《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型數(shù)字式手柄控制器的設(shè)計(jì)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2013年第18期
陳 穎1,,張夏疆1,,薛媛媛1,,楊 萌1,,尚 婷2
(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所,,陜西 西安710065,;2.西安理工大學(xué),,陜西 西安710048)
摘要: 介紹了幾種數(shù)字式手柄控制器的優(yōu)缺點(diǎn),,針對某數(shù)字伺服系統(tǒng)實(shí)際需求,,設(shè)計(jì)了一種具有CAN總線通信功能的新型數(shù)字式手柄控制器,。根據(jù)角速度積分原理,詳細(xì)討論各部分硬件組成電路,,給出軟件流程,。通過實(shí)驗(yàn)比較和效果分析,該手柄不僅能輸出任意角位置,,還能實(shí)現(xiàn)跟蹤角速度命令的連續(xù)變化,。其結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn),開發(fā)成本低,,有較高靈活性和穩(wěn)定性,,充分發(fā)揮軟硬件結(jié)合的潛力作用。在雷達(dá)跟蹤,、周視監(jiān)控等數(shù)字式伺服控制中有巨大應(yīng)用前景,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 介紹了幾種數(shù)字式手柄控制器的優(yōu)缺點(diǎn),針對某數(shù)字伺服系統(tǒng)實(shí)際需求,,設(shè)計(jì)了一種具有CAN總線通信功能的新型數(shù)字式手柄控制器,。根據(jù)角速度積分原理,詳細(xì)討論各部分硬件組成電路,,給出軟件流程,。通過實(shí)驗(yàn)比較和效果分析,該手柄不僅能輸出任意角位置,,還能實(shí)現(xiàn)跟蹤角速度命令的連續(xù)變化,。其結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn),開發(fā)成本低,,有較高靈活性和穩(wěn)定性,,充分發(fā)揮軟硬件結(jié)合的潛力作用。在雷達(dá)跟蹤,、周視監(jiān)控等數(shù)字式伺服控制中有巨大應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞: 伺服控制,;角位置;角增量

  角位置伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于飛行器姿態(tài)控制和檢測導(dǎo)彈制導(dǎo)控制,、雷達(dá)天線跟蹤系統(tǒng),,也在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等方面廣泛應(yīng)用,。隨著高速處理器的發(fā)展,,原有伺服系統(tǒng)的模擬控制器件逐漸被高性能數(shù)字式控制器取代。以DSP為控制核心和數(shù)字化接口的測角元件組成的數(shù)字角位置伺服控制系統(tǒng)具有精度高,、速度快,、穩(wěn)定性好以及計(jì)算機(jī)接口簡單等優(yōu)點(diǎn),極大地提高了系統(tǒng)的整體性能,。線性連續(xù)變化輸入的數(shù)字式手柄控制器替代了原先的輸出模擬信號的手柄控制器,,成為數(shù)字伺服系統(tǒng)中人機(jī)交互的重要組成部分[1-2]。本文利用數(shù)字式器件準(zhǔn)確,、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),,結(jié)合模擬式器件控制信號平滑變化、連續(xù)性好的優(yōu)點(diǎn),,設(shè)計(jì)出一種速度可變的數(shù)字式手柄控制器,。
1 設(shè)計(jì)方案
1.1 手柄介紹

