基于单片机和CPLD的多功能望远镜控制系统设计

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                    ??? 摘要：本文介绍了一种设计基于高速单片机C8051F120和CPLD的高精度大型望远镜的伺服控制器，由单片机实现闭环控制算法、上位机通信和LCD显示控制，CPLD实现增量式编码器计数、电机驱动波形发生以及I／O接口。该控制器可独立进行电机控制，也可配合上位机进行控制，具有实时性和抗干扰能力强、成本低、调试方便等特点。
　　微电子技术和计算机的发展推动着伺服控制技术的进步，控制系统的硬件系统越来越高速化、小型化、模块化，功能也日趋强大完善；而且，伺服控制技术是朝着更开放、更加模块化的控制结构的方向发展的，要求控制器算法实现简单、控制接口灵活，针对不同的伺服控制对象时硬件系统不变，软件系统也可以完成参数的自动调整。
　　随着半导体和计算机技术的发展，单片机技术也得到迅速发展。利用单片机进行产品开发，最明显的优点是可大大缩短开发周期、降低成本和提升产品竞争力。由于速度和功能的扩展，单片机的应用领域也可以方便拓展到许多高端技术场合，尤其与一些大规模逻辑或时序芯片(如CPLD、FPGA等)配合使用，使得以前的单片机只能用于低端场合的情况得到巨大改善。单片机编程方便、使用灵活、可移植性强、可结构设计及可直接操作计算机硬件、生成的代码质量高的特点，在很大程度上推广了单片机的使用。
　　电子系统的集成化不仅解决了系统的体积、重量问题，也大大提高了系统的可靠性。复杂可编程逻辑器件CPLD的日益成熟，使其在各个领域得到了强有力的推广和成功应用。本文在以高速单片机C8051F120和EPM570T144为核心的基础上设计了包括伺服控制器、增量式编码器、ABZ码数据采集、PWM电机控制信号产生、GPS数据信号处理以及和LCD数据显示等功能模块的一种多功能控制系统。系统成本低、功能全，在望远镜控制系统中应用，验证了其可行性。
　　1 系统功能说明
　　设计采用高速单片机作为主控制器来构成低成本的伺服控制方案。CPLD具有编程灵活、集成度高、开发周期短、成本低的特点，可实现较大规模的数字电路设计。因此，选择一款合适的CPLD可满足伺服控制系统的AB正交码计数和PWM波形产生等电路接口要求，同时大大减小PCB面积，增强可靠性。
　　图1中，单片机负责控制算法的实现和外部控制接口，如速度控制器和位置控制器算法、LCD显示内容的控制、与外部的通讯和A/D采样等；CPLD负责各种逻辑电路的实现，如ABZ码可逆计数，PWM控制波形产生，各种开关量输入接口。CPLD具有的诸多功能大大减轻了CPU的负担， CPU则只从CPLD接收数据进行处理，完成PID的控制算法，输出控制变量到CPLD。


　　2.6 编码器计数模块实现
　　选用高精度的增量式光电编码器作为位置和速度传感器。其输出端包括A、B、Z三种信号，通过对A、B码信号90°相位差的识别来判断电动机运转方向及位置，清零信号Z每过零点一次则产生一次脉冲[5]。本文采用CPLD实现对此编码器信号的解析，可降低设计成本、减少PCB面积。经过图3所示的编码器信号处理电路后，输出TTL电平的A、B、Z信号到CPLD，对波形进行整形、数字滤波处理，再细分，进辨向电路[6]，最后由可逆计数电路完成对脉冲的计数，输出32 bit的二进制码值，单片机对计数值读取获得位置值。



　　3.2 闭环控制系统
　　在控制算法的实现上采用内模控制，其设计思路是将对象模型与实际对象相并联，控制器逼近模型的动态逆，对单变量系统而言内模控制器取为模型最小相位部分的逆，并通过附加低通滤波器以增强系统的鲁棒性。模型和被控对象模型精确匹配时，控制系统的输入等于输出。内模控制能够清楚地表明调节参数和闭环响应及鲁棒性的关系，内模控制器的动态特性取决于内部模型与被控对象的匹配情况[3，4]。在工业过程中，与经典PID控制相比，内模控制仅有一个整定参数，参数调整与系统动态品质和鲁棒性的关系比较明确，故采用内模控制原理可以提高PID控制器的设计水平。也由于参数调节简单，此算法利于单片机程序实现。
　　大型光电望远镜属于大惯量系统，机械时间常数远大于电气时间常数，故可忽略电气时间常数的影响，对象的速度传递函数可简化为：



　　本文采用高速单片机和CPLD组成望远镜伺服控制器，实现了圆光栅四倍频细分电路、计数模块以及电机PWM驱动控制信号产生，并用单片机实现了内模控制算法、LCD显示和数据通信等功能。最终通过实验验证了该系统的可行性。