洪少華,羅云高

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北武漢，430065）

基于DSP的舵機(jī)控制系統(tǒng)

洪少華,羅云高

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北武漢，430065）

遠(yuǎn)洋和內(nèi)河小型船舶采用的模擬電子控制舵機(jī)技術(shù)存在傳輸距離長(zhǎng)的情況下，線路易于受到外部干擾，舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度會(huì)有不確定的穩(wěn)定性缺陷?，F(xiàn)在大型船舶雖然使用電動(dòng)舵輪或者液壓舵，誤差范圍仍很大，精確度不高。為此，設(shè)計(jì)舵機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，即進(jìn)行基于DSP的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

DSP；舵機(jī)；控制系統(tǒng)

數(shù)字信號(hào)處理就是用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工的理論和技術(shù)，它的英文原名叫digital signal processing，簡(jiǎn)稱DSP,即數(shù)字信號(hào)處理器。

1 方案描述

在駕駛室，當(dāng)駕駛員需要改變船舶行駛方向時(shí)，可以通過方向控制器上指令單元調(diào)節(jié)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度。STC89C52單片機(jī)不斷檢測(cè)控制器上的指令單元。當(dāng)駕駛員對(duì)控制器進(jìn)行操作時(shí)，檢測(cè)到控制器的變化，并將檢測(cè)的值通過串口線發(fā)送給ARM2148輔助控制器。而在船尾，ARM2148輔助控制器也不斷檢測(cè)STC89C52單片機(jī)通過串口線發(fā)送給自己的值，并將檢測(cè)的值同自己檢測(cè)到的舵機(jī)偏轉(zhuǎn)的值進(jìn)行比較。如果兩者相同，則繼續(xù)檢測(cè)；由主控制器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)角度的偏轉(zhuǎn)。而當(dāng)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)與之相連接的角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，角度傳感器進(jìn)行編碼，這些編碼被核心控制器獲得，并將獲得的數(shù)據(jù)通過串口線發(fā)送給STC89C52單片機(jī)，由STC89C52單片機(jī)將獲得的數(shù)據(jù)通過LCD1602液晶顯示器顯示出來。同時(shí)駕駛員也可以通過駕駛室的液晶顯示屏實(shí)時(shí)掌握舵機(jī)偏轉(zhuǎn)情況，以便及時(shí)進(jìn)行修正。

2 方案選擇

2.1 主控制器

主控制器采用的是STC89C52單片機(jī)，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。在本設(shè)計(jì)中，STC89C52單片機(jī)主要負(fù)責(zé)兩項(xiàng)工作。一是接收控制按鍵給出的指令并通過串口線發(fā)送給輔助控制器LPCARM2148，使得輔助控制器PCARM2148能夠及時(shí)根據(jù)指令改變舵機(jī)偏轉(zhuǎn)方向。二是及時(shí)更新LCD1602液晶顯示屏，將此時(shí)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度顯示出來。

2.2 輔助控制器

在本設(shè)計(jì)中采用ARM7LPC2148作為輔助控制器。之所以選擇ARM2148是因?yàn)槠洳捎玫?級(jí)流水線模式增加處理器指令流速度，這樣可使幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，并使處理和存儲(chǔ)之間的操作更加流暢連續(xù)，能提供0.9MIPS/MHZ的指令執(zhí)行速度。因此在舵機(jī)快速偏轉(zhuǎn)時(shí)，處理器仍然可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足編碼器瞬間給出的眾多條代碼值，避免使用52單片機(jī)出現(xiàn)的卡死現(xiàn)象，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

ARM7LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16位的微控制器，并帶有32kB 和512kB 嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。在整個(gè)系統(tǒng)中主要起的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)角度傳感器偏轉(zhuǎn)角度，并將檢測(cè)的值同STC89C52單片機(jī)通過串口線傳輸過來值進(jìn)行對(duì)比，如果二者值不相同，就及時(shí)修正舵機(jī)偏轉(zhuǎn)方向，使之與單片機(jī)給出的指令保持一致。

