基于CAN總線(xiàn)的多天線(xiàn)控制器設(shè)計(jì)及PID實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察雷達(dá)多部天線(xiàn)的計(jì)算機(jī)控制，天線(xiàn)控制系統(tǒng)采用了基于CAN總線(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。基于對(duì)天線(xiàn)方位信號(hào)數(shù)字化原理的分析，設(shè)計(jì)了位置隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路，給出了天線(xiàn)控制系統(tǒng)的PID控制算法，通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)，較好地控制了天線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了天線(xiàn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)控制臺(tái)對(duì)多部天線(xiàn)的控制。
關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)；天線(xiàn)方位；方位信號(hào)；PID控制

O 引言
    雷達(dá)偵察設(shè)備由于要對(duì)從幾百兆赫至幾十吉赫的頻段進(jìn)行偵察接收，為了保證天線(xiàn)的電氣特性，同時(shí)便于跟蹤不同波段的多個(gè)目標(biāo)，往往采用多部天線(xiàn)。以往對(duì)天線(xiàn)的控制多采用相互獨(dú)立的方式，每一部天線(xiàn)有對(duì)應(yīng)的一套控制系統(tǒng)，其結(jié)果不僅是設(shè)備量大，故障率高，而且操作起來(lái)也不方便。為了簡(jiǎn)化對(duì)多部天線(xiàn)的控制，可以利用CAN總線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)為多主總線(xiàn)，具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的功能，它采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，可以根據(jù)總線(xiàn)上不同節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)高(低)安排數(shù)據(jù)的傳輸次序，節(jié)省了總線(xiàn)仲裁時(shí)間，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(5 Kb／s)，通訊速率最高可達(dá)1 Mb／s(40 m)。此外，CAN協(xié)議能夠?qū)νㄐ艛?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)100個(gè)以上。某雷達(dá)偵察設(shè)備中共有六部天線(xiàn)，對(duì)應(yīng)于六個(gè)不同的波段，每部天線(xiàn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，操作臺(tái)作為上位節(jié)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)靈活地控制軟件，完成對(duì)各天線(xiàn)掃描方式、掃描速度及掃描范圍的設(shè)定及PID控制。

1 CAN總線(xiàn)多夫線(xiàn)控制系統(tǒng)的組成
    多天線(xiàn)控制系統(tǒng)由本地控制組件、CAN總線(xiàn)和天線(xiàn)控制器組成，如圖1所示。其中本地控制組件包括本控面板、電源、微處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)責(zé)天線(xiàn)的位置信息采集和電機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)；CAN總線(xiàn)采用CAN 2．0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口芯片采用SJA1000，完成物理鏈路層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層功能；天線(xiàn)控制器包括顯示面板、控制按鍵、手輪、微處理器等，用于接收用戶(hù)操作指令，顯示指定天線(xiàn)的狀態(tài)和控制天線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式。

    在由CAN總線(xiàn)構(gòu)成的天線(xiàn)控制系統(tǒng)中，天線(xiàn)控制器和本地控制組件各分配一個(gè)固定的CAN網(wǎng)絡(luò)地址，天線(xiàn)控制器通過(guò)面板選擇所要控制的天線(xiàn)編號(hào)，將該天線(xiàn)的工作方式(扇掃、環(huán)掃、手動(dòng))、工作參數(shù)(扇掃邊界、掃描速度)等發(fā)送到所選天線(xiàn)的本地控制組件，再由本地控制組件根據(jù)天線(xiàn)控制器給出的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)的控制，并將天線(xiàn)的當(dāng)前參數(shù)(方位、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向)通過(guò)CAN總線(xiàn)傳送到天線(xiàn)控制器上顯示。手動(dòng)方式時(shí)，所選天線(xiàn)的本地控制組件根據(jù)天線(xiàn)控制器手輪的控制信息和跟隨算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)的手動(dòng)位置控制。

