基于ARM的毫米波天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在毫米波中繼通信設(shè)備中，為提高對(duì)準(zhǔn)精度，縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，滿足快速反應(yīng)的要求，并結(jié)合毫米波波瓣窄，方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了毫米波天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在天線對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，將復(fù)雜的的空間搜索轉(zhuǎn)換成兩個(gè)簡(jiǎn)單的水平和垂直搜索，簡(jiǎn)化了搜索控制算法。采用基于ARM 的32 位微處理器LPC2294 進(jìn)行控制，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和毫米波設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)毫米波通信設(shè)備的快速準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)。毫米波中繼通信設(shè)備在國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)改進(jìn)階段，所以該對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)系統(tǒng)具有極大的參考意義。

毫米波作為一項(xiàng)尖端學(xué)科在中繼通信方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但毫米波波瓣窄，方向性強(qiáng)，導(dǎo)致天線對(duì)準(zhǔn)困難，存在對(duì)通時(shí)間長(zhǎng)，甚至難以對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，不能滿足快速反應(yīng)的要求。因此，需要一種高效的毫米波天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)裝置來(lái)提高天線架裝與對(duì)準(zhǔn)速度，縮短天線架裝與對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，以適應(yīng)快速準(zhǔn)確通信的需要。本文從多任務(wù)處理和可靠性等角度出發(fā)，提出了一種基于ARM7 的32 位微處理器LPC2294 和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)uC/ OS-Ⅱ步進(jìn)電機(jī)控制平臺(tái)的方法，將毫米波通信設(shè)備架裝在平臺(tái)系統(tǒng)上，從而使毫米波通信設(shè)備通過(guò)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)快速對(duì)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)工作原理

在隨機(jī)狀態(tài)下，通信設(shè)備中兩個(gè)天線的軸線一般位于不同的平面內(nèi)，故天線對(duì)準(zhǔn)實(shí)際上是一個(gè)較復(fù)雜的空間搜索問(wèn)題。從天線軸線在兩正交平面( 方位平面和俯仰平面) 內(nèi)的投影可以看出，只要分別在方位面和俯仰面內(nèi)調(diào)整即可將兩天線對(duì)準(zhǔn)。這種調(diào)整方式將空間搜索轉(zhuǎn)換成兩個(gè)簡(jiǎn)單的水平和垂直面搜索，可以簡(jiǎn)化搜索控制算法。天線對(duì)準(zhǔn)時(shí)，兩天線的方位指向誤差較大，而俯仰指向誤差不會(huì)太大。故可先實(shí)現(xiàn)方位對(duì)準(zhǔn),然后調(diào)整俯仰指向，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)天線的完全對(duì)準(zhǔn)。基于上述特點(diǎn)，將天線安裝在內(nèi)框的俯仰平面上，如圖1 所示。

實(shí)際使用時(shí)，通信設(shè)備通過(guò)平臺(tái)架裝在天線升降器上,最高可以距地面10 m，并可以根據(jù)需要升降。采用單軸步進(jìn)式跟蹤方案，俯仰方向和水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)共用一個(gè)電機(jī)，通過(guò)繼電器進(jìn)行切換。根據(jù)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，在ARM 控制器中，編程實(shí)現(xiàn)間歇式發(fā)送脈沖，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器放大脈沖，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，最后由機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)以及與其相連的通信設(shè)備，完成對(duì)毫米波通信設(shè)備間方向的搜索與對(duì)準(zhǔn)。

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)主要由平臺(tái)控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和相關(guān)傳感器( 羅盤和GPS)等組成。圖2 給出了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的片外連接硬件結(jié)構(gòu)框圖。本文重點(diǎn)介紹其核心 ARM 控制部分。

圖2 平臺(tái)控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖

2. 1 ARM 處理器簡(jiǎn)介

ARM 的32 位體系結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為業(yè)界領(lǐng)先的32 位嵌人式RISC 處理器結(jié)構(gòu)。LPC2294 是飛利浦公司生產(chǎn)的32 位ARM7TDMI S 微處理器，具有低功耗、低價(jià)格、高性能的特點(diǎn)。

