运动控制系统 (12)

2.控制分系统框图
与总体接口
HPI接口 4路A/D 4路D/A
精瞄控制部分 精瞄镜
RS-485
主控机 DSP(LF2407)
4位 16位
二次电源 存储器128K
4位
24位并口
晶振及监控复位
转台控制 89C55×2
D/A 2位故障
电机功放
8位并口
8位并口
CCD图象数据 处理及1394 数据传输单元
DSP
2 1 P2. 0 2 2 P2. 1 2 3 P2. 2 2 4 P2. 3 2 5 P2. 4 2 6 P2. 5 2 7 P2. 6 2 8 P2. 7
17 RD 16 WR 29 30 11 10
P0. 0 3 P0. 1 4 P0. 2 7 P0. 3 8 P0. 4 1 3 P0. 5 1 4 P0. 6 1 7 P0. 7 1 8
出的目标位置，反馈给上位机转台实际位置；接收测角码盘给出的电机实际位 置信号；根据给定的位置信号与码盘给出的电机实际位置按控制算法给出让电 机正确转动的控制量。要求控制器具有一定的频带宽度，合理的响应时间和较 小的超调。 2. 直流无刷力矩伺服电机系统（包括功放电路）：粗瞄控制子系统的执行机构， 具有力矩系数大，过载能力强，散热条件好，没有换向火花，电磁干扰小，可 靠性高等特点。 3. 测角系统：采用绝对式光电编码器作为测角元件，测角电路采用TI公司的 TMS320F240数字处理芯片作为主处理器，将光电编码器检测出的电机实际 位置模拟信号转换成21位数字信号，送给控制器。测角系统在整个粗瞄控制 子系统中尤为关键，测角系统的精度决定着整个控制系统的精度。这部分将在 后面论述。
8 9C5 1
P0. 0 P0. 1 P0. 2 P0. 3 P0. 4 P0. 5 P0. 6 P0. 7
P2. 0 P2. 1 P2. 2 P2. 3 P2. 4 P2. 5 P2. 6 P2. 7
RD WR P SEN ALE/ P TXD RXD
3 9 P0. 0 3 8 P0. 1 3 7 P0. 2 3 6 P0. 3 3 5 P0. 4 3 4 P0. 5 3 3 P0. 6 3 2 P0. 7
粗瞄控制A板
GND
5
3
7 573
3
1
573 2
控
制
信 573
573
号3
4
AT
89
573
573
INT1 5
6
INT2
I/O
C51
573
3
7
RESET
粗瞄控制B板
INT1 573
573
INT2 I/O
1
2
8
573
573
3
4
5
3
138 3 译
非 门
码
4
3
7 3 控
573 5
制
573 6
信
号 573
3
7
RESET
系统初始化
等待中断 N
PIVR＝ 0x0006
Y 接收星载主机发 送的扫描曲线初
始位置
计算螺旋扫描曲 线位置存入数组
xxiii[1440] yyiii[1440]
开启定时器4周 期中断方式
退中断
图2. 跟瞄过程控制软件流程1
控制软件流程图
系统初始化 等待中断
系统初始化
N
PIVR＝ 0x0039
Y 发送给定曲线位
及工控机通信控制软件。 3.以MCU为核心的转台控制部分。包括系统硬件及相应控制软件。 4.以DSP为核心的光电码盘信号采集和数据处理单元。 5.精瞄控制A/D及D/A转换部分。 6.CCD图象数据采集处理及1394数据传输系统。 控制分系统各部分的研制和加工都按照严格要求、从严把关的原则进 行，各子系统从最初设计、电路布局、到元器件选择、干扰抑制等都 按照高标准进行，以使控制分系统整体运行稳定可靠。
图3. 跟瞄过程控制软件流程2
Y
*SCITXBUF= 0x0041 发送字符
A给星载主机
退中断
图4. 跟瞄过程控制软件流程3
控制软件流程图
系统初始化
等待中断
N PIVR＝ 0x0027
读HPI可读 标志位
Hpiflag6＝1 Y
读HPI捕获 标志位
Hpiflag2＝1
读HPI寄存器中 光斑在视域中
模拟星载总体主控软件部分界面
控制软件流程图
系统初始化
等待中断
PIVR＝？
0x0007 0x0006 0x0001
SCI串口发送服 SCI串口接收服 XINT1外部设备
务子程序
务子程序 中断服务子程序
0x0027
0x0039
定时器4周期中 定时器1周期中 断服务子程序 断服务子程序
其他
退中断
图1. 控制软件流程
GND
