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為加快對宇宙探索的程序,提高大陸的深空探測能力,1994年中國天文界提出建造世界最大的單口徑射電望遠鏡—500 m單口徑球面射電天文望遠鏡( Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST) 。針對FAST整體索網反射面上衆多節點的控制系統,網絡化設計是其首選方案。在如今的工業控制領域,總線技術應用非常廣泛。現流行的總線方式有RS-485總線技術、CAN總線技術等。
而以太網具有應用廣泛,價格低廉、多種傳輸媒體可選、高速度、易于組網應用等優點,于是以太網作為該系統的現場總線技術非常合适。本文應用在50 m密雲縮比模型基礎上,選擇嵌入式實時系統作為節點控制器的作業系統,節點控制器通過以太網接收來自總控制PC的指令,并根據指令内容控制索網節點發生相應動作,并把索網節點的運作狀況與狀态通過以太網傳輸給總控制PC,進而達到對整個反射面的控制。
以太網控制器總體設計
節點控制器作為整個主動反射面控制系統的基本控制單元,起着非常重要的作用。節點控制器的主要功能: 從總控制PC收到控制資訊然後依據控制資訊的内容做出判斷并控制電機運動; 同時也會将電機的狀态資訊上傳給控制計算機。根據節點控制器的功能,确定節點控制器的設計方案,如圖1所示。
圖 1 節點控制器系統框圖
整個節點控制器分為以下幾個部分: 1電源管理子產品: 将電源總線提供的電源轉換為節點控制器内部需要的标準電壓,并将節點控制器的電源與總線電源互相隔離,進而起到保護節點控制器的功能。2主要晶片LPC2368及其外圍電路子產品; 3以太網通信子產品: 主要是由LPC2368的MAC子產品、實體層 晶片DM9161、網絡變壓器HR601682和RJ45接口組成,是一種非常經典,并具有較高的穩定性與可靠性的以太網硬體接口.
4電機控制回報子產品; 5上/下限位信号硬體部分: 是由安裝在促動器上的行程開關連接配接與斷開來判斷執行機構是否超出其運動範圍; 6手動控制子產品: 主要是根據硬體選擇節點控制器選擇的工作模式,其中有LED訓示燈用于顯示目前選擇的模式,手動功能隻有在某種調試時才會使用,大多數情況下,節點控制器均處于自動模式; 7數位管顯示子產品: 是在調試階段便于觀察促動器目前位置等相關資訊的本地監控.
8資料存儲與時間子產品: 由時鐘晶片FM3130來實作,其具有資料存儲和提供時間資訊兩個功能; 9接口電路子產品: 采用光耦将輸入信号和輸出信号将外部信号與控制器内部電路互相隔離。10 RS-485電路子產品是用于備用串行網絡,它将在後期的網 絡流量監測,網絡性能分析中使用。
控制器硬體設計
節點控制器作為整個索網反射面控制系統的基本控制單元,根據實際功能需要,硬體方面應具備以太網接口子產品、網絡通信子產品電路、電機控制電路、電機監測電路和時鐘晶片電路等功能。控制器電路闆是實作控制器功能的底層硬體平台。
主要晶片子產品設計
節點控制器的主要晶片采用NXP公司的基于ARM核心的LPC2368晶片。LPC2368核心為ARM7TDMI-S處理器,可在高達72 MHz的工作頻率下運作,具有豐富的GPIO資源和外部中斷資源,可作為控制器零點、限位和電機控制等多路信号的輸入輸出引腳。晶片内部內建了以太網MAC子產品,外接必要的實體層晶片可實作以太網接入功能。同時該晶片的抗幹擾能力強,适合在工業控制領域的應用。
微控制器LPC2368的最小系統電路,包括晶片供電電路,複位電路,晶振電路和程式下載下傳電路4部分。LPC2368具有多組電源引腳,其中10個引腳需要3. 3V供電,同時要在電源腳和地之間接入0. 1μF的去藕電容,這樣能夠降低電路闆因走線而形成的電源噪聲,另外有8個引腳需要接地。LPC2368的複位為低電平有效,該電路具有上電複位和手動複位功能。晶振電源部分采用12 MHz的外部晶振,經晶片内部鎖相環倍頻後,LPC2368的時鐘頻率可達72 MHz。
時鐘晶片電路設計
時鐘晶片FM3130作為資料存儲和實時時鐘雙重身份出現,該晶片采用3. 3 V供電,在無備用電源時,電源下電,存儲在非易失性存儲器中的資料不會丢失,但時鐘資訊将會丢失。上次的時鐘資訊對本次的使用沒有價值,因為控制系統對時間的精度要求較高,在整個反射面系統中具有一個标準的統一時間,需要整個系統遵守。故每次在進入自動觀測狀态前需要對節點控制器設定時間,使所有的節點控制器具有相同的時間。
該晶片需要時鐘電路,其采用32. 768 k Hz的外部晶振提供内部時鐘。它與主要晶片之間的通信方式采用IIC總線協定,它将作為從裝置,挂在總線上,而MCU将作為主裝置對時鐘晶片配置時鐘資訊和存儲或讀取FRAM中的資料。因為采用的是IIC總線協定是以在資料引腳和時鐘引腳分别加上一個上拉電阻,為確定VDD引腳具有良好的退耦性,VDD需要接一個0. 1μF電容進行濾波。其電路圖如圖2所示。
圖 2 時鐘晶片電路
接口電路設計
節點控制器使用光耦TLP521将控制器外部和内部互相隔離,避免了外部可能的幹擾對電路闆的影響。
