隨著半導體和計算機技術的發(fā)展，單片機技術也得到迅速發(fā)展。利用單片機進行產品開發(fā)，最明顯的優(yōu)點是可大大縮短開發(fā)周期、降低成本和提升產品競爭力。由于速度和功能的擴展，單片機的應用領域也可以方便拓展到許多高端技術場合，尤其與一些大規(guī)模邏輯或時序芯片(如CPLD、FPGA等)配合使用，使得以前的單片機只能用于低端場合的情況得到巨大改善。單片機編程方便、使用靈活、可移植性強、可結構設計及可直接操作計算機硬件、生成的代碼質量高的特點，在很大程度上推廣了單片機的使用。
    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。復雜可編程邏輯器件CPLD的日益成熟，使其在各個領域得到了強有力的推廣和成功應用。本文在以高速單片機C8051F120和EPM570T144為核心的基礎上設計了包括伺服控制器、增量式編碼器、ABZ碼數據采集、PWM電機控制信號產生、GPS數據信號處理以及和LCD數據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，在望遠鏡控制系統(tǒng)中應用，驗證了其可行性。
1 系統(tǒng)功能說明
    望遠鏡控制系統(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控制信號產生模塊、控制的算法實現(xiàn)、功率驅動等環(huán)節(jié)；時統(tǒng)系統(tǒng)為各個分系統(tǒng)產生同步信號和時間信息等，提供的輸出接口具有差分或TTL電平方式。整個控制板功能原理圖如圖1所示。
    圖1中，單片機負責控制算法的實現(xiàn)和外部控制接口，如速度控制器和位置控制器算法、LCD顯示內容的控制、與外部的通訊和A/D采樣等；CPLD負責各種邏輯電路的實現(xiàn)，如ABZ碼可逆計數，PWM控制波形產生，各種開關量輸入接口。CPLD具有的諸多功能大大減輕了CPU的負擔， CPU則只從CPLD接收數據進行處理，完成PID的控制算法，輸出控制變量到CPLD。

2 硬件系統(tǒng)設計
2.1 單片機簡介
    選用新華龍C8051F120單片機，其是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有64個數字I/O引腳(100腳TQFP封裝)。具有下列主要特性[1]：高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(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；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RAM；可尋址64 KB地址空間的外部數據存儲器接口；硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和2個UART串行接口；5個通用的16 bit定時器等。
2.2 CPLD
    CPLD選用ALTERA公司的低成本低功耗MAXⅡ系列的EPM570T144，含有570個邏輯單元（LE），等效于440個宏單元；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 數為76，最快速度為4.5 ns，內部最大時鐘頻率304 MHz，完全滿足系統(tǒng)設計要求。完成與MCU的數據總線和地址總線接口電路、外部定時中斷電路、譯碼電路、PWM脈沖發(fā)生電路、倍頻鑒向電路、計數電路、故障保護電路等功能。
2.3 GPS模塊
    GPS接收機模塊選用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、靈敏性好及價格低廉等諸多優(yōu)點。它的接收機類型為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，啟動時間短。
2.4 通信接口RS232
    本系統(tǒng)設計為帶有兩通道的標準RS232通信接口，完成外界與系統(tǒng)內部的通信功能。在控制系統(tǒng)功能下，外接上位機，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制信號輸入，同時亦可把實時信號通過通信口傳送至下位機，處理實時采樣數據。在GPS系統(tǒng)工作模式下，選用其一作為GPS衛(wèi)星數據信號的輸入通道，接收GPS模塊傳送進來的數據信息，在主控器單片機中對其進行解析和其他操作；同時，選用另一通信通道作為數據信息傳輸功能，完成對解析數據信息的實時傳輸，對于與此相連的下位機可以完成其他相應功能。
2.5 PWM波形產生模塊
    控制系統(tǒng)中，根據電機運轉的實際情況對電動機轉速進行控制，通過相應算法在線實時調節(jié)PWM波形占空比來達到目的，調節(jié)質量的好壞取決于控制系統(tǒng)的硬件條件及軟件算法。其PWM產生電路如圖2所示。

