基于ARM的空問光通信APT控制系統設計

空間光通信是以光波作為載波，在空間中進行信息無線傳輸的一種新型通信技術，其具有保密性高，抗干擾性強，通信速率高等優點，將會在衛星與衛星、衛星與地面控制站的無線通信領域發揮重要的作用，具有廣闊的應用前景。但是由于光波波束窄，空間環境又比較復雜，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、瞄準與跟蹤(Acquisition，Pointing and Tracking，APT)系統來建立和維持光通信鏈路。嵌入式系統具有高性能、低功耗、低成本的優點，使其在運動控制上的應用具有很大優勢，以ARM嵌入式處理器為基礎的控制系統現在已經得到了廣泛應用。針對目前衛星通信終端必須具有高實時性、高集成度、低功耗、體積小和重量輕等一系列特點，提出一種基于ARM 7嵌入式處理器為核心的APT控制系統。

1 APT控制系統組成
??? APT控制系統由PWM脈沖控制和產生模塊、RS 232串行通信接口模塊、光電編碼接口模塊及人機交互模塊組成，系統框圖如圖1所示。

??? 核心控制芯片選用Philips公司生產的專用工業控制ARM芯片LPC2124。先由串口接收到由信標光圖像處理部分得到的光斑坐標值，通過位置跟蹤算法計算出輸出，PWM的控制量值，再由PWM產生模塊送出PWM脈沖到電機驅動器驅動電機，最終帶動轉臺指向目標位置。光電編碼器反饋回電機的速度信息到處理器，運用相應的控制算法可以將轉臺的運行速度穩定在設定值，防止電機因速度不穩定而擾動。在控制過程中，轉臺的運行狀態、速度和位置等信息皆可由LCD顯示，轉臺的運行速度、掃描步長等由鍵盤輸入設定。

2 硬件設計
2．1 LPC2124處理器簡介
??? LPC2124是基于一個支持實時仿真和跟蹤的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存儲器和16 KB的SRAM，完全能滿足系統存儲空間的要求，故不需要外加存儲擴展，使系統更為簡單、可靠。內部具有UART，硬件I2C，SPI，PWM，ADC，定時器和比較捕獲單元等眾多應用部件，功能十分強大，遠遠能滿足APT控制系統的功能設計要求。3．3 V和1．8 V供電電壓可使系統保持低功耗，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構可使32位代碼在最大時鐘速率下運行，提高了代碼運行速度，獨特的16位Thumb模式可使代碼規模的降低超過30％，而系統的性能損失卻很小，提高了代碼的運行效率，大大降低了程序的優化難度。特別適用于工業控制、醫療系統和訪問控制系統。
2．2 電源電路
??? LPC2124的內核及片內外設供電電壓為1．8 V，I／O口所需電壓為3．3 V，而整個數字電路的供電電源為5 V，且通過78M05將電源5 V穩壓，故選用了LDO芯片LM1117MPX-3．3和LM1117MPX-1．8穩壓輸出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值，由于系統芯片是3．3 V系統，所以使用MAX 3232進行RS 232電平轉換，其電路原理圖如圖3所示。

???通過設置LPC2124控制寄存器U0LCR，UODLM和U0DLL來設置工作模式及波特率。
2．4 JTAG接口電路設計
??? 采用ARM公司提出的標準20腳JTAG作為仿真調試接口，JTAG信號的定義及與LPC2124的連接如圖4所示。圖中，JTAG接口上的信號nRST，nTRST與整個系統的復位電路連接，以達到與控制系統共同復位的目的。

2．5 電機控制及驅動設計
??? 通過設置LPC2124的PWMMR0，PWMMR6寄存器來設置輸出PWM的周期及占空比，從而控制轉臺的運行速度。電機驅動采用DMD402型二相步進電機驅動器，該驅動器可提供整步、半步、8-16檔細分共三種運行模式。另外，通過比較捕獲單元接收通過光電編碼器反饋產生的正交編碼信號，經程序處理后得到電機的當前運行速度，再對速度進行調節。
2．6 LCD顯示器及鍵盤設計
??? 利用點陣式液晶顯示器實現中文提示界面，增強了人機交互性。設計中采用128×64的點陣LCD，使用內藏T6963C作為控制器。另外，使用4×4矩陣鍵盤作為用戶輸入。

3 軟件設計
??? APT控制系統主要由掃描、捕獲和跟蹤三部分組成，下面是這幾部分程序設計的介紹。
3．1 掃描及捕獲部分
??? 上電復位運行后，程序先完成各部分的初始化工作，顯示歡迎界面，并提示用戶輸入轉臺運行速度及掃描步長，接著程序開始執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，圖中每個小圓代表一個信標掃描子區，每個子區以正方形方式重疊。設每個子區的直徑為信標發散角α，則掃描步長為：
???
??? 以步長α0在不確定區域內搜索目標，直到捕獲到信標光斑，然后轉入跟蹤狀態。
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。在實時控制系統中常用增量式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、積分項和差分項的系數；TS為采樣時間，對于不同的控制系統，TS各不相同，要根據實際調試經驗來確定，該實驗中TS為0．15 s。由式(1)可知，只要貯存最近的三個誤差采樣值e(k)，e(k-1)，e(k-2)就可以計算出△u(k)，從而實現位置和速度的反饋控制，完成穩定跟蹤。
3．3 系統流程圖
??? 由上分析，可得到系統流程圖如圖6所示。

4 測試結果及結論
??? 經實驗測試，整個系統最高功耗約為20 W，轉臺轉動速度范圍為0．2～0．8(°)／s，跟蹤精度按照標準差計算，最小約達20．69μrad，最快響應時間可達200 ms。利用Philips公司生產的ARM芯片LPC2124作為控制核心來進行設計與開發，從測試結果可以看出，系統功耗較低，精度基本上滿足了APT控制系統的要求，具有較大的實用價值。