零點檢測信号和計數信号是由外部霍爾提供的,它們的信号高電平均為5 V電壓,但由于微控制器LPC2368使用3. 3 V供電,其大部分GPIO隻能接受3. 3 V的電壓,5 V的電壓可能會對IO造成損壞。故對它們的信号需要電平轉換,而光耦TLP521即可實作這個功能。因為如圖3所示為TLP521的内部原理圖,其輸入端和輸出端隔離,僅通過光信号來傳遞的。故既起到隔離的作用也可以實作電平轉換的作用。
圖 3 TLP521 原理圖
節點控制器的控制信号作為強電驅動闆的邏輯晶片的輸入信号,由于節點控制器與強電闆有一定的距離,為了提高輸出信号的驅動能力,選用TLP521增強驅動之用。強電闆上使用380 V交流,是以遭到強電破壞的可能也會增加,為了避免強電闆對控制闆帶來的損壞,故選用TLP521用作隔離之用。是以TLP521在控制信号輸出端具有隔離與增加驅動能力的功能。
網絡通信子產品電路設計
節點控制器要實作以太網的接入,必須為其設計以太網硬體接口電路。嵌入式以太網硬體接口典型電路包括MAC子產品、實體層晶片、網絡隔離變壓器和RJ45接口四部分組成。在主要晶片LPC2368中帶有以太網MAC子產品,這個以太網MAC通過使用加速的DMA硬體來提供優化的性能。
選用DM9161作為實體層晶片,采用HR601682作為網絡隔離變壓器,它在網絡通信過程中所起的作用有兩個: 一是傳輸資料,将實體層輸出的差分信号通過差模耦合的線圈進行耦波以增強信号,并且通過電磁場的轉換耦合到不同電平的連接配接網線的另外一端; 除此之外,以太網濾波變壓器還能對裝置起到一定的防雷保護作用。RJ45接口采用帶有LED訓示燈的标準接口。
電機控制電路設計
節點控制器通過對促動器電機的控制,可以改變下拉索的長度,進而改變每個反射面單元的位置,是以整個控制電路的設計對整個球狀反射面的動态成型起着至關重要的作用。節點控制器是通過一個與其分離的電機驅動闆來控制電機運作的。
電機的運作受兩路信号線控制,這兩路控制信号最初是從主 控晶片LPC2368的兩個引腳上發出的,經節點控制器闆上的數字邏輯電路使其輸出信号與電機驅動闆輸入的比對,進而通過電機驅動闆完成對電機的控制功能。如圖4所示,為節點控制的電機控制電路和限位電路原理圖。
經過前端的邏輯電平轉換,将微控制器的控制電平、上下限位的邏輯電平經過三輸入或非門,共同控制促動器電機的正反轉。當微控制器控制電機轉動( 向下或向上) 時,發生異常,不能發送停止電平,則當促動器運動到限位開關處,接觸到限位開關産生限位電平時,限位電平可以通過邏輯電路使輸出給強電驅動闆的信号處于停止電平,以免驅動裝置受到破壞。保證了主動反射面控制系統的安全運作。
圖 4 電機控制及限位開關電路
控制器軟體設計與實作
節點控制器的軟體系統是在作業系統μC /OS-II上運作的。μC /OS-II是一種基于優先級的搶占式多任務實時作業系統,包含了實時核心、任務管理、時間管理、任務間通信同步和記憶體管理等功能。本文選擇Keil for ARM作為開發環境。使用通用C語言編寫程式。Keil for ARM軟體提供豐富的庫函數和功能強大的內建開發調試工具。
以太網通信程式設計
本系統應用程式基于以太網驅動程式進行程式設計,以太網資料接收采用以太網中斷方式,其為微控制器32個中斷之一,在初始化以太網時,打開以太網中斷,等待接收資料。TCP/IP通信為伺服器與用戶端間進行通信,需要總控制PC通路節點控制器,故節點控制器作為伺服器,總控制PC作為用戶端。節點控制器以太網初始化和發送資料的基本流程如圖5所示。
圖 5 以太網初始化和發送資料的基本流程
以太網發送資料需要在保證伺服器與用戶端連接配接正常的情況下,才能發送資料,是以在發送資料程式中需要檢測網絡連接配接,以及微控制器MAC控制器的狀态,是否允許發送資料。若允許發送資料,需要将要發送的資料複制到發送緩沖區,然後調用發送子程式,其根據要發送資料的個數将緩沖區的資料發送給PHY晶片,最終經網絡變壓器發送給RJ45接口,實作資料的傳遞。
節點控制器對電機的控制程式設計
微控制器對電機的控制分為手動控制和自動控制。手動控制用于調試時,偶爾使用。自動控制是節點控制器根據目标長度輸出控制信号,不需要操作員介入。
手動控制電路部分是按照三路促動器方案設定的,包括正轉和反轉2個按鈕; 2個撥斷開關用來選擇手動控制哪路促動器( 先進行内部編号) ; 還有3個LED顯示燈,用來表示目前選擇的手動模式控制哪路促動器。微控制器對2個撥斷開關的掃描,判斷操作員選擇的運動模式( 兩個撥斷開關的四個狀态) : 3路自動模式、第1路處于手動模式、第2路處于手動模式和第3路處于手動模式。在密雲系統中試驗階段僅對1路進行手動與自動控制。控制流程如圖6所示。
圖 6 電機控制流程圖
以太網作為新興的現場總線方式,有其不可取代的優勢。廉價、通信可靠、對實體層資料傳輸有安全機制等優勢,故選擇以太網總線方式作為密雲主動反射面控制系統的資料網絡。對節點控制器的各個功能進行完善,并在密雲模型上進行了測試。節點控制器系統通過和總控制PC間的互動,能夠完成對整個反射面進行控制,并完成對監控資料的回報,總體能夠實作射電望遠鏡設計的目标,完成射電源的觀測與跟蹤。
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