基于ARM的空间光通信APT控制系统设计
基于arm的空间光通信apt控制系统设计
空间光通信是以光波作为载波，在空间中进行信息无线传输的一种新型通信技术，其具有保密性高，抗干扰性强，通信速率高等优点，将会在卫星与卫星、卫星与地面控制站的无线通信领域发挥重要的作用，具有广阔的应用前景。但是由于光波波束窄，空间环境又比较复杂，而给通信链路的建立造成了极大的困难，所以对于空间光通信，必须先使用一套捕获、瞄准与跟踪(acquisition，pointing and tracking，apt)系统来建立和维持光通信链路。嵌入式系统具有高性能、低功耗、低成本的优点，使其在运动控制上的应用具有很大优势，以arm嵌入式处理器为基础的控制系统现在已经得到了广泛应用。针对目前卫星通信终端必须具有高实时性、高集成度、低功耗、体积小和重量轻等一系列特点，提出一种基于arm 7嵌入式处理器为核心的apt控制系统。
1 apt控制系统组成
apt控制系统由pwm脉冲控制和产生模块、rs 232串行通信接口模块、光电编码接口模块及人机交互模块组成，系统框图如图1所示。
核心控制芯片选用philips公司生产的专用工业控制arm芯片lpc2124。先由串口接收到由信标光图像处理部分得到的光斑坐标值，通过位置跟踪算法计算出输出，pwm的控制量值，再由pwm产生模块送出pwm脉冲到电机驱动器驱动电机，最终带动转台指向目标位置。光电编码器反馈回电机的速度信息到处理器，运用相应的控制算法可以将转台的运行速度稳定在设定值，防止电机因速度不稳定而扰动。在控制过程中，转台的运行状态、速度和位置等信息皆可由lcd显示，转台的运行速度、扫描步长等由键盘输入设定。
2 硬件设计
2．1 lpc2124处理器简介
lpc2124是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位arm7tdmi-s cpu，是世界首款可加密的arm芯片，并带有256 kword嵌入的高速flash存储器和16 kb的sram，完全能满足系统存储空间的要求，故不需要外加存储扩展，使系统更为简单、可靠。内部具有uart，硬件i2c，spi，pwm，adc，定时器和比较捕获单元等众多应用部件，功能十分强大，远远能满足apt控制系统的功能设计要求。3．3 v和1．8 v供电电压可使系统保持低功耗，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构可使32位代码在最大时钟速率下运行，提高了代码运行速度，独特的16位thumb模式可使代码规模的降低超过30％，而系统的性能损失却很小，提高了代码的运行效率，大大降低了程序的优化难度。特别适用于工业控制、医疗系统和访问控制系统。
2．2 电源电路
lpc2124的内核及片内外设供电电压为1．8 v，i／o口所需电压为3．3 v，而整个数字电路的供电电源为5 v，且通过78m05将电源5 v稳压，故选用了ldo芯片lm1117mpx-3．3和lm1117mpx-1．8稳压输出3．3 v及1．8 v电压，其电路如图2所示。
2．3 rs 232接口模块
通过串口获取光斑的坐标值，由于系统芯片是3．3 v系统，所以使用max 3232进行rs 232电平转换，其电路原理图如图3所示。
通过设置lpc2124控制寄存器u0lcr，uodlm和u0dll来设置工作模式及波特率。
2．4 jtag接口电路设计
采用arm公司提出的标准20脚jtag作为仿真调试接口，jtag信号的定义及与lpc2124的连接如图4所示。图中，jtag接口上的信号nrst，ntrst与整个系统的复位电路连接，以达到与控制系统共同复位的目的。
2．5 电机控制及驱动设计
通过设置lpc2124的pwmmr0，pwmmr6寄存器来设置输出pwm的周期及占空比，从而控制转台的运行速度。电机驱动采用dmd402型二相步进电机驱动器，该驱动器可提供整步、半步、8-16档细分共三种运行模式。另外，通过比较捕获单元接收通过光电编码器反馈产生的正交编码信号，经程序处理后得到电机的当前运行速度，再对速度进行调节。
2．6 lcd显示器及键盘设计
利用点阵式液晶显示器实现中文提示界面，增强了人机交互性。设计中采用128×64的点阵lcd，使用内藏t6963c作为控制器。另外，使用4×4矩阵键盘作为用户输入。
3 软件设计
apt控制系统主要由扫描、捕获和跟踪三部分组成，下面是这几部分程序设计的介绍。
3．1 扫描及捕获部分
上电复位运行后，程序先完成各部分的初始化工作，显示欢迎界面，并提示用户输入转台运行速度及扫描步长，接着程序开始执行光栅螺旋扫描算法。光栅螺旋扫描算法示意图如图5所示，图中每个小圆代表一个信标扫描子区，每个子区以正方形方式重叠。设每个子区的直径为信标发散角α，则扫描步长为：
以步长α0在不确定区域内搜索目标，直到捕获到信标光斑，然后转入跟踪状态。
3．2 基于增量式pid控制的跟踪算法
pid控制算法包括位置式pid控制算法和增量式pid控制算法。在实时控制系统中常用增量式pid控制算法，其公式为：
式中：△u(k)为输出的控制量；q0=kp；q1=kp(ts／ti)；q2=kp(td／ts)分别为比较项、积分项和差分项的系数；ts为采样时间，对于不同的控制系统，ts各不相同，要根据实际调试经验来确定，该实验中ts为0．15 s。由式(1)可知，只要贮存最近的三个误差采样值e(k)，e(k-1)，e(k-2)就可以计算出△u(k)，从而实现位置和速度的反馈控制，完成稳定跟踪。
3．3 系统流程图
由上分析，可得到系统流程图如图6所示。
4 测试结果及结论
经实验测试，整个系统最高功耗约为20 w，转台转动速度范围为0．2～0．8(°)／s，跟踪精度按照标准差计算，最小约达20．69μrad，最快响应时间可达200 ms。利用philips公司生产的arm芯片lpc2124作为控制核心来进行设计与开发，从测试结果可以看出，系统功耗较低，精度基本上满足了apt控制系统的要求，具有较大的实用价值。
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