《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于C8051F120和CPLD的多功能望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第9期
李洪文,陰玉梅,劉金星
中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春130033
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(tái)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: CPLD C8051F120 GPS PWM 電機(jī)控制
中圖分類(lèi)號(hào): TP23
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)09-0036-03
Design of multifunction telescope control system based on C8051F120 and CPLD
LI Hong Wen,YIN Yu Mei,LIU Jin Xing
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033,China
Abstract: A multifunction control system of the two-axis large telescope is designed based on C8051F120 and EPM570T144, which includs DC motor servo controller, GPS time system, incremental encoder counter, PWM module, LCD display, communication, AD sample etc. It has characteristics of low cost, multifunction, small volume, abundant interface and protection design.
Key words : C8051F120;CPLD;GPS;PWM;motor control;incremental encoder

    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(kāi)發(fā),最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可大大縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本和提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(chǎng)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(wèn)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(hào)產(chǎn)生、GPS數(shù)據(jù)信號(hào)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(shuō)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(hào)產(chǎn)生模塊、控制的算法實(shí)現(xiàn)、功率驅(qū)動(dòng)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(hào)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(kāi)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(jiǎn)介

    選用新華龍C8051F120單片機(jī),其是完全集成的混合信號(hào)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(kāi)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(chǔ)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(chǔ)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(hù)Flash存儲(chǔ)器,可滿(mǎn)足用戶(hù)小容量信息存儲(chǔ)要求;最大用戶(hù)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(mǎn)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(hào)模塊,因其使用U-blox公司LEA-5S型號(hào)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(lèi)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(dòng)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(duì)系統(tǒng)的控制信號(hào)輸入,同時(shí)亦可把實(shí)時(shí)信號(hào)通過(guò)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(hào)的輸入通道,接收GPS模塊傳送進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)信息,在主控器單片機(jī)中對(duì)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(duì)解析數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸,對(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,通過(guò)相應(yīng)算法在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM波形占空比來(lái)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(guò)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(guò)在單片機(jī)內(nèi)的控制信號(hào)調(diào)節(jié)CPLD中控制信號(hào),可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào),通過(guò)對(duì)A、B碼信號(hào)90°相位差的識(shí)別來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向及位置,清零信號(hào)Z每過(guò)零點(diǎn)一次則產(chǎn)生一次脈沖[5]。本文采用CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)此編碼器信號(hào)的解析,可降低設(shè)計(jì)成本、減少PCB面積。經(jīng)過(guò)圖3所示的編碼器信號(hào)處理電路后,輸出TTL電平的A、B、Z信號(hào)到CPLD,對(duì)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(duì)脈沖的計(jì)數(shù),輸出32 bit的二進(jìn)制碼值,單片機(jī)對(duì)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(jiǎn)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(mǎn)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(hào)、控制信號(hào)、通信信號(hào)等。此外,CPLD芯片還包括GPS秒脈沖同步時(shí)鐘信號(hào)的多路輸出。CPLD的全局時(shí)鐘為100 MHz,對(duì)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(hào),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(cè)器。AMUX0、PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測(cè)器都可用軟件通過(guò)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(guò)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)模控制,其設(shè)計(jì)思路是將對(duì)象模型與實(shí)際對(duì)象相并聯(lián),控制器逼近模型的動(dòng)態(tài)逆,對(duì)單變量系統(tǒng)而言?xún)?nèi)模控制器取為模型最小相位部分的逆,并通過(guò)附加低通濾波器以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。模型和被控對(duì)象模型精確匹配時(shí),控制系統(tǒng)的輸入等于輸出。內(nèi)??刂颇軌蚯宄乇砻髡{(diào)節(jié)參數(shù)和閉環(huán)響應(yīng)及魯棒性的關(guān)系,內(nèi)??刂破鞯膭?dòng)態(tài)特性取決于內(nèi)部模型與被控對(duì)象的匹配情況[3,4]。在工業(yè)過(guò)程中,與經(jīng)典PID控制相比,內(nèi)??刂苾H有一個(gè)整定參數(shù),參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確,故采用內(nèi)模控制原理可以提高PID控制器的設(shè)計(jì)水平。也由于參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)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(duì)象的速度傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)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(cè)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(mǎn)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(guò)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(mǎn)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(guò)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(jìng)爭(zhēng)力,具有一定的實(shí)用價(jià)值。
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