2.3 角度檢測(cè)部分

角度的檢測(cè)電路是一種增量式的旋轉(zhuǎn)譯碼器。這種增量旋轉(zhuǎn)編碼器輸出精度高，性能不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間緣故發(fā)生變化，舵機(jī)電動(dòng)執(zhí)行模塊的同心連接軸連接增量旋轉(zhuǎn)編碼器軸。編碼器軸被動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部電路會(huì)根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向和角度大小，給出相應(yīng)高低電平形式數(shù)字信號(hào)。傳輸給角度編碼導(dǎo)線與之相連的角度處理傳輸模塊。在接合數(shù)字電路特別是ARM后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測(cè)量和角速度測(cè)量較絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價(jià)和簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)。通過輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序。

2.4 驅(qū)動(dòng)部分

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，輸出電流大，額定功率可達(dá)25W。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。而且L298N有過電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死時(shí)，可以保護(hù)電路和電機(jī)等。

2.5 顯示部分

LCD1602液晶顯示器是一種低功耗的顯示器件，它不僅省電而且能夠顯示大量的信息，如文字、曲線、圖形等，顯示質(zhì)量高，數(shù)字式接口于單片借連接更加簡(jiǎn)單可靠，操作方便。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

3.1 主控制器電路設(shè)計(jì)

上電復(fù)位兼手動(dòng)復(fù)位電路。10μ電容和R2電阻，起著防抖動(dòng)作用，C1和R1的組合使RST只送入一個(gè)高電平的脈沖。當(dāng)按下按鍵時(shí)，RST直接與VCC相連，為高電平形成復(fù)位，同時(shí)電解電容被短路放電；按鍵松開時(shí)，VCC對(duì)電容充電，充電電流在電阻上，RST依然為高電平，仍然是復(fù)位，充電完成后，電容相當(dāng)于開路，RST為低電平，正常工作。在本設(shè)計(jì)中，主控電路設(shè)在駕駛室，出于方便控制因素考慮，選用手動(dòng)復(fù)位電路。晶振電路采用11.539M石英晶體振蕩器作為主頻，串口通信時(shí)才能保證快速順暢。顯示電路采用LCD1602實(shí)現(xiàn)。

3.2 串口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的有益效果是電路采用全數(shù)字信息處理，信息傳輸采用串行導(dǎo)線采用的RS232協(xié)議可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，能夠保障系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠的工作，這一點(diǎn)在運(yùn)輸工具安全性能上尤為重要。在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)串口電路來完成主控制器STC89C52同輔助控制器ARM2148的通信。RS-232接口又稱之為RS-232口、串口、異步口或一個(gè)COM（通信）口。"RS-232"是其最明確的名稱。在計(jì)算機(jī)世界中，大量的接口是串口或異步口，但并不一定符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)，但我們也通常認(rèn)為它是RS-232口。關(guān)于RS-232接口引腳定義。在本設(shè)計(jì)中，只有STC89C52同輔助控制器ARM2148的通信 ，因此只需采用串口異步通信即可。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，5（IN1），7（IN2），10(IN3)，12(IN4)腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，這四個(gè)引腳輸入PWM脈沖，假設(shè)IN1輸入一個(gè)PWM脈沖，IN2輸入與IN1相反的PWM脈沖電機(jī)正轉(zhuǎn)，相反的PWM可以由程序設(shè)置或者在IN2的輸入前加一個(gè)反相器也可實(shí)現(xiàn)，建議使用程序設(shè)置方便簡(jiǎn)單，以減少硬件電路避免出現(xiàn)更多問題，若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)，則IN1、IN2輸入與正轉(zhuǎn)相反的脈沖即可實(shí)現(xiàn)，EN1、EN2接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。當(dāng)使能端為低電平時(shí)，芯片不會(huì)工作。

L298使能端為高電平使能，使能端EN1、EN2可以接I/ O口控制也可直接接電源正一直使能，至于使能端是接固定電平還是接I/O口，是具體情況而定，若I/O口資源夠用可接I/ O口控制，若I/O口不夠用，可直接接高電平，同時(shí)，控制電機(jī)的PWM脈沖也可以從兩個(gè)使能端輸入，那么四個(gè)輸入引腳IN1、IN2、IN3、IN4只需設(shè)置為相應(yīng)的高低電平可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