2 方位傳感器的數(shù)字化設(shè)計(jì)
    在對(duì)天線(xiàn)位置信息的采集中，方位傳感器采用同步機(jī)電路實(shí)現(xiàn)。其中，定子線(xiàn)圈加入工頻激磁電壓，轉(zhuǎn)子的三相電壓幅度受定子與轉(zhuǎn)子相對(duì)角度的調(diào)制，三個(gè)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈之間相互間隔120°放置。在模擬信號(hào)傳輸中，同步接收機(jī)會(huì)根據(jù)三相電壓幅度的變化跟隨同步機(jī)做同步旋轉(zhuǎn)，達(dá)到傳輸角度信號(hào)之目的。為了便于與微處理器的連接，輸出的方位信號(hào)還必須做數(shù)字化處理。
    設(shè)同步機(jī)定子加激磁電壓Vo=Vmsinωt，三個(gè)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈的電壓方程為：
    
    式中：K為轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的變壓比；θ為轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)角；ω為工頻激磁電壓的角頻率。
    由此可知，在激磁電壓正峰值時(shí)，對(duì)三個(gè)電壓取值，則V1，V2，V3與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為：
    
    將轉(zhuǎn)角θ從0～360°劃分為12個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間30°，則可將同步機(jī)三相電壓幅度隨轉(zhuǎn)子角度變化的曲線(xiàn)繪制如圖2所示。

    如果用V1-V2，V2-V3，V3-V1以及V1，V2，V3中絕對(duì)值最小的信號(hào)Vx的極性來(lái)表示這12個(gè)區(qū)間，則很容易得到各區(qū)間的二進(jìn)制代碼，如表1所示。例如：當(dāng)θ角在0～30°時(shí)，V1-V2為正，V2-V3為負(fù)，V3-V1為正，而此時(shí)V1的絕對(duì)值最小，即Vx=V1，其值為正，則該區(qū)間可以用(10 11)B表示。

    進(jìn)一步，對(duì)此時(shí)的Vx信號(hào)做歸一化處理后再進(jìn)行反正弦運(yùn)算，其結(jié)果是單調(diào)的，且計(jì)算出的角度值α介于0～30°之間。根據(jù)θ角所在的區(qū)間，就可求出當(dāng)前天線(xiàn)的方位。
    根據(jù)以上分析，可以將方位信號(hào)數(shù)字化過(guò)程簡(jiǎn)述如下：在激磁工頻信號(hào)的正峰值點(diǎn)生成采樣脈沖信號(hào)CP0和微處理器中斷信號(hào)CP1，控制三路采樣保持電路同時(shí)對(duì)分壓后的同步機(jī)三相電壓進(jìn)行采樣保持，選擇絕對(duì)值最小的一路信號(hào)送A／D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)判斷其正負(fù)；區(qū)間代碼生成電路根據(jù)對(duì)三路采樣信號(hào)的比較和最小信號(hào)的正負(fù)，確定θ角所處區(qū)間的代碼；微處理器響應(yīng)中斷，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，求得α值，同時(shí)讀取θ角所處區(qū)間代碼，根據(jù)表1給出的區(qū)間計(jì)算公式，確定θ角的具體數(shù)值送本地面板顯示，并通過(guò)CAN總線(xiàn)上傳天線(xiàn)控制器。
    方位數(shù)字化電路原理框圖如圖3所示。

    從圖2可以看出，在0～30°區(qū)間內(nèi)正弦曲線(xiàn)可近似為線(xiàn)性區(qū)間，為進(jìn)一步提高精度，可以按照正弦函數(shù)曲線(xiàn)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)行補(bǔ)償，以滿(mǎn)足精確測(cè)量的需要。同時(shí)，為避免因激磁電壓的波動(dòng)引起A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值在區(qū)間之間的跳動(dòng)，A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓應(yīng)與激磁電壓的幅度按比例浮動(dòng)。

