CN1862436A - 基于dsp的快速反射镜实时主动振动控制系统 - Google Patents

Abstract

基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，包括快反镜、激光光源、位敏传感器、基座、信号调理电路、DSP控制卡，当外部的扰动源从基座传递到位敏传感器时，激光束的斑点相对位敏传感器移动，位敏传感器产生相对位移的电压量及扰动源的扰动信号同时进入DSP控制卡，DSP控制卡采集这两路信号后，通过控制算法进行实时分析和控制计算，然后将待控制的数字量变换成一路模拟量输出到后置的调理电路，提供给快速反射镜，导致超磁致伸缩材料作动器产生相应的伸长或收缩，快反镜围绕定支点发生角度变化，导致激光束的反射角度变化，再通过位敏传感器检测激光束斑点位移的变化，反馈到DSP控制卡中，完成快速反射镜实时主动振动控制。本发明具有快速、实时和高精度控制的优点，有效地提高了系统的抗干扰能力。

Description

基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统

技术领域

本发明涉及一种快速反射镜实时主动振动控制系统，特别是一种基于DSP控制卡的快速反射镜实时主动振动控制系统，用于一自由度快速反射镜实时主动振动控制。

背景技术

快速反射镜作为近些年发展起来的一种精密跟踪技术手段，用以控制发射和接受光轴的方向，对光束到达方向的变化进行校正，即光束波前畸变整体倾斜的校正，这都离不开控制系统。现有的快速反射镜控制系统多由工业控制机、A/D和D/A卡组成，这种控制系统体积庞大，抗干扰能力差，控制精度相对较低，且不具有实时、快速控制功能。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种快速、实时和高精度控制，而且有效地提高了系统的抗干扰能力的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统。

本发明的技术解决方案：基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特点在于包括：快反镜、激光光源、位敏传感器、基座、信号调理电路、DSP控制卡，位敏传感器位于基座上，激光光源照射到快反镜上反射至位敏传感器，当外部的扰动源从基座传递到位敏传感器时，激光束的斑点相对位敏传感器移动，位敏传感器产生相对位移的电压量及扰动源的扰动信号同时进入DSP控制卡，DSP控制卡采集这两路信号后，通过控制算法进行实时分析和控制计算，然后将待控制的数字量变换成一路模拟量输出到后置的调理电路，提供给快速反射镜，导致超磁致伸缩材料作动器产生相应的伸长或收缩，快反镜围绕定支点发生角度变化，导致激光束的反射角度变化，再通过位敏传感器检测激光束斑点位移的变化，反馈到DSP控制卡中，如此反复进行，从而完成快速反射镜实时主动振动控制。

所述的DSP控制卡包括DSP电路、电源管理电路、A/D转换器、D/A转换器、逻辑时序控制电路、异步串口RS232转换电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；A/D转换器，与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制CPLD电路分别与DSP电路、A/D转换器和D/A转换器相接，用于A/D转换器和D/A转换器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将数据传至上位计算机，便于计算机进行后续的处理。

本发明与现有技术相比的优点在于：采用基于DSP控制卡，使得快速反射镜在微幅(微米级)、低频(10～100Hz)下的跟踪功能得以实现；而且减小了主控设备的体积，提高了系统的抗干扰能力，工作稳定；实验证明跟踪效果达到95％以上。

附图说明

图1为本发明快速反射镜实时主动振动控制系统的结构框图；

图2为本发明的DSP控制卡电路结构框图；

图3为本发明的DSP控制卡工作程序流程图；

图4为本发明的CPLD逻辑时序控制电路的框图；

图5为本发明的DSP芯片通过CPLD控制A/D转换器的逻辑时序控制图；

图6为本发明的DSP芯片通过CPLD控制D/A转换器的逻辑时序控制图；

图7为本发明的电源管理电路框图；

图8为本发明的异步串口RS232转换电路原理图；

图9为普通自适应滤波器LMS原理框图；

图10为本发明的LMS控制原理图(一自由度)；

图11为本发明的反射镜LMS控制算法(一自由度，单输入单输出系统)流程图；

图12、图13为本发明的快反镜控制效果图，其中图12是控制过程中A/D采集的误差信号e(k)，图13是控制过程中D/A输出的控制量f(k)。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：快反镜、激光光源、位敏传感器、基座、功率放大器、低通滤波器、带通滤波器、DSP控制卡，位敏传感器位于基座上，激光光源照射到快反镜上反射至位敏传感器，外部扰动源从基座传递到位敏传感器，激光束的斑点相对于位敏传感器移动，该位敏传感器产生相对位移的电压量，通过带通滤波器及外部的扰动信号进入DSP控制卡，DSP控制卡采集这两路信号经过A/D转换后，通过内嵌的LMS算法进行实时分析和控制计算，然后将待控制的数字量变换成一路模拟量输出到后置低通滤波器，由低通滤波器变换成平滑的模拟量输出，该模拟量经过功率放大器放大之后提供给快速反射镜，导致超磁致伸缩材料作动器产生相应的伸长或收缩，快速反射镜围绕定支点发生角度变化，导致激光束的反射角度变化，然后再通过位敏传感器检测激光束斑点位移的变化，进而再通过带通滤波器反馈到DSP控制卡中，如此反复进行，从而完成快速反射镜实时主动振动控制。

