精品文檔-下載后可編輯CAN總線在多天線控制器設(shè)計及PID實現(xiàn)的應(yīng)用

隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，單基地雷達(dá)存在著很大的局限性，小型雙多基地雷達(dá)的應(yīng)用越來越廣泛，需求日趨迫切。衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)，通信容量大，業(yè)務(wù)類型多，傳送不受地理條件限制等優(yōu)點，在通信、廣播、導(dǎo)航定位、氣象服務(wù)、遙感遙測、地球資源勘測、環(huán)境監(jiān)測、技術(shù)偵查等商用和軍事應(yīng)用方面應(yīng)用廣泛。其中，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)在移動衛(wèi)星通信中具有不可替代性，發(fā)展前景廣闊。復(fù)合式的雙基地雷達(dá)特別適合于空中交通管制系統(tǒng)，它比單基地雷達(dá)的測速效率高，精度好；此外雙基地雷達(dá)的目標(biāo)分辨能力較高，在分析大氣的垂直結(jié)構(gòu)時要比單雷達(dá)更優(yōu)越，而大氣的垂直結(jié)構(gòu)則是氣象分析的重點。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork,CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動大的工業(yè)環(huán)境。

1CAN總線多夫線控制系統(tǒng)的組成

CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。

多天線控制系統(tǒng)由本地控制組件、CAN總線和天線控制器組成，如圖1所示。其中本地控制組件包括本控面板、電源、微處理器和電機(jī)驅(qū)動電路，負(fù)責(zé)天線的位置信息采集和電機(jī)控制算法的實現(xiàn)；CAN總線采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口芯片采用SJA1000,完成物理鏈路層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層功能；天線控制器包括顯示面板、控制按鍵、手輪、微處理器等，用于接收用戶操作指令，顯示指定天線的狀態(tài)和控制天線的運動方式。

在由CAN總線構(gòu)成的天線控制系統(tǒng)中，天線控制器和本地控制組件各分配一個固定的CAN網(wǎng)絡(luò)地址，天線控制器通過面板選擇所要控制的天線編號，將該天線的工作方式（扇掃、環(huán)掃、手動）、工作參數(shù)（扇掃邊界、掃描速度）等發(fā)送到所選天線的本地控制組件，再由本地控制組件根據(jù)天線控制器給出的控制算法，實現(xiàn)對天線的控制，并將天線的當(dāng)前參數(shù)（方位、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向）通過CAN總線傳送到天線控制器上顯示。手動方式時，所選天線的本地控制組件根據(jù)天線控制器手輪的控制信息和跟隨算法，實現(xiàn)對天線的手動位置控制。

2方位傳感器的數(shù)字化設(shè)計

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

在對天線位置信息的采集中，方位傳感器采用同步機(jī)電路實現(xiàn)。其中，定子線圈加入工頻激磁電壓，轉(zhuǎn)子的三相電壓幅度受定子與轉(zhuǎn)子相對角度的調(diào)制，三個轉(zhuǎn)子線圈之間相互間隔120°放置。在模擬信號傳輸中，同步接收機(jī)會根據(jù)三相電壓幅度的變化跟隨同步機(jī)做同步旋轉(zhuǎn)，達(dá)到傳輸角度信號之目的。為了便于與微處理器的連接，輸出的方位信號還必須做數(shù)字化處理。

設(shè)同步機(jī)定子加激磁電壓Vo=Vmsinωt,三個轉(zhuǎn)子線圈的電壓方程為：

式中：K為轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的變壓比；θ為轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角；ω為工頻激磁電壓的角頻率。

由此可知，在激磁電壓正峰值時，對三個電壓取值，則V1,V2,V3與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為：

將轉(zhuǎn)角θ從0~360°劃分為12個區(qū)間，每個區(qū)間30°，則可將同步機(jī)三相電壓幅度隨轉(zhuǎn)子角度變化的曲線繪制如圖2所示。

如果用V1-V2,V2-V3,V3-V1以及V1,V2,V3中的信號Vx的極性來表示這12個區(qū)間，則很容易得到各區(qū)間的二進(jìn)制代碼，如表1所示。例如：當(dāng)θ角在0~30°時，V1-V2為正，V2-V3為負(fù)，V3-V1為正，而此時V1的，即Vx=V1,其值為正，則該區(qū)間可以用（1011）B表示。

進(jìn)一步，對此時的Vx信號做歸一化處理后再進(jìn)行反正弦運算，其結(jié)果是單調(diào)的，且計算出的角度值α介于0~30°之間。根據(jù)θ角所在的區(qū)間，就可求出當(dāng)前天線的方位。