3 位置隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器接口設(shè)計(jì)
    旋轉(zhuǎn)編碼器是隨動(dòng)控制中常用的接口部件，這里選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，它由涂有莫爾條紋的編碼盤(pán)和光電檢測(cè)裝置構(gòu)成，編碼盤(pán)上涂有兩道相差90°的黑白相間隔柵，分別稱(chēng)之為A道和B道。工作時(shí)，光電檢測(cè)器發(fā)出可見(jiàn)光照射在編碼盤(pán)上，當(dāng)編碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光發(fā)射管裝置照過(guò)隔柵，光敏接收管便會(huì)產(chǎn)生通(斷)的脈沖輸出信號(hào)。由于A，B道相位差為90°，因此其輸出脈沖也有90°的相差。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90°；反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90°。
    如果直接采樣A、B兩路信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)會(huì)比較復(fù)雜。為便于計(jì)算機(jī)處理，可將旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B兩路信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)變換，生成方向信號(hào)DIR和增量計(jì)數(shù)脈沖CLK。圖4給出了旋轉(zhuǎn)編碼器的接口電路以及相應(yīng)的波形。為防止因機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的波形邊緣的抖動(dòng)，接口電路的輸入應(yīng)采用施密特型。

    圖4中C點(diǎn)的方波周期是A或B信號(hào)周期的1／2。為了在手輪低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，防止由于A或B信號(hào)周期過(guò)大而影響計(jì)數(shù)器的正常工作，可將C點(diǎn)波形與經(jīng)緩存器延遲后的波形E相異或，從而得到增量計(jì)數(shù)脈沖CLK，其周期應(yīng)是C周期的1／2，即為A或B信號(hào)周期的1／4，實(shí)現(xiàn)A或B信號(hào)頻率的四倍頻細(xì)分。為便于計(jì)算機(jī)識(shí)別手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，電路中增加了方向信號(hào)DIR，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90°，此時(shí)DIR輸出為高電平；反之，DIR輸出為低電平。

4 天線(xiàn)的PID控制
    圖5給出了天線(xiàn)的PID控制原理。如圖5(a)所示，在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID的控制規(guī)律可以寫(xiě)成如下形式：
    
    式中：u(t)為PID控制器的輸出或稱(chēng)為被控對(duì)象的控制輸入；ε(t)為偏差；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。
    為在數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PID控制，需將連續(xù)PID控制規(guī)律離散成離散型PID控制規(guī)律，即用差分方程來(lái)表示：

    天線(xiàn)的離散型PID控制方案如圖5(b)所示。在該方案中，天線(xiàn)的工作方式分為自動(dòng)掃描和手動(dòng)掃描兩種。自動(dòng)掃描方式下，天線(xiàn)控制器選擇設(shè)定相應(yīng)天線(xiàn)的掃描轉(zhuǎn)速。由于不同波段的天線(xiàn)尺寸不同，各個(gè)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不盡相同，因此需要通過(guò)調(diào)整相應(yīng)天線(xiàn)的比例積分和微分常數(shù)，來(lái)使天線(xiàn)的控制達(dá)到期望的特性。而在手動(dòng)掃描時(shí)，天線(xiàn)控制器將手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，經(jīng)位置隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器變換為對(duì)天線(xiàn)的控制輸出，通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)時(shí)傳遞給指定天線(xiàn)的本地控制組件，由本地控制組件中的PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)的手動(dòng)控制，從而達(dá)到手動(dòng)跟蹤目標(biāo)之目的。

5 結(jié)語(yǔ)
    CAN總線(xiàn)技術(shù)已在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用CAN總線(xiàn)，結(jié)合天線(xiàn)方位的數(shù)字化接口設(shè)計(jì)，將分布式微處理器聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了多天線(xiàn)的數(shù)字化PID控制，簡(jiǎn)化了天線(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了天線(xiàn)控制的精度與穩(wěn)定性。