    由于在控制望遠鏡方位及俯仰電機運轉的過程中，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。通過在單片機內的控制信號調節(jié)CPLD中控制信號，可實現(xiàn)對直流電機的單雙極性、運轉方向及使能的控制。
2.6 編碼器計數模塊
    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運轉方向及位置，清零信號Z每過零點一次則產生一次脈沖[5]。本文采用CPLD實現(xiàn)對此編碼器信號的解析，可降低設計成本、減少PCB面積。經過圖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，對波形進行整形、數字濾波處理，再細分，進辨向電路[6]，最后由可逆計數電路完成對脈沖的計數，輸出32 bit的二進制碼值，單片機對計數值讀取獲得位置值。

2.7 LCD液晶顯示
    LCD模塊選用LM6800，它是256×64全圖形點陣的液晶顯示模塊，指令簡單，易于操作，適合與本設計所選用的C8051F120主控制器結合使用，LCD液晶顯示范圍亦可滿足本設計所涉及到的相應顯示信息。
2.8 I/O接口
    C8051F120的又一特點是I/O接口豐富，可以方便地實現(xiàn)絕大部分功能，包括如前所述的編碼器AB碼輸入及計數信號、控制信號、通信信號等。此外，CPLD芯片還包括GPS秒脈沖同步時鐘信號的多路輸出。CPLD的全局時鐘為100 MHz，對其分頻處理給內部各個模塊，如計數模塊電路、PWM處理電路和單片機的中斷信號，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9 通道的可編程模擬多路選擇器(AMUX0)，一個可編程增益放大器(PGA0)和一個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、數據轉換方式及窗口檢測器都可用軟件通過設置特殊功能寄存器控制。
3 軟件設計
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，判斷單片機所接收的GPS信息，若為幀頭起始符‘$’，則進行數據信息的接收并進行圖示中以下各步驟的數據處理，最后把所需要的日期、時間、經緯度和海拔高度數據信息顯示于LCD液晶顯示屏上，并把這些數據進行數據壓縮打包，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)
    在控制算法的實現(xiàn)上采用內?？刂?，其設計思路是將對象模型與實際對象相并聯(lián)，控制器逼近模型的動態(tài)逆，對單變量系統(tǒng)而言內?？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系統(tǒng)的魯棒性。模型和被控對象模型精確匹配時，控制系統(tǒng)的輸入等于輸出。內?？刂颇軌蚯宄乇砻髡{節(jié)參數和閉環(huán)響應及魯棒性的關系，內?？刂破鞯膭討B(tài)特性取決于內部模型與被控對象的匹配情況[3，4]。在工業(yè)過程中，與經典PID控制相比，內?？刂苾H有一個整定參數，參數調整與系統(tǒng)動態(tài)品質和魯棒性的關系比較明確，故采用內?？刂圃砜梢蕴岣逷ID控制器的設計水平。也由于參數調節(jié)簡單，此算法利于單片機程序實現(xiàn)。
    大型光電望遠鏡屬于大慣量系統(tǒng)，機械時間常數遠大于電氣時間常數，故可忽略電氣時間常數的影響，對象的速度傳遞函數可簡化為：

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

    本文通過高速單片機C8051F120和大規(guī)模CPLD實現(xiàn)了望遠鏡多個分系統(tǒng)的整合，滿足了多功能和實時性要求，提供了低成本的解決方案，并用實驗驗證了其可行性。通過功能選擇可方便用于伺服控制器、編碼器數據采集顯示等各種應用中，可大大降低成本，提高產品競爭力，具有一定的實用價值。
參考文獻
[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微控制器數據手冊，Rev 1.3.2004，12.
[2] U-blox 5 NMEA UBX Protocol Specification.Ublox corporation datasheet.
[3] 李洪文.基于內模PID控制的大型望遠鏡伺服系統(tǒng)研究. 光學精密工程，2009，7(2)：327-332.
[4] 李洪文，張斌，陰玉梅.大型光電望遠鏡高集成智能伺服系統(tǒng)設計.機床與液壓，2009，37(8)：323-326.
[5] 徐祿勇，李尚柏，鐘睿.基于MCU+CPLD的新型光柵數顯系統(tǒng)設計.國外電子元器件，2008(5)：8-10，14.
[6] 金鋒，盧楊，王文松，等.光柵四倍頻細分電路模塊的分析與設計.北京理工大學學報，2006，26(12)：1073-1076.