2. 2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)控制板的ARM 處理器采用LPC2294，其驅(qū)動(dòng)電路由SGS 公司推出的L297 和L298 集成芯片組合而成，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3 所示。平臺(tái)控制板還通過(guò)串口與磁羅盤和GPS 相連，用于采集所需的數(shù)據(jù)信息。

顯示控制單元仍然采用ARM 芯片LPC2294，它同時(shí)與鍵盤和液晶顯示器相連，見(jiàn)圖2。鍵盤用來(lái)輸入己方和對(duì)方的坐標(biāo)以及對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)控制命令的輸入，液晶顯示屏可顯示站點(diǎn)坐標(biāo)、電平信號(hào)強(qiáng)度和平臺(tái)工作狀態(tài)等，從而構(gòu)造一個(gè)友好的人機(jī)交互界面。顯示控制單元通過(guò)50 m 的電纜與平臺(tái)系統(tǒng)相連，通過(guò)CAN 接口與平臺(tái)控制板通信，當(dāng)用戶完成設(shè)置時(shí)通過(guò)CAN 接口將設(shè)置信息發(fā)送到平臺(tái)控制器，同時(shí)顯示控制單元還作為整套毫米波設(shè)備的基帶控制單元的處理中心。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)功能復(fù)雜，為了增加程序功能，減少死機(jī)或者程序跑飛等情況，故考慮將uC/ OS-Ⅱ嵌人式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件平臺(tái)，把各個(gè)系統(tǒng)功能劃分為不同的任務(wù)。由操作系統(tǒng)來(lái)完成任務(wù)的調(diào)度以及任務(wù)之間的同步和通信，用中斷來(lái)處理實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的異步事件。

3. 1 uC/ OS-Ⅱ的移植

uC/ OS-Ⅱ是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核( RTOS)， 其絕大部分源碼是用ANSI 的C 語(yǔ)言編寫，可以方便地移植并支持多種類型的處理器。uC/ OS-Ⅱ的硬實(shí)時(shí)性以及低成本、易控制、小規(guī)模、高性能的特性，使其能滿足工業(yè)中小型控制對(duì)可靠性、實(shí)時(shí)性以及多任務(wù)處理的要求。

編寫應(yīng)用軟件首先要移植uC/ OS-Ⅱ，移植對(duì)處理器有一定的要求。本設(shè)計(jì)采用的LPC2294 處理器以及開發(fā)工具ADS 1. 2 完全滿足移植要求，可以進(jìn)行移植。關(guān)于uC/ OS-Ⅱ移植的參考資料比較多，本文不再做詳細(xì)討論。

3. 2 任務(wù)的劃分與優(yōu)先級(jí)的確定

uC/ OS-Ⅱ?qū)儆趽屨际綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)，總是會(huì)使處于就緒狀態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行。它不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，所以必須將系統(tǒng)功能合理分解為不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)由任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性要求程度決定。劃分系統(tǒng)任務(wù)的時(shí)候，還要考慮到低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能有機(jī)會(huì)得到運(yùn)行，否則系統(tǒng)將難以正常工作。因此建立六個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，任務(wù)之間的通信方式及流程如圖4 所示，分別如下:

TaskMotorCt l：任務(wù)0，作為程序的主任務(wù)，實(shí)現(xiàn)初始化和電機(jī)控制功能；TaskCal：任務(wù)1，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)角度等相關(guān)參數(shù)；TaskPortScan：任務(wù)2，端口掃描任務(wù)，實(shí)現(xiàn)限位開關(guān)端口電平的監(jiān)控功能；TaskU ART0Recv：任務(wù)3，串口0 磁羅盤數(shù)據(jù)的接收處理任務(wù)；TaskU ART 1Recv：任務(wù)4，串口1GPS 數(shù)據(jù)的接收處理任務(wù)；TaskCAN：任務(wù)5，CAN 接口數(shù)據(jù)收發(fā)處理。

圖4 任務(wù)之間關(guān)系及通信方式

運(yùn)行時(shí)有兩種狀態(tài):

