CN102722118A

CN102722118A - 数字化单杆控制系统

Info

Publication number: CN102722118A
Application number: CN2012101740771A
Authority: CN
Inventors: 陈健; 郭劲; 刘廷霞; 王红萱; 李博; 张传胜
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明涉及一种数字化单杆控制系统，该系统包括方位位移电位计，俯仰位移电位计，单片机，RS422通讯芯片；手柄方位轴转动的机械位移控制量由方位位移电位计转换为方位轴模拟电压值，手柄俯仰轴转动的机械位移控制量由俯仰位移电位计转换为俯仰轴模拟电压值；方位位移电位计和俯仰位移电位计的输出分别连接到单片机的两个模拟端口，方位位移电位计和俯仰位移电位计输出的两轴模拟电压值分别由单片机转换成两轴数字化控制量；单片机输出的两轴数字化控制量通过RS422通讯芯片实现TTL信号与差分信号之间的转换，使两轴数字化控制量以RS422标准通讯形式发送。本发明具有数字化、小型化，集成化和模块化等优点。

Description

数字化单杆控制系统

技术领域：

本发明涉及一种单杆控制装置，特别涉及一种数字化单杆控制系统。

背景技术：

单杆控制装置是由手柄及制作于单杆壳体内的机械传动部分、方位位移电位计、俯仰位移电位计所构成，它在伺服跟踪系统中的主要用途是通过人工操作向伺服系统提供位置参数，或者将其位置数据提供给跟踪设备，完成目标跟踪和跟踪目标的选择，以及被跟踪目标的部位指定等。现在所使用的单杆控制装置都是由位移电位计输出的模拟电压值作为输出控制量，需要经过模数转换，才能接入到数字接口的伺服控制器中。

单杆广泛应用于各种类型的远程控制。一些处于特殊环境中的设备必须使用远程控制，例如处于生化实验或放射环境中转台，单杆用来控制平台按指定的方向和速度运动，从而实现对平台的远程控制。还有一些设备甚至需要进行超远程控制，比如无人机中的控制平台。另外，在大型经纬仪中，手动控制是一种必不可少的控制方式，就必然要使用单杆来实现手动控制。

在某些系统中，单杆控制装置与伺服系统距离很远，，造成电压的衰减，影响了精度。同时，还有一些系统，单杆控制装置与伺服系统不能直接相连，比如机载伺服系统在飞机上，单杆控制装置在地面上，两者不能采用电缆连接，而不经处理的单杆模拟值，是不能进行无线通信传输的。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够直接输出数字化控制量的数字化单杆控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明的数字化单杆控制系统包括方位位移电位计，俯仰位移电位计，单片机，RS422通讯芯片；手柄方位轴转动的机械位移控制量由方位位移电位计转换为方位轴模拟电压值，手柄俯仰轴转动的机械位移控制量由俯仰位移电位计转换为俯仰轴模拟电压值；方位位移电位计和俯仰位移电位计的输出分别连接到单片机的两个模拟端口，方位位移电位计和俯仰位移电位计输出的两轴模拟电压值分别由单片机转换成两轴数字化控制量；单片机输出的两轴数字化控制量通过RS422通讯芯片实现TTL信号与差分信号之间的转换，使两轴数字化控制量以RS422标准通讯形式发送。

本发明的优点主要体现在数字化、小型化，集成化和模块化四个方面，下面分别对这四个方面的优点进行详细描述：

（1）数字化：将代表手柄两轴转动位移控制量的模拟电压值数字化，然后再将数字化控制量以RS422的通用标准通讯形式发送给伺服控制系统。

模拟信号一般传输距离只有几米，而且传输距离的增加，带来电压的衰减，进而影响了单杆的精度。本发明单杆控制量经过单片机数字化处理后，以RS422的通用标准通讯形式发送，传输距离可以达到几百米，而且RS422的差分传输模式，具有抗衰减抗误码功能，所以可以保证传输的精度。同时，RS422的通用标准通讯形式，兼容性强，接收端可以直接和计算机接口或者任意控制系统接口，接口定义兼容性强，利于扩展和产品标准化。

（2）小型化：在光电测量设备中，单杆的手动控制操作已经成为必不可少的操作模式。随着测量设备功能的发展，设备种类越来越多，设备车的空间也就越来越紧张。以后的发展趋势，设计设备的时候，要尽量考虑设备的小型化，以能在有限的空间中，安装更多的设备。

