CN104503283A - 一种天线伺服控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线伺服控制装置，包括控制器、RS485总线、节点适配器、外控设备、电机和机械传动装置，电机通过机械传动装置驱动天线，控制器的通讯端与RS485总线连接，RS485总线通过多条总线分支线与多个节点适配器的通讯端一一对应连接，多个节点适配器还分别与多个电机的信号端和多个外控设备的信号输出端连接。本发明还公开了一种天线伺服控制装置采用的控制方法，包括以下步骤：控制器产生请求报文；发送请求报文；节点适配器接收该请求报文；提取出地址信息，并进行对比；执行相应的操作；形成应答报文；发送应答报文；控制器接收该应答报文，并进行超时判断。本发明采用RS485总线，减少了连接器数量和连线并提高了数据传输速度。

Description

一种天线伺服控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种天线控制装置，尤其涉及一种接口数量少、通讯速度快的天线伺服控制装置及控制方法。

背景技术

天线应用非常广泛，如卫星天线、雷达天线、车载天线等，其中的中、大型天线一般需要控制装置来实现天线的旋转，以实现最佳的信号接收效果。为了实现天线的精确控制，一般采用伺服控制装置对天线进行控制。

传统天线伺服控制装置的通信方式有两种，一种是控制器与电机直接相连，电机通过机械传动装置带动天线旋转，这种结构的电气控制部分如图1所示，一个控制器分别控制多个独立电机，图1中示出了第一电极至第N电机，这种结构对控制器的接口数量要求较多，不具备利用总线的分时复用功能，从而难以简化连线，导致连线复杂且成本高的缺陷；另一种为间接相连，即控制器通过总线和总线分支线与电机连接，电机通过机械传动装置带动天线旋转，这种结构的电气控制部分如图2所示，一个控制器通过一条CAN总线和多条总线分支线分别与多个电机连接，图2中示出了第一电极至第N电机，因为CAN总线的技术标准，最快速度为1Mbps，其物理层、链路层等各个环节都遵守这一技术标准，速度难以提高，所以这种结构的通讯速度慢，不能满足高速伺服控制需求。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种接口数量少、通讯速度快的天线伺服控制装置及控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种天线伺服控制装置，包括控制器、电机和机械传动装置，所述电机通过所述机械传动装置驱动所述天线，所述天线伺服控制装置还包括RS485总线、用于与所述控制器双向通讯并驱动所述电机的节点适配器和用于对所述节点适配器进行外部控制的外控设备，所述控制器的通讯端与所述RS485总线连接，所述RS485总线通过多条总线分支线与多个所述节点适配器的通讯端一一对应连接，多个所述节点适配器还分别与多个所述电机的信号端和多个所述外控设备的信号输出端连接。

上述结构中，RS485总线是一种常见的串行总线标准，采用平衡发送与差分接收的方式，因此具有抑制共模干扰的能力。RS485总线具有硬件设计简单、控制方便、成本低廉、传输距离远等优点，现广泛用于工业控制、小区监控、水情监控、地震勘探等领域，其中RS(Recommended Standard)代表推荐标准，RS485接口标准的最大传输距离为2000m，通信速率限制在93.75Kbps；当通信距离＜100m时，通信速率可达20Mbps，且随着半导体技术和工艺的进步，速度还可进一步提升，RS485总线具有差分结构，即用一对差分线传输信号，一根为传输差分正端信号，另一根传输差分负端信号，差分线可使用廉价的双绞线。节点适配器作为与控制器双向通讯并驱动电机运行的设备，配合RS485总线和总线分支线实现控制器间接控制电机的功能。控制器与节点适配器之间采用主从通信的方式，控制器作为总线的主节点，而各节点适配器作为从节点，通信由主节点发起，从节点收到相应的信息后应答主节点，节点适配器4最多可到256个。外控设备用于外部控制信号的输入，以便于用户参与实现更加精确的控制。电机作为伺服执行机构驱动天线在若干个自由度旋转，电机通过连线与节点适配器连接，可支持多种类型电机，如步进电机、无刷直流电机等。电机可以通过传动齿轮或者齿形带驱动机械传动装置，以此控制天线转动。

