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1 引言 空間光通信技術(shù)是當前研究的熱點(diǎn)，可應用于眾多領(lǐng)域，包括：低軌道衛星與高軌道衛星(LEO-GEO)通信、高軌道衛星與高軌道衛星(GEO-GEO)通信、低軌道衛星與低軌道衛星(LEO-LEO)通信、空間與地面的通信、深空探測、載人航天空間站通信等。尤其是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的星載合成孔徑雷達、高清晰光學(xué)遙感圖像等需要超大數據流傳輸的領(lǐng)域就更迫切地需要用光建立通信鏈路。 空間光通信的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是APT(Acquisition，Pointing and Tracking)系統的研究，該系統對實(shí)現空間通信鏈路的建立和維持起到關(guān)鍵性的作用。典型的APT系統主要由光學(xué)天線(xiàn)、圖像處理單元和運動(dòng)控制單元三部分組成。本文介紹的APT運動(dòng)控制箱即是結合空間光通信的具體應用背景，采用模塊化的設計思想，把APT系統中的運動(dòng)控制部分封裝成箱，既可作為電機控制系統單獨使用，又可結合光學(xué)天線(xiàn)和圖像處理單元實(shí)現整個(gè)APT系統的掃描和跟蹤功能。 2 運動(dòng)控制箱總體設計 運動(dòng)控制箱是以TMS320LF2407A(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為DSP)為核心處理器。它是TI公司主推的一款16位定點(diǎn)DSP，適用于電機控制和其他嵌入式控制應用。該款DSP片上集成有脈寬調制(PWM)電路，可用于控制電機驅動(dòng)器，并由電機驅動(dòng)器控制電機運動(dòng)。這是由于脈寬調制電路輸出的PWM波驅動(dòng)電流不能驅動(dòng)電機運動(dòng)，需加入驅動(dòng)器增大電流。 為實(shí)現步進(jìn)電機的二維控制，運動(dòng)控制箱內包含兩個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)器SH20403。該驅動(dòng)器專(zhuān)用于驅動(dòng)二相步進(jìn)電機，可提供高達3 A的驅動(dòng)電流，具有8種可選的輸出電流和7種可選擇的細分模式，并具有高可靠性和低成本特性。運動(dòng)控制箱內同時(shí)還包含一個(gè)128×64位圖形液晶顯示器T6963和一個(gè)16位鍵盤(pán)以提供友好人機界面。運動(dòng)控制箱整體結構框圖如圖1所示。 3 運動(dòng)控制箱設計 控制核心選用Study-2407A EVM板，與運動(dòng)控制箱相關(guān)核心電路主要包含兩部分。 3.1 串口通信硬件設計 DSP內部包含串行通信接口SCI模塊，通過(guò)該模塊的接口電路即可完成串口通信的硬件設計。其硬件電路如圖2所示。 接口器件選用Maxim公司的MAX232。該器件主要用于串口通信的接口電路設計。圖中，TX_232，RX_232分別為上位機的發(fā)送端口和接收端口。為了保證上位機與下位機的通信，串口通信的雙方TX，RX信號必須反接。上位機TX_232端口連至DSP的SCIRXD端口。DSP的SCITXD端口經(jīng)MAX232輸出至上位機RX_232端口。 3.2 圖形液晶擴展接口設計 針對圖形液晶顯示器T6963設計擴展接口。該接口的數據線(xiàn)都經(jīng)74LS245緩沖。讀信號和寫(xiě)信號與DSP直接相連，片選端口CS與C／D通過(guò)DSP的I／O端口控制，這兩個(gè)I／O端口分別為IOPF4和IOPF5。液晶亮度則通過(guò)電位器調節。圖3是圖形液晶擴展接口電路。 4 運動(dòng)控制箱軟件設計 4.1系統初始化設置 DSP上電復位后要進(jìn)行的初始化設置主要包括：系統設置、I／O端口設置、PWM(脈寬調制電路)輸出設置、串口通信設置以及LCD初始化設置。