【無(wú)線(xiàn)射頻天線(xiàn)】-基于ARM的毫米波天線(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----基于ARM的毫米波天線(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)在毫米波中繼通信設(shè)備中，為提高對(duì)準(zhǔn)精度，縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，滿(mǎn)意快速反應(yīng)的要求，并結(jié)合毫米波波瓣窄，方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，制造性地提出了毫米波天線(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，將簡(jiǎn)單的的空間搜尋轉(zhuǎn)換成兩個(gè)簡(jiǎn)潔的水平和垂直搜尋，簡(jiǎn)化了搜尋掌握算法。采納基于ARM的32位微處理器LPC2294進(jìn)行掌握，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和毫米波設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)毫米波通信設(shè)備的快速精確?????對(duì)準(zhǔn)。毫米波中繼通信設(shè)備在國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)改進(jìn)階段，所以該對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)系統(tǒng)具有極大的參考意義。

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(lái)越重要的作用。但毫米波波瓣窄，方向性強(qiáng)，導(dǎo)致天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)困難，存在對(duì)通時(shí)間長(zhǎng)，甚至難以對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，不能滿(mǎn)意快速反應(yīng)的要求。因此，需要一種高效的毫米波天線(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)裝置來(lái)提高天線(xiàn)架裝與對(duì)準(zhǔn)速度，縮短天線(xiàn)架裝與對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，以適應(yīng)快速精確?????通信的需要。本文從多任務(wù)處理和牢靠性等角度動(dòng)身，提出了一種基于ARM7的32位微處理器LPC2294和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ步進(jìn)電機(jī)掌握平臺(tái)的方法，將毫米波通信設(shè)備架裝在平臺(tái)系統(tǒng)上，從而使毫米波通信設(shè)備通過(guò)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)快速對(duì)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(gè)天線(xiàn)的軸線(xiàn)一般位于不同的平面內(nèi)，故天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)實(shí)際上是一個(gè)較簡(jiǎn)單的空間搜尋問(wèn)題。從天線(xiàn)軸線(xiàn)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(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。這種調(diào)整方式將空間搜尋轉(zhuǎn)換成兩個(gè)簡(jiǎn)潔的水平和垂直面搜尋，可以簡(jiǎn)化搜尋掌握算法。天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，兩天線(xiàn)的方位指向誤差較大，而俯仰指向誤差不會(huì)太大。故可先實(shí)現(xiàn)方位對(duì)準(zhǔn),然后調(diào)整俯仰指向，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)天線(xiàn)的完全對(duì)準(zhǔn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，將天線(xiàn)安裝在內(nèi)框的俯仰平面上，如圖1所示。

實(shí)際使用時(shí)，通信設(shè)備通過(guò)平臺(tái)架裝在天線(xiàn)升降器上,最高可以距地面10m，并可以依據(jù)需要升降。采納單軸步進(jìn)式跟蹤方案，俯仰方向和水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)共用一個(gè)電機(jī)，通過(guò)繼電器進(jìn)行切換。依據(jù)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，在ARM掌握器中，編程實(shí)現(xiàn)間歇式發(fā)送脈沖，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器放大脈沖，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，最終由機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)以及與其相連的通信設(shè)備，完成對(duì)毫米波通信設(shè)備間方向的搜尋與對(duì)準(zhǔn)。

圖1平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)主要由平臺(tái)掌握板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和相關(guān)傳感器(羅盤(pán)和GPS)等組成。圖2給出了步進(jìn)電動(dòng)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掌握部分。

圖2平臺(tái)掌握板硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1ARM處理器簡(jiǎn)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ARM7TDMIS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(tái)掌握板的ARM處理器采納LPC2294，其驅(qū)動(dòng)電路由SGS公司推出的L297和L298集成芯片組合而成，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。平臺(tái)掌握板還通過(guò)串口與磁羅盤(pán)和GPS相連，用于采集所需的數(shù)據(jù)信息。

顯示掌握單元仍舊采納ARM芯片LPC2294，它同時(shí)與鍵盤(pán)和液晶顯示器相連，見(jiàn)圖2。鍵盤(pán)用來(lái)輸入己方和對(duì)方的坐標(biāo)以及對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)掌握命令的輸入，液晶顯示屏可顯示站點(diǎn)坐標(biāo)、電平信號(hào)強(qiáng)度和平臺(tái)工作狀態(tài)等，從而構(gòu)造一個(gè)友好的人機(jī)交互界面。顯示掌握單元通過(guò)50m的電纜與平臺(tái)系統(tǒng)相連，通過(guò)CAN接口與平臺(tái)掌握板通信，當(dāng)用戶(hù)完成設(shè)置時(shí)通過(guò)CAN接口將設(shè)置信息發(fā)送到平臺(tái)掌握器，同時(shí)顯示掌握單元還作為整套毫米波設(shè)備的基帶掌握單元的處理中心。

圖3步進(jìn)電機(jī)掌握驅(qū)動(dòng)器原理圖

3軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，為了增加程序功能，削減死機(jī)或者程序跑飛等狀況，故考慮將uC/OS-Ⅱ嵌人式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件平臺(tái)，把各個(gè)系統(tǒng)功能劃分為不同的任務(wù)。由操作系統(tǒng)來(lái)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(lái)處理實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的異步大事。

