基于ARM的APT控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　采用ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG作為仿真調(diào)試接口，JTAG信號(hào)的定義及與LPC2124的連接如圖4所示。圖中，JTAG接口上的信號(hào)nRST，nTRST與整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位電路連接，以達(dá)到與控制系統(tǒng)共同復(fù)位的目的。

　　2．5 電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　通過(guò)設(shè)置LPC2124的PWMMR0，PWMMR6寄存器來(lái)設(shè)置輸出PWM的周期及占空比，從而控制轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用DMD402型二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可提供整步、半步、8-16檔細(xì)分共三種運(yùn)行模式。另外，通過(guò)比較捕獲單元接收通過(guò)光電編碼器反饋產(chǎn)生的正交編碼信號(hào)，經(jīng)程序處理后得到電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行速度，再對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　2．6 LCD顯示器及鍵盤設(shè)計(jì)

　　利用點(diǎn)陣式液晶顯示器實(shí)現(xiàn)中文提示界面，增強(qiáng)了人機(jī)交互性。設(shè)計(jì)中采用128×64的點(diǎn)陣LCD，使用內(nèi)藏T6963C作為控制器。另外，使用4×4矩陣鍵盤作為用戶輸入。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　APT控制系統(tǒng)主要由掃描、捕獲和跟蹤三部分組成，下面是這幾部分程序設(shè)計(jì)的介紹。

　　3．1 掃描及捕獲部分

　　上電復(fù)位運(yùn)行后，程序先完成各部分的初始化工作，顯示歡迎界面，并提示用戶輸入轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速度及掃描步長(zhǎng)，接著程序開(kāi)始執(zhí)行光柵螺旋掃描算法。光柵螺旋掃描算法示意圖如圖5所示，圖中每個(gè)小圓代表一個(gè)信標(biāo)掃描子區(qū)，每個(gè)子區(qū)以正方形方式重疊。設(shè)每個(gè)子區(qū)的直徑為信標(biāo)發(fā)散角α，則掃描步長(zhǎng)為：

　　以步長(zhǎng)α0在不確定區(qū)域內(nèi)搜索目標(biāo)，直到捕獲到信標(biāo)光斑，然后轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。

　　3．2 基于增量式PID控制的跟蹤算法

　　PID控制算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中常用增量式PID控制算法，其公式為：

　　式中：△u(k)為輸出的控制量；q0=KP；q1=KP(TS／TI)；q2=KP(TD／TS)分別為比較項(xiàng)、積分項(xiàng)和差分項(xiàng)的系數(shù)；TS為采樣時(shí)間，對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，TS各不相同，要根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，該實(shí)驗(yàn)中TS為0．15 s。由式(1)可知，只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值e(k)，e(k-1)，e(k-2)就可以計(jì)算出△u(k)，從而實(shí)現(xiàn)位置和速度的反饋控制，完成穩(wěn)定跟蹤。

　　3．3 系統(tǒng)流程圖

　　由上分析，可得到系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

　　4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)最高功耗約為20 W，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍為0．2～0．8(°)／s，跟蹤精度按照標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，最小約達(dá)20．69μrad，最快響應(yīng)時(shí)間可達(dá)200 ms。利用Philips公司生產(chǎn)的ARM芯片LPC2124作為控制核心來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，從測(cè)試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)功耗較低，精度基本上滿足了APT控制系統(tǒng)的要求，具有較大的實(shí)用價(jià)值。