基于C8051F120和CPLD的多功能望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 基于C8051F120和大規(guī)模CPLD(EPM570T144)設(shè)計(jì)的多功能望遠(yuǎn)鏡大型轉(zhuǎn)臺兩軸控制系統(tǒng)，包括兩軸直流電機(jī)伺服控制器、GPS時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)、增量式編碼器采樣讀數(shù)、PWM功能模塊、LCD顯示功能、通信功能、AD采樣功能等。功能齊全，結(jié)構(gòu)緊湊，外部接口豐富且具有保護(hù)功能，可靠性高。
關(guān)鍵詞： C8051F120；CPLD；GPS；PWM；電機(jī)控制；增量式編碼器

隨著半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)也得到迅速發(fā)展。利用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可大大縮短開發(fā)周期、降低成本和提升產(chǎn)品競爭力。由于速度和功能的擴(kuò)展，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也可以方便拓展到許多高端技術(shù)場合，尤其與一些大規(guī)模邏輯或時(shí)序芯片(如CPLD、FPGA等)配合使用，使得以前的單片機(jī)只能用于低端場合的情況得到巨大改善。單片機(jī)編程方便、使用靈活、可移植性強(qiáng)、可結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及可直接操作計(jì)算機(jī)硬件、生成的代碼質(zhì)量高的特點(diǎn)，在很大程度上推廣了單片機(jī)的使用。
電子系統(tǒng)的集成化不僅解決了系統(tǒng)的體積、重量問題，也大大提高了系統(tǒng)的可靠性。復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD的日益成熟，使其在各個(gè)領(lǐng)域得到了強(qiáng)有力的推廣和成功應(yīng)用。本文在以高速單片機(jī)C8051F120和EPM570T144為核心的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了包括伺服控制器、增量式編碼器、ABZ碼數(shù)據(jù)采集、PWM電機(jī)控制信號產(chǎn)生、GPS數(shù)據(jù)信號處理以及和LCD數(shù)據(jù)顯示等功能模塊的一種多功能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)成本低、功能全，在望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)中應(yīng)用，驗(yàn)證了其可行性。
1 系統(tǒng)功能說明
望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)包括很多分系統(tǒng)，如伺服系統(tǒng)、編碼器系統(tǒng)、時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)包括編碼器的位置/速度采樣模塊、PWM控制信號產(chǎn)生模塊、控制的算法實(shí)現(xiàn)、功率驅(qū)動等環(huán)節(jié)；時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)為各個(gè)分系統(tǒng)產(chǎn)生同步信號和時(shí)間信息等，提供的輸出接口具有差分或TTL電平方式。整個(gè)控制板功能原理圖如圖1所示。
圖1中，單片機(jī)負(fù)責(zé)控制算法的實(shí)現(xiàn)和外部控制接口，如速度控制器和位置控制器算法、LCD顯示內(nèi)容的控制、與外部的通訊和A/D采樣等；CPLD負(fù)責(zé)各種邏輯電路的實(shí)現(xiàn)，如ABZ碼可逆計(jì)數(shù)，PWM控制波形產(chǎn)生，各種開關(guān)量輸入接口。CPLD具有的諸多功能大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)， CPU則只從CPLD接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成PID的控制算法，輸出控制變量到CPLD。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)簡介
選用新華龍C8051F120單片機(jī)，其是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳(100腳TQFP封裝)。具有下列主要特性[1]：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(100 MIPS或50 MIPS)；真正12 bit、100 kS/s的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；2周期的16×16乘法和累加引擎；128 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器；8 448(8 K+256)B的片內(nèi)RAM；可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和2個(gè)UART串行接口；5個(gè)通用的16 bit定時(shí)器等。
2.2 CPLD
CPLD選用ALTERA公司的低成本低功耗MAXⅡ系列的EPM570T144，含有570個(gè)邏輯單元（LE），等效于440個(gè)宏單元；8 192 bit的用戶Flash存儲器，可滿足用戶小容量信息存儲要求；最大用戶I/O 數(shù)為76，最快速度為4.5 ns，內(nèi)部最大時(shí)鐘頻率304 MHz，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。完成與MCU的數(shù)據(jù)總線和地址總線接口電路、外部定時(shí)中斷電路、譯碼電路、PWM脈沖發(fā)生電路、倍頻鑒向電路、計(jì)數(shù)電路、故障保護(hù)電路等功能。
2.3 GPS模塊
GPS接收機(jī)模塊選用XW-GPS100型號模塊，因其使用U-blox公司LEA-5S型號GPS芯片接收衛(wèi)星信息，所以具有體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏性好及價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。它的接收機(jī)類型為50通道的性能引擎的GPS L1 C/A碼，具有4 Hz的最大更新速率，定位精度為2.5 m，啟動時(shí)間短。
2.4 通信接口RS232
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為帶有兩通道的標(biāo)準(zhǔn)RS232通信接口，完成外界與系統(tǒng)內(nèi)部的通信功能。在控制系統(tǒng)功能下，外接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制信號輸入，同時(shí)亦可把實(shí)時(shí)信號通過通信口傳送至下位機(jī)，處理實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)。在GPS系統(tǒng)工作模式下，選用其一作為GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號的輸入通道，接收GPS模塊傳送進(jìn)來的數(shù)據(jù)信息，在主控器單片機(jī)中對其進(jìn)行解析和其他操作；同時(shí)，選用另一通信通道作為數(shù)據(jù)信息傳輸功能，完成對解析數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸，對于與此相連的下位機(jī)可以完成其他相應(yīng)功能。
2.5 PWM波形產(chǎn)生模塊
控制系統(tǒng)中，根據(jù)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際情況對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，通過相應(yīng)算法在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM波形占空比來達(dá)到目的，調(diào)節(jié)質(zhì)量的好壞取決于控制系統(tǒng)的硬件條件及軟件算法。其PWM產(chǎn)生電路如圖2所示。