这样，所选单杆的体积也是越来越小。现在普遍使用的一款小型化单杆，体积直径只有4cm，高度只有6cm，是单杆中体积较小的类型。如何在这样小体积的单杆中实现电路设计，成为一个技术难题。

本发明采用单片机作为处理器，配合外围电路，可以将电路板设计成只有3.2cm直径大小的一个圆形电路，双层电路设计，除晶振外，全部采用表贴型芯片，已经将此功能的电路设计到最小，可以直接安装在单杆内部，节约了空间，实现了真正的小型化。主电路结构简单、运行可靠。

（3）集成化：将包含单片机和RS422通讯芯片的主电路板制作于单杆壳体内，这样由单杆控制装置发送出来的就是数字量，无需再做任何处理，伺服控制系统可以直接使用。这样，减轻了伺服控制系统设计的复杂度。

以往单杆的A/D转换，一般都是在伺服控制电路上实现的。这样伺服控制电路就一定要设计有A/D转换电路，不仅增加了伺服控制电路的体积，复杂度，也增加了伺服控制系统程序的复杂度。

由于高精度快速数字伺服系统，本身的伺服系统算法已经是非常复杂。致使现在通用的伺服控制芯片DSP在控制中，已经处于临界状态。

本发明将单杆两轴控制量的A/D采样、数字化的工作在单杆控制系统中一步直接完成。把处理好的数据直接发送给高精度快速数字伺服系统，伺服系统无需再做任何处理，可以直接使用数据，进而降低了伺服系统设计的复杂度，减轻了伺服系统的负担。

(4)模块化设计，接口定义RS422兼容性强，结构简单，控制接口可以直接和计算机接口连接，利于扩展和产品标准化。

所述单片机包括：

系统设置模块：进行系统设置，包括振荡器基准频率的设置、单片机两个模拟采样端口的设置，定时器的初始化设置和定时器中断频率设置；

数据采集模块：采集方位位移电位计和俯仰位移电位计输出的两轴模拟电压值并将其存储于寄存器组中，等待AD转换中断、定时器中断；

AD转换中断模块：当AD中断信号到来，取出寄存器组存储的数据并进行滤波处理得到数字化控制量；然后将得到的数字化控制量数据按照无线链路通讯协议设置双帧头和异或和帧尾；

定时器中断模块：当定时器中断信号到来，将AD转换中断模块处理好的有效数据发送到外部设备。

所述寄存器组包含2N个寄存器，在第一个采样周期内，数据采集模块将采集的方位轴模拟电压值存入第一个寄存器，第二个采样周期内，将采集的俯仰轴模拟电压值存入第二个寄存器；第三个采样周期内，将采集的方位轴模拟电压值存入第三个寄存器，第四个采样周期内，将采集的俯仰轴模拟电压值存入第四个寄存器；依此类推，将方位轴模拟电压值和俯仰轴模拟电压值交替存储于2N个寄存器中；当AD中断到来，AD转换中断模块取第一、三、......2N-1个寄存器中的方位轴模拟电压值进行滤波处理，同时取第二、四、......2N个寄存器中的俯仰轴模拟电压值进行滤波处理，得到数字化控制量。

本发明可以灵活设置定时器参数，使数据能够按照设定的频率发送，以满足不同设备伺服控制系统的需要。按照无线链路通讯协议设置固定的双帧头和可变的异或和帧尾，无线通讯的纠错能力强。

所述单片机采用dsPICxxF型单片机，程控数据采集精确，数据连续准确，稳定性好。

所述单片机采用型号为dsPIC30F4011的单片机。

dsPIC30F4011单片机自带CAN通讯接口，可以通过CAN总线与数字接口计算机或者数字伺服控制器进行通讯。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的数字化单杆控制系统结构框图。

图2为本发明通过数字接口计算机或数字伺服控制器与被控系统通讯方式示意图。

图3为本发明通过无线通讯链路与控制系统远程通讯方式示意图。

图4为本发明通过CAN总线与其他设备通讯方式示意图。

图5为单片机主程序流程图。

图6为AD转换中断模块子程序流程图。

图7为定时器中断模块子程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的数字化单杆控制系统包括方位位移电位计，俯仰位移电位计，单片机，RS422通讯芯片；手柄方位轴转动的机械位移控制量由方位位移电位计转换为方位轴模拟电压值，手柄俯仰轴转动的机械位移控制量由俯仰位移电位计转换为俯仰轴模拟电压值；单片机的模拟电压输入接口AN0接方位位移电位计的输出，单片机的模拟电压输入接口AN1接俯仰位移电位计的输出，方位位移电位计和俯仰位移电位计输出的两轴模拟电压值分别由单片机转换成两轴数字化控制量；单片机晶振输入接口CLKI和CLKO接无源晶振X1，作为单片机工作的基准频率；单片机对外通讯发送接口TXD接RS422通讯芯片的输入，单片机对外通讯接收接口RXD接RS422通讯芯片的输出；单片机输出的两轴数字化控制量通过RS422通讯芯片实现TTL信号与差分信号之间的转换，使两轴数字化控制量以RS422标准通讯形式发送到外部。

