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1 引言 空間光通信技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，包括：低軌道衛(wèi)星與高軌道衛(wèi)星(LEO-GEO)通信、高軌道衛(wèi)星與高軌道衛(wèi)星(GEO-GEO)通信、低軌道衛(wèi)星與低軌道衛(wèi)星(LEO-LEO)通信、空間與地面的通信、深空探測(cè)、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(dá)、高清晰光學(xué)遙感圖像等需要超大數(shù)據(jù)流傳輸?shù)念I(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(tǒng)的研究，該系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)主要由光學(xué)天線、圖像處理單元和運(yùn)動(dòng)控制單元三部分組成。本文介紹的APT運(yùn)動(dòng)控制箱即是結(jié)合空間光通信的具體應(yīng)用背景，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，把APT系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制部分封裝成箱，既可作為電機(jī)控制系統(tǒng)單獨(dú)使用，又可結(jié)合光學(xué)天線和圖像處理單元實(shí)現(xiàn)整個(gè)APT系統(tǒng)的掃描和跟蹤功能。 2 運(yùn)動(dòng)控制箱總體設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)控制箱是以TMS320LF2407A(以下簡(jiǎn)稱為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(jī)控制和其他嵌入式控制應(yīng)用。該款DSP片上集成有脈寬調(diào)制(PWM)電路，可用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。這是由于脈寬調(diào)制電路輸出的PWM波驅(qū)動(dòng)電流不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，需加入驅(qū)動(dòng)器增大電流。 為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的二維控制，運(yùn)動(dòng)控制箱內(nèi)包含兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH20403。該驅(qū)動(dòng)器專用于驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)，可提供高達(dá)3 A的驅(qū)動(dòng)電流，具有8種可選的輸出電流和7種可選擇的細(xì)分模式，并具有高可靠性和低成本特性。運(yùn)動(dòng)控制箱內(nèi)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位鍵盤以提供友好人機(jī)界面。運(yùn)動(dòng)控制箱整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 3 運(yùn)動(dòng)控制箱設(shè)計(jì) 控制核心選用Study-2407A EVM板，與運(yùn)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(shè)計(jì) DSP內(nèi)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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)。圖中，TX_232，RX_232分別為上位機(jī)的發(fā)送端口和接收端口。為了保證上位機(jī)與下位機(jī)的通信，串口通信的雙方TX，RX信號(hào)必須反接。上位機(jī)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(jī)RX_232端口。 3.2 圖形液晶擴(kuò)展接口設(shè)計(jì) 針對(duì)圖形液晶顯示器T6963設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口。該接口的數(shù)據(jù)線都經(jīng)74LS245緩沖。讀信號(hào)和寫信號(hào)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(diào)節(jié)。圖3是圖形液晶擴(kuò)展接口電路。 4 運(yùn)動(dòng)控制箱軟件設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)初始化設(shè)置 DSP上電復(fù)位后要進(jìn)行的初始化設(shè)置主要包括：系統(tǒng)設(shè)置、I／O端口設(shè)置、PWM(脈寬調(diào)制電路)輸出設(shè)置、串口通信設(shè)置以及LCD初始化設(shè)置。其中，液晶初始化需設(shè)置：圖形區(qū)首地址和寬度、文字區(qū)首地址和寬度，光標(biāo)形狀和是否閃爍、光標(biāo)指針、地址指針。為了保證顯示效果，還需執(zhí)行一次清屏操作。由于清屏操作時(shí)間較長(zhǎng)，將自動(dòng)觸發(fā)看門狗，導(dǎo)致系統(tǒng)初始化無(wú)法繼續(xù)。故編寫復(fù)位和中斷向量文件vectors.asm，使DSP上電后直接進(jìn)入DisableWatchdog()函數(shù)。該函數(shù)的功能為禁止看門狗，并跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量處。下面給出了該函數(shù)的核心代碼： 4.2 掃描算法實(shí)現(xiàn) 掃描算法的核心是如何在最短時(shí)間內(nèi)掃描覆蓋信標(biāo)光的所有可能出現(xiàn)的區(qū)域。常見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(xiàn)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(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍的掃描策略，掃描重疊區(qū)域小，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能掃描，但算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)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(qū)，以蜂窩狀六邊形方式重疊。每個(gè)子區(qū)的直徑為信標(biāo)光發(fā)散角大小，從而得到相鄰兩個(gè)子區(qū)圓心間距離，即光柵螺旋掃描算法的掃描步長(zhǎng)。根據(jù)該掃描步長(zhǎng)分別得到水平和俯仰兩個(gè)方向電機(jī)執(zhí)行步長(zhǎng)，從而通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蜂窩螺旋掃描算法，其程序代碼如下： 4.3 精確跟蹤實(shí)現(xiàn) 運(yùn)動(dòng)控制箱通過(guò)串口中斷實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光的精確跟蹤。計(jì)算機(jī)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(biāo)，以固定的格式通過(guò)串口發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制箱。DSP結(jié)合接收到的光斑坐標(biāo)執(zhí)行相應(yīng)的跟蹤操作。若當(dāng)前坐標(biāo)與設(shè)定位置之間存在偏差，則控制電機(jī)運(yùn)行到設(shè)定位置。電機(jī)運(yùn)行距離和運(yùn)行方向由當(dāng)前目標(biāo)與設(shè)定位置之間的關(guān)系得到處理。跟蹤精度由電機(jī)的執(zhí)行精度和坐標(biāo)提取精度共同決定。 5 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 為了便于使用，采用人機(jī)交互界面完成功能選擇、參數(shù)設(shè)置等操作還可選擇使用APT功能或手動(dòng)控制電機(jī)，并能設(shè)定電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)方向，以及掃描算法的掃描步長(zhǎng)和掃描速度。 5.1 人機(jī)交互界面程序設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)控制箱上電后，人機(jī)交互界面同步顯示。進(jìn)入用戶歡迎界面，而后自動(dòng)進(jìn)入主菜單項(xiàng)。通過(guò)主菜單項(xiàng)，用戶可選擇使用APT功能或手動(dòng)控制電機(jī)，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的用戶界面提示用戶進(jìn)行下一步的操作。APT功能菜單與手動(dòng)控制電機(jī)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(shè)備引起。圖6的垂直電機(jī)控制部分與水平電機(jī)控制部分流程相同。若無(wú)需與外部設(shè)備串口通信，可通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制箱實(shí)現(xiàn)電機(jī)的二維控制和執(zhí)行多種掃描算法。 5.2 液晶顯示設(shè)計(jì) 在人機(jī)交互界面中，對(duì)液晶的操作就是寫指令代碼和讀寫數(shù)據(jù)。通過(guò)寫指令代碼可以設(shè)置液晶的工作狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)的寫入可以在液晶上顯示。為便于輸入液晶指令、數(shù)據(jù)，編寫相應(yīng)函數(shù)。寫指令函數(shù)代碼如下： 寫數(shù)據(jù)函數(shù)與寫指令函數(shù)類似，只是數(shù)據(jù)／命令選擇端輸出低電平，且從I／O單元輸出數(shù)據(jù)代碼應(yīng)分別改為asm("OUT 060h,8000h")；和asm("OUT061h,8000h")。 6 結(jié)束語(yǔ) 結(jié)合空間光通信的具體應(yīng)用，將APT系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)控制單元封裝成箱，完成了空間光通信APT運(yùn)動(dòng)控制箱的設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制箱具有友好的人機(jī)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(shè)計(jì)增加了運(yùn)動(dòng)控制箱應(yīng)用的擴(kuò)展性。既可作為電機(jī)的控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的二維控制，也可接收外部設(shè)備的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。 |