3.1uC/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(shí)多任務(wù)內(nèi)核(RTOS)，其絕大部分源碼是用ANSI的C語(yǔ)言編寫(xiě)，可以便利地移植并支持多種類(lèi)型的處理器。uC/OS-Ⅱ的硬實(shí)時(shí)性以及低成本、易掌握、小規(guī)模、高性能的特性，使其能滿(mǎn)意工業(yè)中小型掌握對(duì)牢靠性、實(shí)時(shí)性以及多任務(wù)處理的要求。

編寫(xiě)應(yīng)用軟件首先要移植uC/OS-Ⅱ，移植對(duì)處理器有肯定的要求。本設(shè)計(jì)采納的LPC2294處理器以及開(kāi)發(fā)工具ADS1.2完全滿(mǎn)意移植要求，可以進(jìn)行移植。關(guān)于uC/OS-Ⅱ移植的參考資料比較多，本文不再做具體爭(zhēng)論。

3.2任務(wù)的劃分與優(yōu)先級(jí)的確定

uC/OS-Ⅱ?qū)儆趽屨际綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)，總是會(huì)使處于就緒狀態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行。它不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，所以必需將系統(tǒng)功能合理分解為不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)由任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性要求程度打算。劃分系統(tǒng)任務(wù)的時(shí)候，還要考慮到低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能有機(jī)會(huì)得到運(yùn)行，否則系統(tǒng)將難以正常工作。因此建立六個(gè)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:

TaskMotorCtl：任務(wù)0，作為程序的主任務(wù)，實(shí)現(xiàn)初始化和電機(jī)掌握功能；TaskCal：任務(wù)1，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)關(guān)端口電平的監(jiān)控功能；TaskUART0Recv：任務(wù)3，串口0磁羅盤(pán)數(shù)據(jù)的接收處理任務(wù)；TaskUART1Recv：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。

圖4任務(wù)之間關(guān)系及通信方式

運(yùn)行時(shí)有兩種狀態(tài):

(1)靜止?fàn)顟B(tài)

首先系統(tǒng)啟動(dòng)之后，進(jìn)行初始化，然后等待磁羅盤(pán)接收信號(hào)有效，否則不能進(jìn)入電機(jī)掌握任務(wù)。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)平臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，程序?qū)邮盏降拇跀?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理后實(shí)時(shí)更新，并不停地向顯示掌握單元匯報(bào)天線(xiàn)與目標(biāo)指向的夾角大小。

(2)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)有按鍵按下，顯示掌握單元通過(guò)中斷的方式對(duì)其進(jìn)行處理，然后通過(guò)CAN總線(xiàn)向平臺(tái)掌握板發(fā)送掌握命令。平臺(tái)掌握板依據(jù)掌握命令確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向并在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否遇到限位開(kāi)關(guān)。

優(yōu)先級(jí)的劃分如下：TaskPortScan優(yōu)先級(jí)最高，由于平臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)可能會(huì)順時(shí)針或者逆時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而限位開(kāi)關(guān)能夠使平臺(tái)往某個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)累計(jì)不超過(guò)一圈，以免引起平臺(tái)內(nèi)線(xiàn)的纏繞甚至扯斷。因此當(dāng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)遇到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，優(yōu)先級(jí)最高，以實(shí)時(shí)響應(yīng)斷電，并使平臺(tái)反轉(zhuǎn)，這里通過(guò)查詢(xún)方式來(lái)檢測(cè)是否遇到限位開(kāi)關(guān)。

然后就是任務(wù)TaskUART0Recv，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中都需要實(shí)時(shí)用到航向和俯仰等角度信息，因此實(shí)時(shí)精確?????地接收到此類(lèi)信息顯得特別重要。由于TaskCAN用于接收顯示掌握單元的掌握命令，排在任務(wù)TaskUART0Recv后面。角度計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)排在任務(wù)TaskCAN的后面，依據(jù)任務(wù)TaskUART0Recv傳下來(lái)的角度原始數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)信息，實(shí)時(shí)計(jì)算角度值，以確定平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的目標(biāo)位置。雖然TaskMotorCtl步進(jìn)電機(jī)的掌握任務(wù)重要，但是幾乎全天候運(yùn)行，假如優(yōu)先級(jí)較高，會(huì)占用許多資源，導(dǎo)致其他任務(wù)無(wú)法進(jìn)行，所以將其優(yōu)先級(jí)排在靠后。最終是TaskUART1Recv任務(wù)，由于一般本方位置在實(shí)際對(duì)準(zhǔn)中不會(huì)變化，所以其經(jīng)緯度數(shù)據(jù)只需接收一次，其優(yōu)先級(jí)排在最終。

3.3應(yīng)用程序流程

利用LPC2294系列的帶操作系統(tǒng)的專(zhuān)用工程模板可大大減輕編程負(fù)擔(dān)。模板包括LPC2294系列微掌握器的啟動(dòng)文件、頭文件、分散加載描述文件等，利用這些文件，應(yīng)用程序的編寫(xiě)就變得特別簡(jiǎn)潔。應(yīng)用程序流程如圖5所示。

圖5應(yīng)用程序流程圖

步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)得的掌握脈沖信號(hào)波形如圖6所示。

圖6示波器輸出波形

4結(jié)語(yǔ)

依據(jù)毫米波通信設(shè)備的特點(diǎn)，制造性地設(shè)計(jì)了一個(gè)以毫米波天線(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)系統(tǒng)為應(yīng)用目標(biāo)的基于ARM