( 1) 靜止?fàn)顟B(tài)

首先系統(tǒng)啟動(dòng)之后，進(jìn)行初始化，然后等待磁羅盤接收信號(hào)有效，否則不能進(jìn)入電機(jī)控制任務(wù)。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)平臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，程序?qū)邮盏降拇跀?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理后實(shí)時(shí)更新，并不停地向顯示控制單元匯報(bào)天線與目標(biāo)指向的夾角大小。

( 2) 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)有按鍵按下，顯示控制單元通過(guò)中斷的方式對(duì)其進(jìn)行處理，然后通過(guò)CAN 總線向平臺(tái)控制板發(fā)送控制命令。平臺(tái)控制板根據(jù)控制命令確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向并在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否碰到限位開關(guān)。

優(yōu)先級(jí)的劃分如下：TaskPortScan 優(yōu)先級(jí)最高，因?yàn)槠脚_(tái)的對(duì)準(zhǔn)可能會(huì)順時(shí)針或者逆時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而限位開關(guān)能夠使平臺(tái)往某個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)累計(jì)不超過(guò)一圈，以免引起平臺(tái)內(nèi)線的纏繞甚至扯斷。因此當(dāng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)碰到限位開關(guān)時(shí)，優(yōu)先級(jí)最高，以實(shí)時(shí)響應(yīng)斷電，并使平臺(tái)反轉(zhuǎn)，這里通過(guò)查詢方式來(lái)檢測(cè)是否碰到限位開關(guān)。

然后就是任務(wù)TaskUART0Recv，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中都需要實(shí)時(shí)用到航向和俯仰等角度信息，因此實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地接收到此類信息顯得非常重要。因?yàn)?TaskCAN 用于接收顯示控制單元的控制命令，排在任務(wù)TaskUART0Recv后面。角度計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)排在任務(wù)TaskCAN 的后面，根據(jù)任務(wù)TaskU ART 0Recv 傳下來(lái)的角度原始數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)信息，實(shí)時(shí)計(jì)算角度值，以確定平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的目標(biāo)位置。雖然TaskMotorCtl 步進(jìn)電機(jī)的控制任務(wù)重要，但是幾乎全天候運(yùn)行，如果優(yōu)先級(jí)較高，會(huì)占用很多資源，導(dǎo)致其他任務(wù)無(wú)法進(jìn)行，所以將其優(yōu)先級(jí)排在靠后。最后是 TaskUART1Recv 任務(wù)，因?yàn)橐话惚痉轿恢迷趯?shí)際對(duì)準(zhǔn)中不會(huì)變化，所以其經(jīng)緯度數(shù)據(jù)只需接收一次，其優(yōu)先級(jí)排在最后。

3. 3 應(yīng)用程序流程

利用LPC2294 系列的帶操作系統(tǒng)的專用工程模板可大大減輕編程負(fù)擔(dān)。模板包括LPC2294 系列微控制器的啟動(dòng)文件、頭文件、分散加載描述文件等，利用這些文件，應(yīng)用程序的編寫就變得非常簡(jiǎn)單。應(yīng)用程序流程如圖5 所示。

圖5 應(yīng)用程序流程圖

步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)得的控制脈沖信號(hào)波形如圖6 所示。

圖6 示波器輸出波形

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)毫米波通信設(shè)備的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一個(gè)以毫米波天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)系統(tǒng)為應(yīng)用目標(biāo)的基于ARM 微處理器LPC2294 的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。應(yīng)用ARM 處理器豐富的片內(nèi)外設(shè)和優(yōu)越的性能提高了平臺(tái)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精度和響應(yīng)時(shí)間，利用 uC/ OS-Ⅱ提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，簡(jiǎn)化多任務(wù)程序的設(shè)計(jì)。本自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于毫米波通信設(shè)備的樣機(jī)對(duì)通通信中，進(jìn)行了多次外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，對(duì)準(zhǔn)精度高，架設(shè)時(shí)間短，從而大大縮短了毫米波通信設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，獲得用戶的好*。