具体地，所述控制器包括主MCU和主收发器，所述主MCU与所述主收发器之间通过主发送信号线、主接收信号线、主发送控制线和主接收控制线对应连接，所述主收发器与所述RS485总线对应连接；所述节点适配器包括从MCU、从收发器、隔离器和电机驱动器，所述从MCU与所述从收发器之间通过从发送信号线、从接收信号线、从发送控制线和从接收控制线对应连接，所述从MCU与所述隔离器连接，所述隔离器分别与所述电机驱动器和所述外控设备的信号输出端连接，所述电机驱动器与所述电机的信号端连接，所述从收发器与所述总线分支线一一对应连接；多条所述总线分支线与所述RS485总线连接。

主MCU和从MCU分别作为控制器和节点适配器的核心芯片，实现数据处理和控制；主收发器和从收发器分别作为控制器和节点适配器之间的通讯终端部件，实现数据的收发；隔离器为信号隔离器，可选光耦合隔离器或数字隔离器，是将输入单路或双路电流或电压信号，变送输出隔离的单路或双路线性的电流或电压信号，并提高输入、输出、电源之间的电气隔离性能。

根据需要，所述外控设备包括编码器和限位开关，所述编码器的信号输出端和所述限位开关的信号输出端分别与所述隔离器对应连接。若上述节点适配器为其它结构，则所述编码器的信号输出端和所述限位开关的信号输出端分别与所述节点适配器对应连接。

一种上述天线伺服控制装置采用的控制方法，包括以下步骤：

(1)控制器产生请求报文；

(2)控制器产生的请求报文沿RS485总线广播，控制器从发出请求报文后启动定时；

(3)节点适配器通过总线分支线接收该请求报文；

(4)节点适配器从接收的该请求报文中提取出地址信息，并与自身的地址对比，如果相等，则接收该请求报文，并转入步骤(5)；如果不等，则不处理该请求报文，并重复本步骤；

(5)节点适配器对该请求报文进行简析，提取出命令信息，执行相应的操作，如果为电机控制命令，则根据此命令后跟的参数，产生电机控制信号；如果为获取状态信息命令，则从电机和外控设备获取状态信息；

(6)节点适配器将电机控制的信息或获取到的状态信息，进行组帧，形成与上述请求报文的字节格式、帧格式相同的应答报文，应答报文中设备地址一项为节点适配器的自身地址；

(7)节点适配器通过总线分支线将该应答报文发送到RS485总线；

(8)控制器通过RS485总线接收该应答报文，若在规定的时间内没有收到应答报文，则启动超时计数，如果某一个地址的应答报文超时超过规定次数，则判断相应的节点适配器有故障或者该节点适配器不存在，并将该信息反馈给用户。

作为优选，所述步骤(1)中，该请求报文的字节格式如下：

其波特率为10Mbps，即每一位持续的时间为100ns；

该请求报文的帧格式如下：

起始符

设备地址

长度

命令

参数

校验字

结束符

1字节

1字节

1字节

1字节

N字节

1字节

1字节

其中，起始符和结束符固定为0x7E；设备地址为节点适配器的地址；长度为命令、参数的字节总数；命令表示命令的类型；参数表示命令的参数，参数可以为0字节；校验字为设备地址、长度、命令、参数的字节级累加和；

所述步骤(2)中，对于开始符和结束符之间的所有字节，在发送时，对所有的0x7E和0x7D进行转义处理，0x7E转义为0x7D5E，0x7D转义为0x7D5D，其他转义定义均为错误，控制器先计算校验再转义发送；

所述步骤(4)中，节点适配器先转义再计算校验并提取信息。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所述天线伺服控制装置采用总线方式控制电机以及收集状态信息，减少了连接器数量和连线，在总线较长时尤其明显，因此可有效降低系统成本和复杂程度；采用RS485总线替代传统CAN总线，可大幅提升总线速度：CAN总线的速度不超过1Mbps，而RS485总线可到20Mbps，甚至更高，且稳定可靠。

