基于ARM的空问光通信APT控制系统设计

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                    　　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。






　　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。






　　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：






　　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：






　　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。