如图2所示，DSP控制卡包括DSP电路、电源管理电路、A/D转换器、D/A转换器、逻辑时序控制电路、异步串口RS232转换电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；A/D转换器，它与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制电路分别与DSP电路、A/D转换器和D/A转换器相接，用于A/D转换器和D/A转换器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将信号传至上位计算机，便于计算机进行后续的处理。

如图3所示，DSP控制卡的工作程序流程：(1)DSP控制卡加电；(2)引导程序加载(把引导程序从Flash ROM中复制到内存的0地址处)；(3)DSP芯片初始化配置；(4)等待上位计算机通过串口通信修改参数；(5)是否接收到参数修改的命令字：若接收到，进行下一步，若没有接收到，返回到(4)；(6)使能定时器中断，开始用LMS算法进行控制；(7)是否接收到程序中止的命令字：若接收到，返回到(4)，若没有接收到，进行下一步；(8)中断到来，运行LMS算法：A/D采样，数据处理，发送数据到D/A；(9)处理所得的数据与相关的条件相比较：若条件符合，进行下一步，控制完成，若条件不符合，返回到(7)；(10)关闭定时器中断；(11)保存数据：通过串口，将A/D采样数据和处理后发送到D/A的数据传送到上位计算机。

本发明的DSP电路包括DSP芯片、同步动态随机存储器SDRAM、快擦写存储器Flash ROM及时钟电路，同步动态随机存储器用作存储数据，快擦写存储器用作存储启动程序。DSP芯片使用的型号是美国TI公司的TMS320C6000系列，具有超长指令字结构；同步动态随机存储器采用4Banks×2M×16bits的HY57V281620HCT或HY57V281620HCST或HY57V281620HCLT或HY57V281620HLT或HY57V281620HST系列，快擦写存储器型号是512K×16bits的MBM29LV800TE或MBM29LV800BE系列。本发明的DSP控制卡技术指标为：DSP芯片工作频率：160MHz；采样频率：1000Hz；输入电压范围：±5V；输出电压范围：±10V；异步串口波特率：9600bps；最大电流：0.5A。

本发明中的A/D转换器采用分辨率12位、四通道同时转换、并行数据输出，芯片型号是AD7864AS。D/A转换器采用分辨率12位、四通道电压输出、并行数据输入，芯片型号是DAC8412。逻辑时序控制电路采用复杂可编程逻辑器件CPLD芯片，其型号是XC9500XL系列，DSP与A/D转换器数据管脚和D/A转换器数据管脚并行对应连接，通过复杂可编程逻辑器件CPLD对A/D转换器和D/A转换器进行使能、转换、读写控制等逻辑时序控制，如图4所示。

如图5所示，DSP芯片通过CPLD控制A/D转换器的逻辑时序控制过程如下：A/D转换器的CONVST由高-低-高电平，表示DSP芯片通知A/D转换器即开始转换，其在CONVST稳定为高电平时，开始采集数据，并完成模拟量到数字量的转换。转换完成后，A/D转换器的CS由高变低，A/D转换器的RD经过两个高-低-高电平，在RD为低电平期间，转换好的数据量数据出现在数据总线上，此时DSP芯片可以顺次读取这些数据，然后CS和RD变高电平，一次A/D转换完成，CONVST、CS和RD均为低电平有效。

如图6所示，DSP芯片通过CPLD控制D/A转换器的逻辑时序控制如下：D/A转换器的RESET由高-低-高电平，使D/A转换器的四个输出通道输出电压为零，这只在程序开始和控制完成后，才要用到，程序运行期间，不对它进行操作。LDAC和CS由高-低电平，D/A转换器开始新的模拟量输出。此时R/W变低电平，在此之前，A0和A1要选定哪个D/A转换通道输出。在R/W为低电平期间，DSP芯片通过数据总线把待输出的数字量写道D/A的转换寄存器中。之后，R/W、CS和LDAC依次变高电平，一次D/A转换完成，LDAC、CS和R/W均为低电平有效。

如图7所示，本发明的DSP控制卡外部供电电源为+5V。此+5V电源经过电源插座后，直接为A/D转换器件提供+5V电源；使用定电压隔离稳压模块电源NR5D15将+5V转换成±15V，为D/A转换器和D/A转换器的电压参考器件提供±15V电源；使用LDO线性稳压器件LM1086将+5V转换成+3.3V，为DSP、CPLD、同步动态随机存储器和快擦写存储器提供+3.3V电源；使用LDO线性稳压器件REG1117A将+3.3V转换成+1.2V，为DSP芯片提供+1.2V电源。