由于在控制望遠(yuǎn)鏡方位及俯仰電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，采用的是雙極性控制模式，所以在上述PWM輸出模塊后需要加入死區(qū)電路，防止雙極性模式下的二極管直通現(xiàn)象發(fā)生。通過在單片機(jī)內(nèi)的控制信號調(diào)節(jié)CPLD中控制信號，可實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的單雙極性、運(yùn)轉(zhuǎn)方向及使能的控制。
2.6 編碼器計(jì)數(shù)模塊
選用高精度的增量式光電編碼器作為位置和速度傳感器。其輸出端包括A、B、Z三種信號，通過對A、B碼信號90°相位差的識別來判斷電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向及位置，清零信號Z每過零點(diǎn)一次則產(chǎn)生一次脈沖[5]。本文采用CPLD實(shí)現(xiàn)對此編碼器信號的解析，可降低設(shè)計(jì)成本、減少PCB面積。經(jīng)過圖3所示的編碼器信號處理電路后，輸出TTL電平的A、B、Z信號到CPLD，對波形進(jìn)行整形、數(shù)字濾波處理，再細(xì)分，進(jìn)辨向電路[6]，最后由可逆計(jì)數(shù)電路完成對脈沖的計(jì)數(shù)，輸出32 bit的二進(jìn)制碼值，單片機(jī)對計(jì)數(shù)值讀取獲得位置值。

2.7 LCD液晶顯示
LCD模塊選用LM6800，它是256×64全圖形點(diǎn)陣的液晶顯示模塊，指令簡單，易于操作，適合與本設(shè)計(jì)所選用的C8051F120主控制器結(jié)合使用，LCD液晶顯示范圍亦可滿足本設(shè)計(jì)所涉及到的相應(yīng)顯示信息。
2.8 I/O接口
C8051F120的又一特點(diǎn)是I/O接口豐富，可以方便地實(shí)現(xiàn)絕大部分功能，包括如前所述的編碼器AB碼輸入及計(jì)數(shù)信號、控制信號、通信信號等。此外，CPLD芯片還包括GPS秒脈沖同步時(shí)鐘信號的多路輸出。CPLD的全局時(shí)鐘為100 MHz，對其分頻處理給內(nèi)部各個(gè)模塊，如計(jì)數(shù)模塊電路、PWM處理電路和單片機(jī)的中斷信號，由100 MHz分頻成1 MHz、1 kHz、500 Hz、50 Hz。
2.9 A/D采樣
C8051F120的ADC0 子系統(tǒng)包括一個(gè)9 通道的可編程模擬多路選擇器(AMUX0)，一個(gè)可編程增益放大器(PGA0)和一個(gè)100 kS/s、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。AMUX0、PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過設(shè)置特殊功能寄存器控制。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 GPS系統(tǒng)
圖4所示為GPS全球定位系統(tǒng)的主程序流程圖[2]。在主控制系統(tǒng)及LCD初始化之后，判斷單片機(jī)所接收的GPS信息，若為幀頭起始符‘$’，則進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的接收并進(jìn)行圖示中以下各步驟的數(shù)據(jù)處理，最后把所需要的日期、時(shí)間、經(jīng)緯度和海拔高度數(shù)據(jù)信息顯示于LCD液晶顯示屏上，并把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮打包，且在GPS秒脈沖的觸發(fā)下通過異步串行通信口UART1發(fā)送至其他系統(tǒng)。

