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。