本发明的数字化单杆控制系统能够实现手柄两轴模拟电压值的AD采样、AD转换和数据处理，可以直接与数字接口计算机或数字伺服控制器进行数据通讯。为配合无人机的无线链路通讯设计了软件。软件设计能够实现10位AD采样，模数转换，和与数字接口计算机之间通过RS422串口通讯。通讯采用异步全双工通信方式，通讯频率10Hz，传输波特率115.2kb/s，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无校验位。通讯频率和波特率可根据实际需要调节。

所述单片机包括下述功能模块：

数据采集模块：采集方位位移电位计和俯仰位移电位计输出的两轴模拟电压值并将其存储于单片机内部的寄存器组中，等待AD转换中断、定时器中断；

单杆控制系统与外部设备通讯方式可以使用三种方式：RS422数字通讯，RS422＋无线通讯和CAN总线通讯。以下分别对这三种通讯方式进行详细介绍。

如图2所示，单杆控制系统通过标准RS422与数字接口计算机或者数字伺服控制器通讯。

这种工作方式解决了数字接口计算机不能识别模拟电压信号的问题，同时对于数字伺服控制器可以直接接收数字化的单杆信息，减少了模数转换的工作，进而简化了数字伺服控制器设计的复杂度，减少了设计成本和设计电路的体积。这种方式也解决了以往的通用的计算机不能直接做控制使用。同时，也解决了模拟信号一般只能传输几米，而且传输距离的增加，带来电压的衰减，进而影响了单杆的精度。通过单片机A/D处理后，以RS422的形式发送，传输距离可以达到几百米，而且RS422的差分传输模式，可以抵抗衰减，进而增加了传输距离保证了传输的精度。而且RS422是通用的接口标准，可以连接到任何一台具有RS422接口的设备上，利于扩展和产品标准化。

如图3所示，单杆控制系统通过标准RS422与无线通讯设备相连接，数据信息通过无线通讯链路传输，再经机上无线通讯设备接收，传输给机载控制系统。机载控制系统需要使用单杆控制，但是普通单杆的模拟电压信号不可能通过无线通讯链路上传到机上系统，只有将单杆的模拟电压信号转换成数字信号，才可以通过无线通讯链路传输，进而提供给机上控制系统使用。在使用此方案的一个项目中，通过对单杆控制系统的软件进行设计，设计适合在无线通讯链路传输的通讯协议，协议中设计了通讯判错机制，进而保证了无线通讯的纠错能力。同时，无线通讯的设计，不同于普通的有线RS422通讯，不仅要考虑无线链路的纠错，判断有效帧，而且还要考虑无线链路的带宽（10HZ）。通过单杆控制系统软件设计，对定时器参数进行灵活设置，实现了以上功能。此种方式也可以推广应用，不仅可以应用于机载系统的控制，也可以应用与远程无线控制，在工业控制，生化实验室等高危险环境同样可以使用。

如图4所示，主电路板所使用的单片机可以采用dsPICxxF型单片机，特别是型号为dsPIC30F4011的单片机自带CAN通讯接口，可以通过CAN总线与数字接口计算机或者数字伺服控制器进行通讯。其中的控制器局域网（ControllerArea Network，CAN）模块是一个串行接口，可用于与其他设备或者单片机之间通信。此接口/协议是针对允许噪声环境下通信而设计的。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

本发明设计的单杆控制系统，可以实现CAN总线通讯，通过CAN总线与数字接口计算机或者数字伺服控制器进行通讯。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。进而此单杆控制系统，可以应用在工业控制中，应用广泛。

