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1 引言 空間光通信技術是當前研究的熱點，可應用于眾多領域，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。尤其是近年來發展起來的星載合成孔徑雷達、高清晰光學遙感圖像等需要超大數據流傳輸的領域就更迫切地需要用光建立通信鏈路。 空間光通信的一個技術難點就是APT(Acquisition，Pointing and Tracking)系統的研究，該系統對實現空間通信鏈路的建立和維持起到關鍵性的作用。典型的APT系統主要由光學天線、圖像處理單元和運動控制單元三部分組成。本文介紹的APT運動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，又可結合光學天線和圖像處理單元實現整個APT系統的掃描和跟蹤功能。 2 運動控制箱總體設計 運動控制箱是以TMS320LF2407A(以下簡稱為DSP)為核心處理器。它是TI公司主推的一款16位定點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器，并由電機驅動器控制電機運動。這是由于脈寬調制電路輸出的PWM波驅動電流不能驅動電機運動，需加入驅動器增大電流。 為實現步進電機的二維控制，運動控制箱內包含兩個步進電機驅動器SH20403。該驅動器專用于驅動二相步進電機，可提供高達3 A的驅動電流，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。運動控制箱內同時還包含一個128×64位圖形液晶顯示器T6963和一個16位鍵盤以提供友好人機界面。運動控制箱整體結構框圖如圖1所示。 3 運動控制箱設計 控制核心選用Study-2407A EVM板，與運動控制箱相關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。該接口的數據線都經74LS245緩沖。讀信號和寫信號與DSP直接相連，片選端口CS與C／D通過DSP的I／O端口控制，這兩個I／O端口分別為IOPF4和IOPF5。液晶亮度則通過電位器調節。圖3是圖形液晶擴展接口電路。 4 運動控制箱軟件設計 4.1系統初始化設置 DSP上電復位后要進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。由于清屏操作時間較長，將自動觸發看門狗，導致系統初始化無法繼續。故編寫復位和中斷向量文件vectors.asm，使DSP上電后直接進入DisableWatchdog()函數。該函數的功能為禁止看門狗，并跳轉到復位向量處。下面給出了該函數的核心代碼： 4.2 掃描算法實現 掃描算法的核心是如何在最短時間內掃描覆蓋信標光的所有可能出現的區域。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現大范圍的掃描策略，掃描重疊區域小，可在短時間內實現高性能掃描，但算法實現相對復雜。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。 圖中小圓代表一個掃描子區，以蜂窩狀六邊形方式重疊。每個子區的直徑為信標光發散角大小，從而得到相鄰兩個子區圓心間距離，即光柵螺旋掃描算法的掃描步長。根據該掃描步長分別得到水平和俯仰兩個方向電機執行步長，從而通過控制電機運動實現蜂窩螺旋掃描算法，其程序代碼如下： 4.3 精確跟蹤實現 運動控制箱通過串口中斷實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，以固定的格式通過串口發送到運動控制箱。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功能或手動控制電機，并能設定電機運動速度、運動距離和運動方向，以及掃描算法的掃描步長和掃描速度。 5.1 人機交互界面程序設計 運動控制箱上電后，人機交互界面同步顯示。進入用戶歡迎界面，而后自動進入主菜單項。通過主菜單項，用戶可選擇使用APT功能或手動控制電機，然后跳轉到相應的用戶界面提示用戶進行下一步的操作。APT功能菜單與手動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。若無需與外部設備串口通信，可通過運動控制箱實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指令代碼和讀寫數據。通過寫指令代碼可以設置液晶的工作狀態，通過數據的寫入可以在液晶上顯示。為便于輸入液晶指令、數據，編寫相應函數。寫指令函數代碼如下： 寫數據函數與寫指令函數類似，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 結合空間光通信的具體應用，將APT系統中運動控制單元封裝成箱，完成了空間光通信APT運動控制箱的設計。運動控制箱具有友好的人機界面，可通過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控制箱應用的擴展性。既可作為電機的控制機構實現步進電機的二維控制，也可接收外部設備的串口數據進行相應的控制。 |