    在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中,,角度用數(shù)碼表示,。測角裝置將圓周等分成2n個,每個等分單位角是δ=360°/2n,。n越大,,單位角δ越小,說明分辨率越高,。一旦δ確定,,每個輸出角位置的編碼值對應(yīng)一個角度值。通常將數(shù)字式測角裝置的二進(jìn)制位數(shù)X做為數(shù)字式角位置伺服系統(tǒng)的運(yùn)算位數(shù)n,,所以一般取手柄輸入角位置數(shù)字量位數(shù)也等于n,。例如,某數(shù)字伺服控制系統(tǒng)選用16位的測角裝置,,其輸出軸旋轉(zhuǎn)一周,,角度從0~360°變化,則編碼值從0000H~FFFFH,,再回到0000H,。此數(shù)字控制系統(tǒng)的運(yùn)算位數(shù)就是16位,手柄輸入角也是16位,。
    許多老式模擬角位置伺服系統(tǒng)的手柄控制桿是電位器形式,,通過操縱桿的偏轉(zhuǎn)角度改變電位器輸入的電信號,,實(shí)現(xiàn)角位置手動控制。其中選用的電位器調(diào)節(jié)精度必須非常高,,才能使角度轉(zhuǎn)位穩(wěn)定與準(zhǔn)確,,這無疑提高了手柄的成本。在新一代的數(shù)字式角位置伺服控制系統(tǒng)中手柄輸入有以下幾種方法:(1)電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字信號,;(2)電信號經(jīng)V/f或I/f變換后由加減法計(jì)數(shù)器形成數(shù)字信號,。這兩種方法由電信號的強(qiáng)弱來控制數(shù)字信號大小,一般國內(nèi)高精度的電位器造價非常昂貴,,若選用普通電位器其電信號不能穩(wěn)定輸出,,也不能達(dá)到理想效果;(3)加減法計(jì)數(shù)器直接形成數(shù)字信號,。它通過數(shù)值積分獲得數(shù)字信號大?。?4)直接使用高精度角位置傳感器輸出數(shù)字量,。由于成本較高,,該方法也不宜采用。

1.3 技術(shù)方案
    由于某數(shù)字伺服系統(tǒng)的角位置數(shù)字量是16位數(shù),,所以設(shè)計(jì)一個16位計(jì)數(shù)器輸出手柄角位置命令,。設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)采樣系統(tǒng)不斷采集由電位器輸出的可變的模擬電信號,將其轉(zhuǎn)化成離散數(shù)字量,,用來表示本周期內(nèi)的角增量?茲并累加到16位計(jì)數(shù)器中,。由于每個周期的角增量可以任意變化,只要采樣周期選取合適,,任意角位置命令都可以快速發(fā)出,。也實(shí)現(xiàn)了可變的角速度命令與加速度命令實(shí)時輸出。采用CAN總線通信方式實(shí)現(xiàn)手柄對伺服系統(tǒng)的控制,。CAN總線即控制器局域網(wǎng),,是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一,它是一種多主方式的串行通信總線設(shè)計(jì)規(guī)范,,具有高位速率,、高抗電磁干擾性、低成本,、極高的總線利用率等特性,,最大通信速率為1 Mb/s,最大傳輸距離達(dá)10 km,。
2 手柄設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路

    手柄電路由單片機(jī)系統(tǒng),、A/D采集、CAN總線通信、鍵盤與顯示電路等組成,。其原理圖如圖1所示,。以高速單片機(jī)為控制核心的單片機(jī)系統(tǒng),主要控制采集兩路幅值可變的雙極性模擬電壓信號,,并將其轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的數(shù)字量,,作為本周期內(nèi)的角增量值Δθ累加到16位計(jì)數(shù)器中。循環(huán)發(fā)送計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù),,通過CAN總線告知數(shù)字伺服系統(tǒng)不斷更新當(dāng)前的方位與俯仰角位置命令,。