根據(jù)以上分析，可以將方位信號數(shù)字化過程簡述如下：在激磁工頻信號的正峰值點生成采樣脈沖信號CP0和微處理器中斷信號CP1,控制三路采樣保持電路同時對分壓后的同步機(jī)三相電壓進(jìn)行采樣保持，選擇的一路信號送A/D轉(zhuǎn)換器，同時判斷其正負(fù)；區(qū)間代碼生成電路根據(jù)對三路采樣信號的比較和信號的正負(fù)，確定θ角所處區(qū)間的代碼；微處理器響應(yīng)中斷，啟動A/D轉(zhuǎn)換，求得α值，同時讀取θ角所處區(qū)間代碼，根據(jù)表1給出的區(qū)間計算公式，確定θ角的具體數(shù)值送本地面板顯示，并通過CAN總線上傳天線控制器。

方位數(shù)字化電路原理框圖如圖3所示。

從圖2可以看出，在0~30°區(qū)間內(nèi)正弦曲線可近似為線性區(qū)間，為進(jìn)一步提高精度，可以按照正弦函數(shù)曲線對A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行補(bǔ)償，以滿足測量的需要。同時，為避免因激磁電壓的波動引起A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值在區(qū)間之間的跳動，A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓應(yīng)與激磁電壓的幅度按比例浮動。

3位置隨動旋轉(zhuǎn)編碼器接口設(shè)計

旋轉(zhuǎn)編碼器是隨動控制中常用的接口部件，這里選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，它由涂有莫爾條紋的編碼盤和光電檢測裝置構(gòu)成，編碼盤上涂有兩道相差90°的黑白相間隔柵，分別稱之為A道和B道。工作時，光電檢測器發(fā)出可見光照射在編碼盤上，當(dāng)編碼盤旋轉(zhuǎn)時，光發(fā)射管裝置照過隔柵，光敏接收管便會產(chǎn)生通（斷）的脈沖輸出信號。由于A,B道相位差為90°，因此其輸出脈沖也有90°的相差。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90°；反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90°。

如果直接采樣A、B兩路信號，電路結(jié)構(gòu)會比較復(fù)雜。為便于計算機(jī)處理，可將旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B兩路信號進(jìn)行適當(dāng)變換，生成方向信號DIR和增量計數(shù)脈沖CLK.圖4給出了旋轉(zhuǎn)編碼器的接口電路以及相應(yīng)的波形。為防止因機(jī)械轉(zhuǎn)動帶來的波形邊緣的抖動，接口電路的輸入應(yīng)采用施密特型。

圖4中C點的方波周期是A或B信號周期的1/2.為了在手輪低速轉(zhuǎn)動時，防止由于A或B信號周期過大而影響計數(shù)器的正常工作，可將C點波形與經(jīng)緩存器延遲后的波形E相異或，從而得到增量計數(shù)脈沖CLK,其周期應(yīng)是C周期的1/2,即為A或B信號周期的1/4,實現(xiàn)A或B信號頻率的四倍頻細(xì)分。為便于計算機(jī)識別手輪的轉(zhuǎn)動方向，電路中增加了方向信號DIR,當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正向轉(zhuǎn)動時，A信號超前B信號90°，此時DIR輸出為高電平；反之，DIR輸出為低電平。

4天線的PID控制

當(dāng)今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。PID（比例-積分-微分）控制器作為早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用為廣泛的控制器。

圖5給出了天線的PID控制原理。如圖5（a）所示，在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID的控制規(guī)律可以寫成如下形式：

式中：u（t）為PID控制器的輸出或稱為被控對象的控制輸入；ε（t）為偏差；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

為在數(shù)字系統(tǒng)中實現(xiàn)PID控制，需將連續(xù)PID控制規(guī)律離散成離散型PID控制規(guī)律，即用差分方程來表示：

天線的離散型PID控制方案如圖5（b）所示。在該方案中，天線的工作方式分為自動掃描和手動掃描兩種。自動掃描方式下，天線控制器選擇設(shè)定相應(yīng)天線的掃描轉(zhuǎn)速。由于不同波段的天線尺寸不同，各個天線轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量也不盡相同，因此需要通過調(diào)整相應(yīng)天線的比例積分和微分常數(shù)，來使天線的控制達(dá)到期望的特性。而在手動掃描時，天線控制器將手輪的轉(zhuǎn)動控制，經(jīng)位置隨動旋轉(zhuǎn)編碼器變換為對天線的控制輸出，通過CAN