2、本发明所述天线伺服控制装置因具有小巧、低功耗、高速、稳定等特征，可在伺服控制领域广泛使用。

3、本发明所述控制方法基于RS485总线物理层，设计了一套总线通信协议，明确了RS485总线物理层的链路层和应用层，具有错误校验功能，增强了系统的稳定性。

4、本发明所述控制方法以控制器作为控制中心，节点适配器响应控制器发出的请求报文，并发送应答报文，通过控制器的超时判断机制，可实时反映当前总线状态，非常利于总线错误诊断、定位。

附图说明

图1是传统天线伺服控制装置的电气控制示意图之一；

图2是传统天线伺服控制装置的电气控制示意图之二；

图3是本发明所述天线伺服控制装置的总体结构框图；

图4是本发明所述天线伺服控制装置的控制器与节点适配器之间的电气结构示意图，图中未示隔离器和电机驱动器；

图5是本发明所述天线伺服控制装置的节点适配器的电路结构框图，图中未示从发送信号线、从接收信号线、从发送控制线和从接收控制线；

图6是本发明所述天线伺服控制装置的控制器与节点适配器之间的通讯过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述天线伺服控制装置包括控制器1、RS485总线、用于与控制器1双向通讯并驱动电机的节点适配器2和用于对节点适配器2进行外部控制的外控设备3、电机和机械传动装置，控制器1的通讯端与RS485总线连接，RS485总线通过多条总线分支线与多个节点适配器2的通讯端一一对应连接，多个节点适配器2还分别与多个电机的信号端和多个外控设备3的信号输出端连接，电机通过机械传动装置驱动天线4。图3中示出了第一节点适配器、第二节点适配器…第N节点适配器，第一外控设备、第二外控设备…第N外控设备，以及N条总线分支线。

如图3、图4和图5所示，控制器1包括主MCU11和主收发器12，节点适配器2包括从MCU21、从收发器22、隔离器27和电机驱动器28，外控设备包括编码器和限位开关；主MCU11与主收发器12之间通过主发送信号线13、主接收信号线15、主发送控制线14和主接收控制线16对应连接，主收发器12与RS485总线连接；从MCU21与从收发器22之间通过从发送信号线23、从接收信号线25、从发送控制线24和从接收控制线26对应连接，从MCU21与隔离器27连接，隔离器27分别与电机驱动器28、编码器的信号输出端和限位开关的信号输出端连接，电机驱动器28与电机的信号端连接，从收发器22与总线分支线一一对应连接；多条总线分支线与RS485总线连接。这里的RS485总线和总线分支线均为双绞线，其中RS485总线由图4的A、B两条线组成，A线为RS485总线差分对的正端，B线为RS485总线差分对的负端；总线分支线的两条线未标记。为了完成控制器和RS485总线之间的阻抗匹配，在控制器1的两条输出线之间和每一个节点适配器2对应的总线分支线的两线之间分别设有为阻值为120Ω的匹配电阻R1、R2…RN。

本例中，控制器1的主MCU11和节点适配器2的从MCU21均选择意法半导体公司的STM32F407系列，节点适配器2的从MCU21也可选择法半导体公司的STM32F405系列，控制器1的主收发器12和节点适配器2的从收发器22均选择MAXIM公司的接口芯片MAX3078。主收发器12完成主MCU 11的TTL逻辑电平和RS485总线差分电平之间的转化，同时提供收发控制信号。隔离器3选用光耦合隔离器如FAIRCHILD公司的MOCD207M，或者数字隔离器，如ADI公司的ADUM7640。不同的电机，其驱动方式可能不同，因此电机驱动器28不固定，如选用步进电机，可选用东芝公司的THB6064H。