AT 89 C51
与作为粗瞄控制的单片机的通 信接口采用的是一种比较简单 的并口方式，主要利用2407 丰富的I/O引脚。由于粗瞄部 分要控制的是一个二维转台的 两个方向，两个方向轴的控制 是由两个独立的单片机控制系 统来实现的，因此要求上位机 DSP能分别给两块粗瞄控制板 发送指令，并能够分别接收到 他们各自的运动状态信息。为 此，采用了译码器分别对两块 板子的选通与否进行译码。
DAC7625
AD
ADC
DATA
RS-
485
SCI TMS320
1
LF2407A
3
JTAG
JTAG
ADDRESS
128K SRAM
9 4
LED
DATA
CONTROL I/O
MCS51
Biblioteka Baidu
3．1．2 RS-485模块
RS-485接口信号为两对输入输出的差分信号和地线。该电路采用一片美国德 州仪器公司生产的差分驱动和接收芯片SN75LBC179，将F2407A串行通信接 口模块SCI的接收和发送信号转换为符合ANSI RS-485标准的差分信号。
空间激光数字通信技术项目
控制分系统验收报告
1.控制分系统概述
低轨卫星激光链路控制分系统是实现光通信系统各子系统的协调控制 以及和卫星总体之间协调互联的重要部分。 主要包括以下各部分： 1.以DSP为核心的上位总控机部分。包括系统硬件及相应控制软件。 2.DSP上位总控机与工业控制计算机之间485通讯控制硬件部分，以
U1
31
EA/VP
19
X1
18
X2
9
R ESET
INT01 2 INT11 3 P3. 41 4 P3. 51 5
P1. 0 1 P1. 1 2 P1. 2 3 P1. 3 4 P1. 4 5 P1. 5 6 P1. 6 7 P1. 7 8
INT0 INT1 T0 T1
P1. 0 P1. 1 P1. 2 P1. 3 P1. 4 P1. 5 P1. 6 P1. 7
A0 A1 R/W DB 11 DB 10 DB9 DB8 DB7
8 VCCA
4 AGND
DAC76 25
AGND
28 AGND
27
26
25
VCCA
24
C7
23 IOPF1
C8
22 DSPA4 10 4
21 DSPA5
10 U
20 IOPF2
19 BD11
18 BD10
17 BD9
16 BD8
15 BD7
粗瞄控制系统原理框图
方向 目标位置 -
+
俯+
仰
目
-
标
位
置
控制器 控制器
绝对式码盘
功放 功放
无刷电机
方位轴
无刷电机
俯仰轴
二维转台
发射光
绝对式码盘
DSP 运算处理
图像采集 处理
CCD 图像 入射光 传感器
3．2．1 二维转台运动控制系统硬件设计
运动控制系统要实现的基本功能如下：
实时接收测角码盘21位电机实际位置数据；
CCD
光学系统
收发天线
D/A
功率放大
精瞄驱动
精瞄部分
3．1．1 DSP部分电路构成
该电路板以TMS320LF2407A DSP 芯片为核心，扩展了128K存储器，4路DA转换， 4路AD转换，RS－485串行接口，与粗瞄控制MCU的并行接口，1394板接口，测试电 路，以及DSP的一些扩展引脚。其结构框图如下：
1IN+ 2IN+ VDD+ VDD–/ GND
T L C22 72
U7
1 2 6 7
1OUT 1IN– 2IN– 2OUT
1IN+ 2IN+ VDD+ VDD–/ GND
T L C22 72
C 11 10 1
R20 10 K
C12 R21 10 K 10 1
U9
1 2 6 7
1OUT 1IN– 2IN– 2OUT
3．1．4 DA转换模块
精瞄控制时，根据CCD传回图像检测信标光斑位置，然后DSP给出数字信号给D/A 芯片，转换得到模拟电压，经运算放大器放大后给到精瞄驱动装置上，产生微转动，
从而实现精瞄控制。 D/A转换芯片采用的是BURR-BROWN公司的DAC7625，是 12位双缓冲电压输出的数模转换器件 。
RAM
测角码盘 21位数据
D/A转换 AD7237A
地址总线
P2.0～P2.3 P2 P2.4～P2.7
154地址译 码
选通信号
故障信号
74LS245 缓存
故障信号
DSP 电机
6片八位锁 电机1位置 存器573
目标位置
上位机 DSP
运动控制部分电路设计
并行扩展电路设计
