基于ARM的空间光通信APT控制系统设计

通过设置LPC2124控制寄存器U0LCR，UODLM和U0DLL来设置工作模式及波特率。

2．4 JTAG接口电路设计

采用ARM公司提出的标准20脚JTAG作为仿真调试接口，JTAG信号的定义及与LPC2124的连接如图4所示。图中，JTAG接口上的信号nRST，nTRST与整个系统的复位电路连接，以达到与控制系统共同复位的目的。

2．5 电机控制及驱动设计

通过设置LPC2124的PWMMR0，PWMMR6寄存器来设置输出PWM的周期及占空比，从而控制转台的运行速度。电机驱动采用DMD402型二相步进电机驱动器，该驱动器可提供整步、半步、8-16档细分共三种运行模式。另外，通过比较捕获单元接收通过光电编码器反馈产生的正交编码信号，经程序处理后得到电机的当前运行速度，再对速度进行调节。

2．6 LCD显示器及键盘设计

利用点阵式液晶显示器实现中文提示界面，增强了人机交互性。设计中采用128×64的点阵LCD，使用内藏T6963C作为控制器。另外，使用4×4矩阵键盘作为用户输入。

3 软件设计

APT控制系统主要由扫描、捕获和跟踪三部分组成，下面是这几部分程序设计的介绍。

3．1 扫描及捕获部分

上电复位运行后，程序先完成各部分的初始化工作，显示欢迎界面，并提示用户输入转台运行速度及扫描步长，接着程序开始执行光栅螺旋扫描算法。光栅螺旋扫描算法示意图如图5所示，图中每个小圆代表一个信标扫描子区，每个子区以正方形方式重叠。设每个子区的直径为信标发散角α，则扫描步长为：

以步长α0在不确定区域内搜索目标，直到捕获到信标光斑，然后转入跟踪状态。

3．2 基于增量式PID控制的跟踪算法

PID控制算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。在实时控制系统中常用增量式PID控制算法，其公式为：

式中：△u(k)为输出的控制量；q0=KP；q1=KP(TS／TI)；q2=KP(TD／TS)分别为比较项、积分项和差分项的系数；TS为采样时间，对于不同的控制系统，TS各不相同，要根据实际调试经验来确定，该实验中TS为0．15 s。由式(1)可知，只要贮存最近的三个误差采样值e(k)，e(k-1)，e(k-2)就可以计算出△u(k)，从而实现位置和速度的反馈控制，完成稳定跟踪。

3．3 系统流程图

由上分析，可得到系统流程图如图6所示。

4 测试结果及结论

经实验测试，整个系统最高功耗约为20 W，转台转动速度范围为0．2～0．8(°)／s，跟踪精度按照标准差计算，最小约达20．69μrad，最快响应时间可达200 ms。利用Philips公司生产的ARM芯片LPC2124作为控制核心来进行设计与开发，从测试结果可以看出，系统功耗较低，精度基本上满足了APT控制系统的要求，具有较大的实用价值。