控制器1的信号处理过程如下：当主MCU 11设置主发送控制线14上的主发送控制信号为高电平，主收发器12通过主发送信号线13将主发送信号发送到RS485总线；当主MCU 11设置主发送控制线14上的主发送控制信号为低电平，主收发器12通过主发送信号线13将主发送信号关闭，使其与RS485总线断开。当主MCU 1设置主接收控制线16上的主接收控制信号为低电平，主收发器12通过主接收信号线15将主接收信号发送到RS485总线；当主MCU 1设置主接收控制线16上的主接收控制信号为高电平，主收发器12通过主接收信号线15将主接收信号关闭，使其与RS485总线断开。即：当控制器1处于发送状态时，主发送控制线14上的主发送控制信号和主接收控制线16上的主接收控制信号均为高电平；当控制器1处于接收状态时，主发送控制线14上的主发送控制信号和主接收控制线16上的主接收控制信号均为低电平。

节点适配器2的信号处理过程与控制器1类似，在此不再赘述。

结合图3、图4和图5，本发明所述天线伺服控制装置采用的控制方法，包括以下步骤：

(1)控制器1产生请求报文，该请求报文的字节格式如下：

其波特率为10Mbps，即每一位持续的时间为100ns；

该请求报文的帧格式如下：

起始符

设备地址

长度

命令

参数

校验字

结束符

1字节

1字节

1字节

1字节

N字节

1字节

1字节

其中，起始符和结束符固定为0x7E；设备地址为节点适配器的地址；长度为命令、参数的字节总数；命令表示命令的类型；参数表示命令的参数，参数可以为0字节；校验字为设备地址、长度、命令、参数的字节级累加和；

(2)控制器1产生的请求报文沿RS485总线广播，控制器1从发出请求报文后启动定时；对于开始符和结束符之间的所有字节，在发送时，对所有的0x7E和0x7D进行转义处理，0x7E转义为0x7D5E，0x7D转义为0x7D5D，其他转义定义均为错误，控制器1先计算校验再转义发送；

(3)节点适配器2通过总线分支线接收该请求报文；

(4)节点适配器2先将接收的该请求报文进行转义再计算校验并提取出地址信息，并与自身的地址对比，如果相等，则接收该请求报文，并转入步骤(5)；如果不等，则不处理该请求报文，并重复本步骤；

(5)节点适配器2对该请求报文进行简析，提取出命令信息，执行相应的操作，如果为电机控制命令，则根据此命令后跟的参数，产生电机控制信号；如果为获取状态信息命令，则从电机和外控设备3获取状态信息；

(6)节点适配器2将电机控制的信息或获取到的状态信息，进行组帧，形成与上述请求报文的字节格式、帧格式相同的应答报文，应答报文中设备地址一项为节点适配器2的自身地址；

(7)节点适配器2通过总线分支线将该应答报文发送到RS485总线；

(8)控制器1通过RS485总线接收该应答报文，若在规定的时间如200us(超时规定时间可以设定，与通信实时要求有关，对于实时性要求较严的场景，可设定较短的超时时间)内没有收到应答报文，则启动超时计数，如果某一个地址的应答报文超时超过规定次数如10次(具体次数根据设计需求而定)，则判断相应的节点适配器2有故障或者该节点适配器2不存在，并将该信息反馈给用户。

上述通讯过程可以通过图6所示的示意图来描述，具体如下：

总线本身的通信分层是3层，每层定义如下：

物理层：同层间提供bit级异步通信机制，半双工；向上层提供字节级接口。采用RS-485作为物理层，链路波特率为10Mbps，1位起止位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。

链路层：提供报文地址过滤，定帧、差错校验、错包丢弃、收发统计等功能；对上层提供无差错的报文收发接口。

应用层：控制交互流程，用消息进行通信。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，比如：控制器1和节点适配器2也可采用FPGA；也可将字节级累加和这种校验方式变为CRC校验方式；还可增加通信模式，除了控制器1发请求报文，某节点适配器2接收并发应答报文这种方式外，还可以：控制器1发请求报文，所有节点适配器2接收但不发应答报文，这种模式可以用来广播复位信号、关闭信号；总线的物理载体使用但不限于普通双绞线；只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (6)