其中，液晶初始化需設置：圖形區首地址和寬度、文字區首地址和寬度，光標形狀和是否閃爍、光標指針、地址指針。為了保證顯示效果，還需執行一次清屏操作。由于清屏操作時(shí)間較長(cháng)，將自動(dòng)觸發(fā)看門(mén)狗，導致系統初始化無(wú)法繼續。故編寫(xiě)復位和中斷向量文件vectors.asm，使DSP上電后直接進(jìn)入DisableWatchdog()函數。該函數的功能為禁止看門(mén)狗，并跳轉到復位向量處。下面給出了該函數的核心代碼： 4.2 掃描算法實(shí)現 掃描算法的核心是如何在最短時(shí)間內掃描覆蓋信標光的所有可能出現的區域。常見(jiàn)的掃描算法主要包括矩形掃描、螺旋掃描、矩形螺旋掃描、玫瑰形掃描及李薩如形掃描等。綜合考慮掃描性能與DSP實(shí)現難度，確定采用光柵螺旋掃描算法和蜂窩螺旋掃描算法。這兩種算法都能以較小的掃描步數實(shí)現大范圍的掃描策略，掃描重疊區域小，可在短時(shí)間內實(shí)現高性能掃描，但算法實(shí)現相對復雜。以蜂窩螺旋掃描算法為例，其蜂窩螺旋掃描排列方式如圖4所示。 圖中小圓代表一個(gè)掃描子區，以蜂窩狀六邊形方式重疊。每個(gè)子區的直徑為信標光發(fā)散角大小，從而得到相鄰兩個(gè)子區圓心間距離，即光柵螺旋掃描算法的掃描步長(cháng)。根據該掃描步長(cháng)分別得到水平和俯仰兩個(gè)方向電機執行步長(cháng)，從而通過(guò)控制電機運動(dòng)實(shí)現蜂窩螺旋掃描算法，其程序代碼如下： 4.3 精確跟蹤實(shí)現 運動(dòng)控制箱通過(guò)串口中斷實(shí)現信標光的精確跟蹤。計算機或其他處理器(如TMS320DM642)處理CCD(電荷耦合器件)采集到的圖像，并提取出光斑坐標，以固定的格式通過(guò)串口發(fā)送到運動(dòng)控制箱。DSP結合接收到的光斑坐標執行相應的跟蹤操作。若當前坐標與設定位置之間存在偏差，則控制電機運行到設定位置。電機運行距離和運行方向由當前目標與設定位置之間的關(guān)系得到處理。跟蹤精度由電機的執行精度和坐標提取精度共同決定。 5 人機交互界面設計 為了便于使用，采用人機交互界面完成功能選擇、參數設置等操作還可選擇使用APT功能或手動(dòng)控制電機，并能設定電機運動(dòng)速度、運動(dòng)距離和運動(dòng)方向，以及掃描算法的掃描步長(cháng)和掃描速度。 5.1 人機交互界面程序設計 運動(dòng)控制箱上電后，人機交互界面同步顯示。進(jìn)入用戶(hù)歡迎界面，而后自動(dòng)進(jìn)入主菜單項。通過(guò)主菜單項，用戶(hù)可選擇使用APT功能或手動(dòng)控制電機，然后跳轉到相應的用戶(hù)界面提示用戶(hù)進(jìn)行下一步的操作。APT功能菜單與手動(dòng)控制電機菜單程序流程圖分別如圖5、圖6所示。 圖5的串口中斷由外部設備引起。圖6的垂直電機控制部分與水平電機控制部分流程相同。若無(wú)需與外部設備串口通信，可通過(guò)運動(dòng)控制箱實(shí)現電機的二維控制和執行多種掃描算法。 5.2 液晶顯示設計 在人機交互界面中，對液晶的操作就是寫(xiě)指令代碼和讀寫(xiě)數據。通過(guò)寫(xiě)指令代碼可以設置液晶的工作狀態(tài)，通過(guò)數據的寫(xiě)入可以在液晶上顯示。為便于輸入液晶指令、數據，編寫(xiě)相應函數。寫(xiě)指令函數代碼如下： 寫(xiě)數據函數與寫(xiě)指令函數類(lèi)似，只是數據／命令選擇端輸出低電平，且從I／O單元輸出數據代碼應分別改為asm("OUT 060h,8000h")；和asm("OUT061h,8000h")。 6 結束語(yǔ) 結合空間光通信的具體應用，將APT系統中運動(dòng)控制單元封裝成箱，完成了空間光通信APT運動(dòng)控制箱的設計。運動(dòng)控制箱具有友好的人機界面，可通過(guò)該界面的漢字提示完成所需的操作。串口通信單元的設計增加了運動(dòng)控制箱應用的擴展性。既可作為電機的控制機構實(shí)現步進(jìn)電機的二維控制，也可接收外部設備的串口數據進(jìn)行相應的控制。 |
