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

摘 要：在毫米波中繼通信設(shè)備中，為提高對準(zhǔn)精度，縮短對準(zhǔn)時間，滿足快速反應(yīng)的要求，并結(jié)合毫米波波瓣窄，方向性強的特點，創(chuàng)造性地提出了毫米波天線自動對準(zhǔn)平臺系統(tǒng)的設(shè)計方案。在天線對準(zhǔn)過程中，將復(fù)雜的的空間搜索轉(zhuǎn)換成兩個簡單的水平和垂直搜索，簡化了搜索控制算法。采用基于ARM 的32 位微處理器LPC2294 進行控制，用步進電機驅(qū)動平臺和毫米波設(shè)備轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)毫米波通信設(shè)備的快速準(zhǔn)確對準(zhǔn)。毫米波中繼通信設(shè)備在國內(nèi)還處于研發(fā)改進階段，所以該對準(zhǔn)平臺系統(tǒng)具有極大的參考意義。

　　毫米波作為一項尖端學(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，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 和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)uC/ OS-Ⅱ步進電機控制平臺的方法，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。故可先實現(xiàn)方位對準(zhǔn),然后調(diào)整俯仰指向，實現(xiàn)兩個天線的完全對準(zhǔn)。基于上述特點，將天線安裝在內(nèi)框的俯仰平面上，如圖1 所示。

　　實際使用時，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。采用單軸步進式跟蹤方案，俯仰方向和水平方向的轉(zhuǎn)動共用一個電機，通過繼電器進行切換。根據(jù)平臺的轉(zhuǎn)動規(guī)律，在ARM 控制器中，編程實現(xiàn)間歇式發(fā)送脈沖，由電機驅(qū)動器放大脈沖，從而驅(qū)動步進電機，最后由機械裝置轉(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)。

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、電機驅(qū)動器、步進電機、機械傳動裝置和相關(guān)傳感器( 羅盤和GPS)等組成。圖2 給出了步進電動機的片外連接硬件結(jié)構(gòu)框圖。本文重點介紹其核心 ARM 控制部分。

圖2 平臺控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