1.一种天线伺服控制装置，包括控制器、电机和机械传动装置，所述电机通过所述机械传动装置驱动所述天线，其特征在于：所述天线伺服控制装置还包括RS485总线、用于与所述控制器双向通讯并驱动所述电机的节点适配器和用于对所述节点适配器进行外部控制的外控设备，所述控制器的通讯端与所述RS485总线连接，所述RS485总线通过多条总线分支线与多个所述节点适配器的通讯端一一对应连接，多个所述节点适配器还分别与多个所述电机的信号端和多个所述外控设备的信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的天线伺服控制装置，其特征在于：所述控制器包括主MCU和主收发器，所述主MCU与所述主收发器之间通过主发送信号线、主接收信号线、主发送控制线和主接收控制线对应连接，所述主收发器与所述RS485总线对应连接；所述节点适配器包括从MCU、从收发器、隔离器和电机驱动器，所述从MCU与所述从收发器之间通过从发送信号线、从接收信号线、从发送控制线和从接收控制线对应连接，所述从MCU与所述隔离器连接，所述隔离器分别与所述电机驱动器和所述外控设备的信号输出端连接，所述电机驱动器与所述电机的信号端连接，所述从收发器与所述总线分支线一一对应连接；多条所述总线分支线与所述RS485总线连接。

3.根据权利要求2所述的天线伺服控制装置，其特征在于：所述外控设备包括编码器和限位开关，所述编码器的信号输出端和所述限位开关的信号输出端分别与所述隔离器对应连接。

4.根据权利要求1所述的天线伺服控制装置，其特征在于：所述外控设备包括编码器和限位开关，所述编码器的信号输出端和所述限位开关的信号输出端分别与所述节点适配器对应连接。

5.一种如权利要求1-4中任何一项所述的天线伺服控制装置采用的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)控制器产生请求报文；

(2)控制器产生的请求报文沿RS485总线广播，控制器从发出请求报文后启动定时；

(3)节点适配器通过总线分支线接收该请求报文；

(4)节点适配器从接收的该请求报文中提取出地址信息，并与自身的地址对比，如果相等，则接收该请求报文，并转入步骤(5)；如果不等，则不处理该请求报文，并重复本步骤；

(5)节点适配器对该请求报文进行简析，提取出命令信息，执行相应的操作，如果为电机控制命令，则根据此命令后跟的参数，产生电机控制信号；如果为获取状态信息命令，则从电机和外控设备获取状态信息；

(6)节点适配器将电机控制的信息或获取到的状态信息，进行组帧，形成与上述请求报文的字节格式、帧格式相同的应答报文，应答报文中设备地址一项为节点适配器的自身地址；

(7)节点适配器通过总线分支线将该应答报文发送到RS485总线；

(8)控制器通过RS485总线接收该应答报文，若在规定的时间内没有收到应答报文，则启动超时计数，如果某一个地址的应答报文超时超过规定次数，则判断相应的节点适配器有故障或者该节点适配器不存在，并将该信息反馈给用户。

6.根据权利要求5所述的天线伺服控制装置采用的控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，该请求报文的字节格式如下：

其波特率为10Mbps，即每一位持续的时间为100ns；

该请求报文的帧格式如下：

起始符 设备地址 长度 命令 参数 校验字 结束符 1字节 1字节 1字节 1字节 N字节 1字节 1字节

其中，起始符和结束符固定为0x7E；设备地址为节点适配器的地址；长度为命令、参数的字节总数；命令表示命令的类型；参数表示命令的参数，参数可以为0字节；校验字为设备地址、长度、命令、参数的字节级累加和；

所述步骤(2)中，对于开始符和结束符之间的所有字节，在发送时，对所有的0x7E和0x7D进行转义处理，0x7E转义为0x7D5E，0x7D转义为0x7D5D，其他转义定义均为错误，控制器先计算校验再转义发送；

所述步骤(4)中，节点适配器先转义再计算校验并提取信息。