    MCU選用LPC932芯片,它是單片封裝的增強(qiáng)型8051微控制器,,采用高性能處理器結(jié)構(gòu),,指令執(zhí)行時間只需2~4個時鐘周期[3]。執(zhí)行代碼速率是標(biāo)準(zhǔn)8051芯片的6倍,。它繼承了許多系統(tǒng)級的功能,,適合于高集成度、低成本,、低功耗的場合,,可以滿足多方面的性能要求。
    A/D采集芯片選用Analog Device的AD976A,。它是一款單路高速,、低功耗、16位的并行ADC,,片內(nèi)帶有采樣保持器和輸出緩存,。采樣速率最高可達(dá)到200 KS/s,采用5 V單電源供電,,可對輸入雙極性±10 V范圍內(nèi)模擬電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。本設(shè)計(jì)用2片AD976A分別對方位,、俯仰兩路模擬電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,,使用FPGA作為選通轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、發(fā)出轉(zhuǎn)換命令,,并且對其他功能電路有邏輯控制的作用,,方便、準(zhǔn)確,、可靠性高,。
    通信部分采用PHILIPS公司的CAN控制器芯片SJA1000和CAN總線驅(qū)動器PCA82C50。CAN總線通信具有Basic CAN和Peli CAN兩種工作模式,。Basic CAN工作在CAN2.0A協(xié)議,,Peli CAN工作在CAN2.0B協(xié)議。在本設(shè)計(jì)中考慮到通信節(jié)點(diǎn)不多,故采用了Basic CAN工作模式,。設(shè)置總線通信波特率為200 KB/s,,總線的驅(qū)動器選用PCA82C50,它是協(xié)議控制器和物理傳輸線路間的接口芯片,,此器件對總線上的數(shù)據(jù)提供差動發(fā)送與接收能力,。在控制器和收發(fā)器之間采用高速光電耦合器6N137,提高了系統(tǒng)的抗干擾性能和安全性能[4],。
    顯示電路采用8279芯片驅(qū)動兩個4位LED顯示,,用來實(shí)時輸出顯示方位和俯仰角命令值,以便及時與數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中人機(jī)界面的實(shí)際方位,、俯仰角位置進(jìn)行比較,,分析其伺服控制性能。角位置命令也可由鍵盤輸入,,用來測試數(shù)字伺服系統(tǒng)的階躍信號響應(yīng),。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)對手柄控制器方位、俯仰角位置輸出量的技術(shù)要求,,結(jié)合硬件電路構(gòu)成,,系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能:
    (1)模擬電信號的快速A/D采集,通過極性判斷后,,獲得單位周期內(nèi)的角增量Δθ,,將其累加入角位置命令寄存器。
    (2)CAN總線通信初始化,、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送及配置鍵盤中斷,、驅(qū)動顯示模塊。
    軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示,。流程圖包括系統(tǒng)初始化,、單位周期內(nèi)角增量測量、計(jì)算方位,、俯仰角位置命令和CAN總線數(shù)據(jù)通信,。

 

 


3 實(shí)驗(yàn)分析
    普通電位器的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性較差,并且受到電源電路的紋波影響,,使得電位器輸出模擬電信號的紋波較大,,在±30 mV之間。而AD976A的轉(zhuǎn)換精度是0.3 mV,,這樣得到的16位數(shù)字量不停跳變,,難以達(dá)到功能要求。所以將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量取高8位表示角增量?駐θ,,犧牲A/D采集轉(zhuǎn)換精度來換取穩(wěn)定,、不跳變的數(shù)字量。
    雖然表示單位周期角增量的范圍降低到-256~+255,測得采樣周期是5 ms,,但它可以提供的角速度命令最高可達(dá)280°/s,,在角位置伺服跟蹤系統(tǒng)中已滿足最高速度要求。所以本設(shè)計(jì)方案克服了普通電位器調(diào)節(jié)精度差和電源紋波大的影響,。
    圖3(a)是用加減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的角位置命令,。圖3(b)是設(shè)計(jì)出的16位數(shù)字式手柄控制器用示波器測試角增量變化和角位置命令數(shù)字量D/A轉(zhuǎn)換后的曲線圖。角位置命令是0000H,,電壓是-5 V,,當(dāng)角位置命令連續(xù)變化到FFFFH時,電壓是+5 V,,超過此位置電壓又重新回到-5 V,,即在0000H。角位置變化曲線的斜率即是角速度,。

    從圖中角位置變化曲線看出,,用此方案設(shè)計(jì)的手柄控制器只能實(shí)現(xiàn)角速度恒定的角位置命令變化。比較兩圖可以分析得出,,本文設(shè)計(jì)的手柄控制器不僅可以輸出任意角位置量,,還可輸出連續(xù)變化的跟蹤角速度。
    本文依據(jù)角速度積分原理,,選用高性能增強(qiáng)型單片機(jī)與高速率的轉(zhuǎn)換芯片,,設(shè)計(jì)出一種新型數(shù)字式手柄控制器。在角位置數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中,,既能輸出任意角位置命令,,又能實(shí)現(xiàn)跟蹤角速度命令的連續(xù)可變。具有結(jié)構(gòu)簡單,、集成度高,、系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)、數(shù)字量輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),。并且應(yīng)用先進(jìn)的CAN總線技術(shù),,優(yōu)化了通信平臺,為進(jìn)一步拓展手柄控制功能和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化伺服系統(tǒng)的控制與管理奠定基礎(chǔ),。適于在雷達(dá)跟蹤,、周視監(jiān)控等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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