控制器设计关于数据通信方式的选择，考虑到并行通信速度较串行通讯速度快，而且对于主控电路与 外围电路距离很近粗瞄控制系统，采用并行通信有着明显的优势，故子系统中单片机与上位机DSP通 信、接收测角电路反馈的位置信号都采用了并行通信的方式。
DACOUT1 AGND
R13 33
20 K R9
R 10 AGND DACOUT2
DACOUT3 AGND
20 K
33 R14 R15 33
R11 20 K
R 12 AGND DACOUT4
20 K 33 R16
C9 10 1
R18 10 K
C10 R19 10 K 10 1
U8
1 2 6 7
1OUT 1IN– 2IN– 2OUT
7
BD0 8
BD1 9
BD2 10
BD3 11
BD4 12
BD5 13
RE FD
BD6 14
RE FC
VRE FH VOUT B VOUT A VSS GND / R ST /L DAC DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6
VRE FL VOUT C VOUT D
VDD NIC /CS
3．1．5 DSP上位总控制机软件系统
DSP上位总控制机软件系统包括： 1. 模拟星载总体主控软件，这部分主要用于地
面实验室模拟星上总体使用，可以通过这部 分实现对终端控制的操作，这部分软件在工 业控制计算机上实现。 2. DSP上位总控制机控制软件，这部分软件将 固化于DSP中，用于实现对系统总体的控 制及各分系统之间的协调控制。
XY坐标
计算偏差Xc，Yc
N
关定时器TP1周 期中断，
N
开启TP4周期中
断，继续执行曲
线扫描
读HPI大小窗口 标志位
读取码盘实际位 置信号
退中断
进行位置补偿， 发送新位置控制
信号给Mcu
图5. 跟瞄过程控制软件流程4
3.2 二维转台运动控制部分
卫星光通信PAT跟瞄技术采用复合轴控制的方式，即采用具有较大瞄准范围的粗瞄 装置来补偿两星间的相对运动，进行大范围跟踪，采用具有较高瞄准精度的精瞄装 置来补偿精瞄误差，克服高频振动干扰和补偿提前瞄准量，对粗跟踪误差进行补 偿。综合考虑系统功能设计运动控制系统，主要包括以下三个模块： 1. 控制器：采用ATMEL公司的AT89C55作为控制器的主控单元。接收上位机给
及时接收上位机DSP给出的21位目标位置数据，并实时向上位机返回实际电机位置；
实时给功放驱动电路16位电机实际位置信号；
根据控制算法实时给出驱动电路控制电压，
根据需求设计控制器硬件系统如下：
复位电路
P1.7允许端
2片八位锁 存器573
16位数据
电机
控制电压
P0
八位数据总线
时钟电路
单片机
373地址 锁存
置信号 xxiii[1440] yyiii1440]
接收码盘实际位 置信号
RXX[ii]RYY[ii]
退中断
等待中断
N
等待
*SCICTL2&0x0080 =0
N
PIVR＝ 0x0007
Y
*SCICTL2&0x0 080=0
ii=1439
ii++,准备下一周
N
期发送和接收新
的位置
Y
ii=0，小灯亮， 显示完成一次螺 旋线扫描，并向 星载主机发送A
1IN+ 2IN+ VDD+ VDD–/ GND
T L C22 72
3
VCCA R3 1K
R4 10 K
5 3IN+ 8 VCCA 4 AGND
C50. 1 uF
D1
2. 5 V
U5
3 5 8 4
3 5
DACVREFH 1
RE FB
2
RE FA
3
VCCA
AGND 4
AGND
5
PW RON_6RST
/IS
码盘处理单元 DSP
4路D/A 显示及测试
1394高速总线 高速CCD
码盘
电机
3.控制分系统主要子系统及关键技术 3.1 DSP上位总控制机
激光通信的瞄准、捕获跟踪（PAT）装置分为精瞄和粗瞄两部分，下
面是PAT装置框图。
光信号
电信号
I/O
码盘
粗瞄部分
单片机
D/A
功率放大
粗瞄驱动
二维转台
DSP
1394串行总 线
3．1．3 DSP与单片机接口
GND
IOPE1～3 IOPE4
IOPB0～7
IOPF4 IOPF5 IOPA6 IOPA7 IOPA3～5
IOPC3
IOPF3
245
TMS320
LF2407A
IOPC3 IOPC2 IOPF6 IOPC6
IOPE5～7 IOPC1
GND
3
138 3 译
非 门
码
4
8
3