所述单片机主程序如图5所示，具体包括下述步骤：

初始化：对程序中使用的变量和函数进行定义；

执行Init_sys()函数，进行系统设置，包括振荡器基准频率的设置、单片机两个模拟采样端口的设置，定时器的初始化设置和定时器中断频率设置(即通讯频率)；

执行Init_IO()函数，定义I/O端口；

执行Init_uart()函数，定义uart（异步串行通信接口），设置接收和发送数据的波特率，起始位，数据位，停止位，校验位；

执行Init_ADC()函数，对寄存器组进行采样存储方式设置，AD中断方式设置（寄存器组存储满后产生AD采样完成中断信号）；

进入while(1){}死循环，采集两轴模拟电压值并将其存储于寄存器组，等待AD转换中断、定时器中断。

如图6所示，AD转换中断子程序包括下述步骤：

当AD中断信号产生时，取出寄存器组存储的数据并进行滤波处理得到数字化控制量；然后将数字化控制量数据按照无线链路通讯协议设置固定的双帧头和可变的异或和帧尾。

如图7所示，当定时器中断信号到来，将AD转换中断模块处理好的有效数据发送到外部设备。

所述单片机可以采用下述两种方式存储两轴模拟电压值：

第一种存储方式：

在前N个采样周期内，将采集的方位轴模拟电压值存入前N个寄存器，在后N个采样周期内，将采集的俯仰轴模拟电压值存入后N个寄存器。

当AD中断信号产生时，AD转换中断模块取前N个寄存器中的方位轴模拟电压值进行滤波处理，同时取后N个寄存器中的俯仰轴模拟电压值进行滤波处理，得到数字化控制量。

第二种存储方式：

在第一个采样周期内，单片机将采集的方位轴模拟电压值存入第一个寄存器，第二个采样周期内，将采集的俯仰轴模拟电压值存入第二个寄存器；第三个采样周期内，将采集的方位轴模拟电压值存入第三个寄存器，第四个采样周期内，将采集的俯仰轴模拟电压值存入第四个寄存器；以此类推，将方位轴模拟电压值和俯仰轴模拟电压值交替存储于2N个寄存器中；当AD中断信号产生时，AD转换中断模块取第一、三、......2N-1个寄存器中的方位轴模拟电压值进行滤波处理，同时取第二、四、......2N个寄存器中的俯仰轴模拟电压值进行滤波处理，得到数字化控制量。

第一种存储方式是本领域惯常的技术手段，采用这种方式由于俯仰模拟电压值的采集延迟了N个采样周期的时间，与方位模拟电压值的采集不同步，不仅输出的数字化控制量不准确，而且容易丢失数据，因而降低了控制精度。

本发明采用第二种存储方式。由于方位模拟电压值和俯仰模拟电压值是交替存储，两者的存储基本同步，因而控制精度高。

单杆控制系统通讯协议见表1。

表1

Claims

1.一种数字化单杆控制系统，包括方位位移电位计，俯仰位移电位计；手柄方位轴转动的机械位移控制量由方位位移电位计转换为方位轴模拟电压值，手柄俯仰轴转动的机械位移控制量由俯仰位移电位计转换为俯仰轴模拟电压值；其特征在于还包括单片机，RS422通讯芯片；所述方位位移电位计和俯仰位移电位计的输出分别连接到单片机的两个模拟端口，方位位移电位计和俯仰位移电位计输出的两轴模拟电压值分别由单片机转换成两轴数字化控制量；单片机输出的两轴数字化控制量通过RS422通讯芯片实现TTL信号与差分信号之间的转换，使两轴数字化控制量以RS422标准通讯形式发送。

2.根据权利要求1所述的数字化单杆控制系统，其特征在于所述单片机包括：

3.根据权利要求2所述的数字化单杆控制系统，其特征在于所述寄存器组包含2N个寄存器，在第一个采样周期内，数据采集模块将采集的方位轴模拟电压值存入第一个寄存器，第二个采样周期内，将采集的俯仰轴模拟电压值存入第二个寄存器；第三个采样周期内，将采集的方位轴模拟电压值存入第三个寄存器，第四个采样周期内，将采集的俯仰轴模拟电压值存入第四个寄存器；依此类推，将方位轴模拟电压值和俯仰轴模拟电压值交替存储于2N个寄存器中；当AD中断到来，AD转换中断模块取第一、三、......2N-1个寄存器中的方位轴模拟电压值进行滤波处理，同时取第二、四、......2N个寄存器中的俯仰轴模拟电压值进行滤波处理，得到数字化控制量。

4.根据权利要求2或3所述的数字化单杆控制系统，其特征在于所述单片机采用dsPICxxF型单片机。

5.根据权利要求4所述的数字化单杆控制系统，其特征在于所述单片机采用型号为dsPIC30F4011的单片机。