4 系統(tǒng)輔助控制器軟件整體流程圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的重要組成部分,合理組織系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)可提高可讀性、可移植性、可擴(kuò)展性以及可靠性等問題。

本系統(tǒng)采用C語言按模塊化編寫軟件,主要包括通信模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制算法模塊以及故障檢測(cè)模塊。主程序是個(gè)循環(huán)體完成各種初始化、接收舵面指令以及故障檢測(cè)。中斷由CPU定時(shí)器0每200Ls產(chǎn)生一次,中斷程序完成數(shù)據(jù)的采集處理,控制算法的實(shí)現(xiàn)。采用位置、速度、電流三閉環(huán)全數(shù)字控制,其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試方便,控制策略改動(dòng)容易。

5 結(jié)束語

本文研制以STC89C52單片機(jī)作為核心控制器，以ARM lpc2148作為輔助控制器， 增量旋轉(zhuǎn)編碼器作為角度傳感器，遠(yuǎn)程控制舵機(jī)的左右偏轉(zhuǎn) ，并通過主控制器STC89C52單片機(jī)控制的LCD1602顯示器實(shí)時(shí)顯示舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度。其中主控制器與輔助控制器之間通過串口線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的遠(yuǎn)程控制。這種數(shù)字式控制的舵機(jī)可以避免模擬電路控制所帶來的精確度不高，誤差較大穩(wěn)定性差的問題，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制的輕型化和小型化，節(jié)省船體空間，增加載重。實(shí)驗(yàn)表明,整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠,達(dá)到預(yù)定要求，運(yùn)行效果良好。

[1]王慧玲主編.電路基礎(chǔ)[M].高等教育出版社, 2007.

[2]楊志忠主編. 數(shù)字電子技術(shù)[M（第3版）]. 高等教育出版社, 2007.

洪少華（1957.10——），男，武漢交通職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授，研究方向：機(jī)電工程。羅云高（1955.11——），男，武漢交通職業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子信息工程。

圖4 信號(hào)源輸出波形

從圖4中可以看出，信號(hào)源輸出信號(hào)波形光滑，具有較高的頻率穩(wěn)定度，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

隨著電子信息技術(shù)及通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們?cè)趯?shí)際的生產(chǎn)生活中對(duì)信號(hào)發(fā)生器的要求也越來越高，不僅要求信號(hào)的頻率、寬帶及分辨率，也要求信號(hào)的調(diào)制特性于波形等。從信號(hào)源設(shè)計(jì)與應(yīng)用現(xiàn)狀來看，高性價(jià)比的信號(hào)源是未來開發(fā)與研究的主要趨勢(shì)。因此，本文分析了一種基于FPGA的DDS信號(hào)源，對(duì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及各單元功能進(jìn)行了詳細(xì)分析。望本文研究能夠?qū)π盘?hào)源設(shè)計(jì)提供新思路。

參考文獻(xiàn)

[1]雷俊陶. 基于CycloneⅡ的FPGA的復(fù)雜調(diào)制信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘭州交通大學(xué),2014.

[2]張凱琳. 基于FPGA和DDS多路信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中北大學(xué),2012.

[3]梁孟享,胡聰,盤書寶. 基于FPGA的高性能信號(hào)源模塊設(shè)計(jì)[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2012,04:64-67.

作者簡(jiǎn)介

徐紅麗，女，1983年出生，講師，軟件工程碩士。

DSP servo control system based on

Hong Shaohua,Luo Yungao
（Wuhan Technical College of Communications,Hubei Wuhan,430065）

Analog electronics ocean and inland small ships used to control the presence of servo technology transmission distance is long, the line is susceptible to external interference, there will be uncertainty in the steering angle of deflection stability defects. While large ships now use electric or hydraulic rudder steering wheel, the error range is still great, the accuracy is not high. For this reason, the design of digital servo control system, namely, DSP servo control system based on.

DSP; steering gear; control system

TJ765

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