3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)
在控制算法的實(shí)現(xiàn)上采用內(nèi)?？刂?，其設(shè)計(jì)思路是將對象模型與實(shí)際對象相并聯(lián)，控制器逼近模型的動態(tài)逆，對單變量系統(tǒng)而言內(nèi)?？刂破魅槟Ｐ妥钚∠辔徊糠值哪?，并通過附加低通濾波器以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。模型和被控對象模型精確匹配時(shí)，控制系統(tǒng)的輸入等于輸出。內(nèi)模控制能夠清楚地表明調(diào)節(jié)參數(shù)和閉環(huán)響應(yīng)及魯棒性的關(guān)系，內(nèi)模控制器的動態(tài)特性取決于內(nèi)部模型與被控對象的匹配情況[3，4]。在工業(yè)過程中，與經(jīng)典PID控制相比，內(nèi)模控制僅有一個(gè)整定參數(shù)，參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確，故采用內(nèi)?？刂圃砜梢蕴岣逷ID控制器的設(shè)計(jì)水平。也由于參數(shù)調(diào)節(jié)簡單，此算法利于單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。
大型光電望遠(yuǎn)鏡屬于大慣量系統(tǒng)，機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，故可忽略電氣時(shí)間常數(shù)的影響，對象的速度傳遞函數(shù)可簡化為：

4 實(shí)驗(yàn)
LCD顯示內(nèi)容包括GPS信息和電機(jī)控制信息，可由按鍵和通信要求進(jìn)行顯示內(nèi)容的切換。測得某軸速度響應(yīng)曲線如圖5。完成兩軸電機(jī)控制算法時(shí)間約為230 μs，包括讀取增量式編碼器數(shù)值、算法實(shí)現(xiàn)、PWM輸出時(shí)間等。在時(shí)間上可滿足實(shí)時(shí)性要求，而且通信口將各種狀態(tài)變量輸出到上位機(jī)，包括位置信息、速度信息、時(shí)間信息等。

本文通過高速單片機(jī)C8051F120和大規(guī)模CPLD實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡多個(gè)分系統(tǒng)的整合，滿足了多功能和實(shí)時(shí)性要求，提供了低成本的解決方案，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。通過功能選擇可方便用于伺服控制器、編碼器數(shù)據(jù)采集顯示等各種應(yīng)用中，可大大降低成本，提高產(chǎn)品競爭力，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 新華龍電子有限公司.C8051F120/1/2/3/4/5/6/7、C8051-F130/1/2/3系列混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊，Rev 1.3.2004，12.
[2] U-blox 5 NMEA UBX Protocol Specification.Ublox corporation datasheet.
[3] 李洪文.基于內(nèi)模PID控制的大型望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)研究. 光學(xué)精密工程，2009，7(2)：327-332.
[4] 李洪文，張斌，陰玉梅.大型光電望遠(yuǎn)鏡高集成智能伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)床與液壓，2009，37(8)：323-326.
[5] 徐祿勇，李尚柏，鐘睿.基于MCU+CPLD的新型光柵數(shù)顯系統(tǒng)設(shè)計(jì).國外電子元器件，2008(5)：8-10，14.
[6] 金鋒，盧楊，王文松，等.光柵四倍頻細(xì)分電路模塊的分析與設(shè)計(jì).北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(12)：1073-1076.