如图8所示，本发明的异步串口RS232转换电路原理图。DSP芯片进行串口通信时是使用它的多通道缓冲串口McBSP，是一种同步串行接口，不支持通用异步收发器(UART)标准。然而，通过软件设置，只要简单改动DSP芯片上的串行寄存器，可以实现DSP芯片与上位计算机的异步串行通信。具体连接方式如图所示，它的McBSP的数据输入DR和帧同步输入FSR都与UART的发送数据线Tx相连，UART的接收数据线Rx要与McBSP的数据输出线DX相连。

如图9所示，自适应滤波器LMS原理框图，说明：延迟单元个数(N)称为滤波器的抽头，每个延迟单元用单位延迟算子z^-1表示。特别的，当对x(k)进行z^-1运算时，其结果输出是x(k-1)。w_i(k)是抽头权值，i＝0，1，...，N-1。k指某一时刻，则

输入向量为 $X\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}x\left(k\right)\\ x(k-1)\\ \·\\ \·\\ \·\\ x(k-N+1)\end{array}\right],$ 权向量为 $W\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}{w}_0\left(k\right)\\ w_1\left(k\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ w_{N-1}\left(k\right)\end{array}\right]$

其中X(k)指时间序列x(k)，x(k-1)，...，x(k-N+1)为元素组成的向量，权向量W(k)指抽头权值w₀(k)，w₁(k)，...，w_N-1(k)组成的向量。

如图10所示，为本发明的LMS控制原理图(一自由度)。A/D转换器采集的是x(k)(扰动)和e(k)(误差)，共两个A/D输入通道。D/A输出的是f(k)(控制输出量)，一个D/A输出通道，此框图应用自适应滤波器LMS算法实现系统辨识功能的原理性框图。整个系统和作动器的具体控制模型，在控制领域现在一直没有得到很好的解决。所以采用LMS算法在线建模，并对被控系统进行控制。

如图11所示，为加入判断采样中断的快速反射镜LMS控制算法(一自由度，单输入单输出系统)流程图，具体的单输入单输出LMS控制算法如下：

如图12、13所示，为本发明的控制效果图像。前1000个采样时间(1ms)未施加LMS控制算法，用来对比施加LMS控制算法前后的效果。其中图12是A/D采集的误差信号e(k)，图13是D/A输出的控制量f(k)。从第1001采样时间开始，同一个采样点对应的误差信号e(k)和控制输出信号f(k)是在同一个采样周期内完成，共采样5000次，实际控制时间是4s。由图12可以看出，施加LMS控制算法和未施加LMS控制算法的效果很明显。

Claims (9)

1、基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于包括：快反镜、激光光源、位敏传感器、基座、信号调理电路、DSP控制卡，位敏传感器位于基座上，激光光源照射到反射镜上反射至位敏传感器，当外部的扰动源从基座传递到位敏传感器时，激光束的斑点相对位敏传感器移动，位敏传感器产生相对位移的电压量及扰动源的扰动信号同时进入DSP控制卡，DSP控制卡采集这两路信号后，通过控制算法进行实时分析和控制计算，然后将待控制的数字量变换成一路模拟量输出到后置的调理电路，提供给快速反射镜，导致超磁致伸缩材料作动器产生相应的伸长或收缩，快反镜围绕定支点发生角度变化，导致激光束的反射角度变化，再通过位敏传感器检测激光束斑点位移的变化，反馈到DSP控制卡中，如此反复进行，从而完成快速反射镜实时主动振动控制。

2、根据权利要求1所述的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的DSP控制卡包括DSP电路、电源管理电路、A/D转换器、D/A转换器、逻辑时序控制电路CPLD、异步串口RS232转换电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；A/D转换器，它与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，它与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制CPLD电路分别与DSP电路、A/D转换器和D/A转换器相接，用于A/D转换器和D/A转换器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将数据传至上位计算机。

3、根据权利要求1所述的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的DSP电路包括DSP芯片、同步动态随机存储器SDRAM、快擦写存储器Flash ROM及时钟电路，同步动态随机存储器用作存储数据，快擦写存储器用作存储启动程序。

4、根据权利要求3所述的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的DSP芯片为TMS320C6000系列，具有超长指令字结构。

5、根据权利要求3所述的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的同步动态随机存储器型号是4Banks×2M×16bits的HY57V281620HCT或HY57V281620HCST或HY57V281620HCLT或HY57V281620HLT或HY57V281620HST系列，快擦写存储器型号是512K×16bits的MBM29LV800TE或MBM29LV800BE系列。

6、根据权利要求2所述的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的A/D转换器为分辨率12位、四通道同时转换、并行数据输出。

7、根据权利要求2所述的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的D/A转换器为分辨率12位、四通道电压输出、并行数据输入。

8、根据权利要求2所述的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的逻辑时序控制电路采用CPLD芯片XC9500XL系列实现。

9、根据权利要求1所述的基于DSP的快速反射镜实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的控制算法为LMS算法。

Images