便携式静中通天线控制系统设计

2016-09-14李敬一北京航天光华电子技术有限公司100854

军民两用技术与产品 2016年15期

李敬一（北京航天光华电子技术有限公司，北京 100854）

便携式静中通天线控制系统设计

李敬一
（北京航天光华电子技术有限公司，北京 100854）

对便携式静中通天线控制系统的设计方法进行了论述。便携式静中通天线是一种复杂的高度集成的机电一体化产品，其控制系统主要由传感器检测部件、主控板组成，对星过程采用十字对星法，控制效果好。该系统能够通过一键对星或上位机操作进行对星，操作简单、质量轻、体积小、便于携带，适用于各种应急救灾场所。

静中通，天线，控制系统，对星

自然灾害发生时，地面通信网络容易遭到破坏，且难以快速恢复。建立先进的应急通信系统，能够为抢险救灾争取时间、减少损失。卫星通信具有覆盖面大、频带宽、容量大、适用于多种业务等优点，可以作为应急通信的一个重要手段。建立天地一体化通信网络，当发生重大灾害而导致网络瘫痪时，提供快速、可靠的应急通信覆盖，是通信网络建设中值得重视的问题。因此，便携式静中通天线应运而生。

便携式静中通天线主要完成卫星的自动对星功能，具有一键对星、易于安装、操作、集成等特点，成本低，应用广泛，具有良好的市场前景和显著的经济效益。

1 便携式静中通天线控制系统的组成

便携式静中通天线控制系统的主控板为整个控制系统的核心，主要完成天线方位、俯仰、极化三轴的控制，以及与信标机、上位机等的通讯功能，控制系统框图如图1所示。

图1　控制系统框图

2 传感器检测部件选取

2.1 俯仰轴传感器

俯仰轴位置检测单元选用倾角传感器，主要用来确定俯仰轴的位置信息，俯仰轴在升起和下降过程中位置变化缓慢，倾角传感器能够满足使用要求。

2.2 方位轴传感器

分别在天线座天线方位转动范围的左、中、右位置放置3个限位开关，上电后，天线方位轴向固定方向转动，碰触到某个限位开关时即可获取当前的绝对角度信息，如图2所示。

图2　限位开关获取绝对位置

2.3 极化轴传感器

绝对值编码器为数字量输出，输出当前的绝对角度，精度可达16位及以上，价位较高，适用于对精度要求较高的场合。考虑到本系统对精度要求较高，且用于恶劣环境，因此，选用绝对值编码器进行极化电机位置检测。

3 主控板设计

主控板上各模块及与外围传感器的通信关系如图3所示。

图3　主控板功能框图

3.1 电源模块

静中通天线控制系统的主控板供电电源电压为24V，电位计供电电压为12V，倾角传感器、绝对值码盘、信标

电源输入模块的电路如图4所示，采用贴片式肖特基二极管进行反接保护，肖特基二极管具有正向偏置电压低的特点，SK24的正向偏置电压为0.5V，损失的压降较小；选用自恢复式保险丝进行电流保护，防止在电流过大时损坏其它重要器件；SMBJ26CA稳压管用于防止浪涌，型号选用原则为击穿电压VBR为工作电压的0.85倍。

图4　电源输入模块

图5、图6分别为24V转12V模块和24V转5V模块，分别选用电压转换芯片LM2676S-12和LM2677-5，驱动能力分别为3A和5A，采用DATASHEET中的推荐电路进行设计：输入采用大电容和小电容并联的方法进行低频和高频滤波；输出电压采用低ESR的钽电容进行滤波；SR34 和6TQ045S均为肖特基二极管，当电压转换芯片突然关断时，二极管将输出电压钳位在0V以下。此外，该模块还采用稳压管及自恢复式保险丝进行过压过流保护。

图5　24V转12V

图6　24V转5V

图7、图8分别为5V转3.3V和3.3V转1.8V模块，输出采用稳压管和自恢复式保险丝进行过压过流保护。

图7　5V转3.3V

图8　3.3V转1.8V

图9为电源隔离模块，采用磁珠分别将电源隔离成数字电源、模拟电源，将地隔离成数字地和模拟地。

图9　电源隔离

3.2 主控芯片最小系统

主控芯片选用基于Cotex M3内核的控制芯片TM4C123BH6PM，具有丰富的外设和浮点运算功能；采用库函数进行编程设计，简化了开发流程，提高了效率。由于TM4C123BH6PM出色的特性，该系列芯片被广泛用于自动化与过程控制、消费类和便携式电子产品、人机界面、工业、照明等领域。

图10为主控芯片最小系统，分别采用模拟电源和数字电源进行供电，采用MAX809进行上电复位检测，16M外接无源晶振源，采用2.0间距的JTAG下载接口，小巧方便。

图10　主控芯片最小系统

3.3 A/D转换调理电路

图11为A/D（模拟/数字）转换调理电路，共两路，分别为信标机AGC电压和电位计输出电压调理电路，OPA2353为两路集成运放芯片。A/D调理电路由电压比例电路、电压跟随器和二阶压控电压低通滤波电路组成。电压比例电路通过匹配合适的电阻，将输入信号的模拟电压值降至ARM芯片A/D模块输入电压的范围（0V～3.3V）。当A/D模块的输入阻抗较小时，要求信号源的阻抗更小，这样，A/D采集才会比较精确。运放电路设计成电压跟随器，该电路具有高输入电阻、低输出电阻的特点，能够实现到A/D模块的阻抗匹配。

