首先是單片機(jī)初始化，包括片內(nèi)外圍的初始化，RAM，A／D初始化，串口初始化，數(shù)字I／O口初始化，定時(shí)器初始化等；然后通過采樣HMR3000信號對天線的姿態(tài)進(jìn)行初始化，建立初始化天線穩(wěn)定平臺。衛(wèi)星信息模塊主要完成衛(wèi)星參數(shù)輸入、修改、刪除和保存等編輯功能，實(shí)現(xiàn)從界面上監(jiān)視衛(wèi)星狀態(tài)、天線狀態(tài)以及AGC信號電平。姿態(tài)解算模塊主要完成天線對星角由地理坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和擾體誤差補(bǔ)償轉(zhuǎn)換等功能。自動(dòng)跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)天線穩(wěn)定的空間指向，他是整個(gè)軟件系統(tǒng)的，可分為定時(shí)中斷處理和串行中斷處理。定時(shí)中斷處理主要完成與時(shí)間有關(guān)的周期性任務(wù)，包括陀螺輸出A／D采樣，驅(qū)動(dòng)定時(shí)以及控制周期等。定時(shí)中斷設(shè)計(jì)為每5ms，中斷處理程序內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)軟計(jì)數(shù)器，用于控制周期為20ms的處理程序。串行中斷處理模塊主要完成監(jiān)控機(jī)指令，GPS數(shù)據(jù)，HMR3000，AGC信號等的接收。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

5結(jié)語C8051F130單片機(jī)運(yùn)算速度快，可在線編程調(diào)試，片內(nèi)資源豐富，加上采用旋轉(zhuǎn)副面的圓錐掃描方式，提高了天線控制系統(tǒng)的整體性能且降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度。系統(tǒng)完成調(diào)試后在三軸轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：天線跟蹤精度可達(dá)到0．1°(r．m．s)，初始對星時(shí)間≤1min，滿足車、船用條件下的各種性能要求。隨著衛(wèi)星移動(dòng)通信的進(jìn)一步發(fā)展，具有高性能、低成本等特點(diǎn)的基于C8051F130的動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)將會有廣闊的市場前景。參考文獻(xiàn):

[1].C8051F1