基于ARM的毫米波天線自動對準(zhǔn)平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　毫米波作為一項(xiàng)尖端學(xué)科在中繼通信方面發(fā)揮著越來越重要的作用。但毫米波波瓣窄，方向性強(qiáng)，導(dǎo)致天線對準(zhǔn)困難，存在對通時間長，甚至難以對準(zhǔn)的問題，不能滿足快速反應(yīng)的要求。因此，需要一種高效的毫米波天線自動對準(zhǔn)裝置來提高天線架裝與對準(zhǔn)速度，縮短天線架裝與對準(zhǔn)時間，以適應(yīng)快速準(zhǔn)確通信的需要。本文從多任務(wù)處理和可靠性等角度出發(fā)，提出了一種基于ARM7 的32 位微處理器LPC2294 和實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)uC/ OS-Ⅱ步進(jìn)電機(jī)控制平臺的方法，將毫米波通信設(shè)備架裝在平臺系統(tǒng)上，從而使毫米波通信設(shè)備通過平臺的轉(zhuǎn)動快速對準(zhǔn)。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　在隨機(jī)狀態(tài)下，通信設(shè)備中兩個天線的軸線一般位于不同的平面內(nèi)，故天線對準(zhǔn)實(shí)際上是一個較復(fù)雜的空間搜索問題。從天線軸線在兩正交平面( 方位平面和俯仰平面) 內(nèi)的投影可以看出，只要分別在方位面和俯仰面內(nèi)調(diào)整即可將兩天線對準(zhǔn)。這種調(diào)整方式將空間搜索轉(zhuǎn)換成兩個簡單的水平和垂直面搜索，可以簡化搜索控制算法。天線對準(zhǔn)時，兩天線的方位指向誤差較大，而俯仰指向誤差不會太大。故可先實(shí)現(xiàn)方位對準(zhǔn),然后調(diào)整俯仰指向，實(shí)現(xiàn)兩個天線的完全對準(zhǔn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，將天線安裝在內(nèi)框的俯仰平面上，如圖1 所示。

　　實(shí)際使用時，通信設(shè)備通過平臺架裝在天線升降器上,最高可以距地面10 m，并可以根據(jù)需要升降。采用單軸步進(jìn)式跟蹤方案，俯仰方向和水平方向的轉(zhuǎn)動共用一個電機(jī)，通過繼電器進(jìn)行切換。根據(jù)平臺的轉(zhuǎn)動規(guī)律，在ARM 控制器中，編程實(shí)現(xiàn)間歇式發(fā)送脈沖，由電機(jī)驅(qū)動器放大脈沖，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，最后由機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動平臺以及與其相連的通信設(shè)備，完成對毫米波通信設(shè)備間方向的搜索與對準(zhǔn)。

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　　圖1 平臺結(jié)構(gòu)示意圖

　　2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　該平臺對準(zhǔn)系統(tǒng)主要由平臺控制板、電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動裝置和相關(guān)傳感器( 羅盤和GPS)等組成。圖2 給出了步進(jìn)電動機(jī)的片外連接硬件結(jié)構(gòu)框圖。本文重點(diǎn)介紹其核心 ARM 控制部分。

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　　圖2 平臺控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2. 1 ARM 處理器簡介

　　ARM 的32 位體系結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為業(yè)界領(lǐng)先的32 位嵌人式RISC 處理器結(jié)構(gòu)。LPC2294 是飛利浦公司生產(chǎn)的32 位ARM7TDMI S 微處理器，具有低功耗、低價(jià)格、高性能的特點(diǎn)。

　　2. 2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　平臺控制板的ARM 處理器采用LPC2294，其驅(qū)動電路由SGS 公司推出的L297 和L298 集成芯片組合而成，驅(qū)動電路原理圖如圖3 所示。平臺控制板還通過串口與磁羅盤和GPS 相連，用于采集所需的數(shù)據(jù)信息。

　　顯示控制單元仍然采用ARM 芯片LPC2294，它同時與鍵盤和液晶顯示器相連，見圖2。鍵盤用來輸入己方和對方的坐標(biāo)以及對平臺系統(tǒng)控制命令的輸入，液晶顯示屏可顯示站點(diǎn)坐標(biāo)、電平信號強(qiáng)度和平臺工作狀態(tài)等，從而構(gòu)造一個友好的人機(jī)交互界面。顯示控制單元通過50 m 的電纜與平臺系統(tǒng)相連，通過CAN 接口與平臺控制板通信，當(dāng)用戶完成設(shè)置時通過CAN 接口將設(shè)置信息發(fā)送到平臺控制器，同時顯示控制單元還作為整套毫米波設(shè)備的基帶控制單元的處理中心。

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　　圖3 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器原理圖

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　由于系統(tǒng)功能復(fù)雜，為了增加程序功能，減少死機(jī)或者程序跑飛等情況，故考慮將uC/ OS-Ⅱ嵌人式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件平臺，把各個系統(tǒng)功能劃分為不同的任務(wù)。由操作系統(tǒng)來完成任務(wù)的調(diào)度以及任務(wù)之間的同步和通信，用中斷來處理實(shí)時性要求強(qiáng)的異步事件。

　　3. 1 uC/ OS-Ⅱ的移植

　　uC/ OS-Ⅱ是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪的實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核( RTOS)， 其絕大部分源碼是用ANSI 的C 語言編寫，可以方便地移植并支持多種類型的處理器。uC/ OS-Ⅱ的硬實(shí)時性以及低成本、易控制、小規(guī)模、高性能的特性，使其能滿足工業(yè)中小型控制對可靠性、實(shí)時性以及多任務(wù)處理的要求。

　　編寫應(yīng)用軟件首先要移植uC/ OS-Ⅱ，移植對處理器有一定的要求。本設(shè)計(jì)采用的LPC2294 處理器以及開發(fā)工具ADS 1. 2 完全滿足移植要求，可以進(jìn)行移植。關(guān)于uC/ OS-Ⅱ移植的參考資料比較多，本文不再做詳細(xì)討論。

　　3. 2 任務(wù)的劃分與優(yōu)先級的確定

　　uC/ OS-Ⅱ?qū)儆趽屨际綄?shí)時操作系統(tǒng)，總是會使處于就緒狀態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)運(yùn)行。它不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，所以必須將系統(tǒng)功能合理分解為不同優(yōu)先級的任務(wù)。任務(wù)的優(yōu)先級由任務(wù)的重要性和實(shí)時性要求程度決定。劃分系統(tǒng)任務(wù)的時候，還要考慮到低優(yōu)先級的任務(wù)能有機(jī)會得到運(yùn)行，否則系統(tǒng)將難以正常工作。因此建立六個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，任務(wù)之間的通信方式及流程如圖4 所示，分別如下:

　　TaskMotorCt l：任務(wù)0，作為程序的主任務(wù)，實(shí)現(xiàn)初始化和電機(jī)控制功能;TaskCal：任務(wù)1，在電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中實(shí)時計(jì)算轉(zhuǎn)動角度等相關(guān)參數(shù);TaskPortScan：任務(wù)2，端口掃描任務(wù)，實(shí)現(xiàn)限位開關(guān)端口電平的監(jiān)控功能;TaskU ART0Recv：任務(wù)3，串口0 磁羅盤數(shù)據(jù)的接收處理任務(wù);TaskU ART 1Recv：任務(wù)4，串口1GPS 數(shù)據(jù)的接收處理任務(wù);TaskCAN：任務(wù)5，CAN 接口數(shù)據(jù)收發(fā)處理。

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　　圖4 任務(wù)之間關(guān)系及通信方式