同时，通过一个电容将运放的输入端接到运放的输出端形成正反馈，构成二阶压控电压源低通滤波电路。以信标电路为例，在该正反馈电路中，C58使相位超前，C40使相位滞后，只要参数选择合适，可以使整个电路在法f=f0附近带有正反馈且不造成自激振荡。这样，就可使滤波电路在f=f0附近的电压增益提高，使f=f0附近的对数幅频特性曲线接近于理想的水平线。

图11　A/D转换调理电路

3.4 俯仰方位电机驱动电路

图12为俯仰方位电机驱动电路，方位电机和俯仰电机的驱动主要由外部驱动器完成，主控板需提供一路开关信号和一路脉冲信号，其中，ARM_AZPWM、ARM_EIPWM 与ARM的PWM模块相连，ARM_AZDIR、ARM_EIDIR连接ARM I/O（输入/输出）口，两路信号均通过光耦隔离输出。

图12　俯仰方位电机驱动电路

3.5 极化电机驱动电路

图13为极化电机驱动电路，采用L298进行驱动，通过参照芯片手册进行外围电路设计，同时布设4个快恢复二极管实现桥式电路，再利用单片机可编程定时器提供脉冲信号，驱动极化电机进行相应动作。

图13　极化电机驱动电路

3.6 Wi-Fi模块

图14为Wi-Fi模块设计电路，Wi-Fi模块选用USRWIFI232-B，使用方便，配置简单，人机界面友好。参照其硬件电路设计要求，设计Reload电路和指示灯电路，并将nlink管脚接到ARM的I/O口，并引出PHY的4个管脚，用于转成以太网接口。

图14　Wi-Fi模块

3.7 GPS模块设计

图15为GPS模块设计。GPS模块采用板上表贴的LEA-5S，应用成熟，外围电路简单易实现，参照技术手册设计电路。

图15　GPS模块

3.8 RS485收发模块

传统的RS485收发模块需要进行系统隔离设计，本电路采用金升阳的RS485隔离收发模块TD301D485H-E，是一款集隔离电源、信号隔离芯片、RS485收发芯片和总线保护器件于一体的RS485协议收发模块。其自带定压隔离电源，可实现2500VDC的电气隔离，并具有ESD保护功能。

考虑到线路的特殊情况（如某台分机的RS485芯片被击穿短路），为防止总线中其它分机的通信受到影响，在RS485信号输出端串联了2个10Ω的电阻R13、R19。这样，本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，其特性阻抗为120Ω左右，所以，在线路设计时，在RS485网络传输线的始端和末端各应接1只120Ω的匹配电阻（见图14中的R17），以减少线路上传输信号的反射。

由于RS485芯片的特性，接收器的检测灵敏度为±200mV，即差分输入端VA-VB≥+200mV，输出逻辑1，VA-VB≤-200mV，输出逻辑0；而A、B端电位差的绝对值小于200mV时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出逻辑0，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的方法是人为地使A端电位高于B两端电位，这样，RXD的电平在RS485总线不发送期间（总线悬浮时）呈现唯一的高电平，ARM就不会被误中断而收到乱字符。通过在RS485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻R11、R20，即可很好地解决这个问题。同时，RS485收发器的输出端分别连接稳压管及防雷管进行电路保护，如图16所示。

图16　RS485收发模块

3.9 MAX232电平和TTL电平转换

图17为MAX 232电平和TTL电平转换电路，共3路，使用了2个MAX3232芯片，电路成熟，参照设计手册设计即可，其输出加过流过压保护。

图17　232电平和TTL电平转换

3.10 SPI接口设计

SPI接口用于与外围的Tunner模块进行通信，通过ARM自带的SPI模块通过BAT54S进行电压钳位，并通过限流、滤波、ESD、过流保护电路进行保护。电路设计如图18所示。

3.11 限位开关及一键通按钮

限位开关和一键通按钮均直接输入到ARM的GPIO输入引脚，如图19所示，当按钮未按下时，由于电阻的上拉作用（R54～R58），ARM检测到引脚为高电平；当按钮按下时，ARM检测到引脚为低电平。3个限位开关+一键通按钮，并增加了一路输入以作备用。

图19　IO口输入

4 下位机程序设计

天线的控制流程初定为：上电后，天线判断上次断电是否正常，如果上次断电正常，那么，天线转到初始位置（方位0°，俯仰45°，极化0°），如果非正常断电，则天线在上电后保持不动，这主要是考虑到天线在对星完成后遇到突然断电情况，再重新上电后无需再次对星。控制过程中在while循环中使用switch mode进行模式判断，mode=0， break；mode=1，天线转到初始化位置；mode=2，天线对星；mode=3，天线收藏。整体控制流程如图20所示。

5 实验

通过实际对星试验，验证控制系统的使用效果。实验结果表明，鑫诺5号对星时间为1分40秒以内。静中通天线与7.5m基站语音、视频通信效果良好，语音、视频信号无明显中断现象，接收增益为30dB，发送增益为31dB。图21和图22分别为实验过程图。