基于單片機的雷達伺服控制系統

崔娟

【摘 要】本文以C8051F020為主控制器，設計了一種高可靠性的雷達伺服系統，文中詳細介紹了它的硬件組成原理，并給出了相應的軟件結構和主要流程。該系統樣機已經調試通過，具有工作平穩、噪聲小、可靠性高等特點。

【關鍵詞】雷達伺服系統；C8051F020；步進電機

0 引言

雷達伺服控制系統用來控制天線動作，搜索各個方位的目標，實現天線的自動控制的系統。控制系統是由機械傳動部分和驅動控制電路組成。系統的結構組成和其它的反饋系統沒有本質上的區別，它是由若干元件和部件組成的具有功率放大電路的一種自動控制系統。

該系統實現控制雷達天線的正轉、反轉、步進、停止，實現人機對話，還要考慮到功耗低、體積小、便于攜帶的特點，在使用時應該具有高可靠性、傳輸誤碼率小，同時還要還要具有開機測試、電池電壓采樣，欠壓報警等輔助功能。本文是基于C8051F020單片機的設計，結合實際要求，將具體介紹該系統的硬件電路原理及軟件系統構建。

1 系統整體方案設計

本方案是為了實現對雷達天線的中心角度調整以及在方位上的掃描速度和掃描范圍的控制，采用準閉環控制系統，控制步進電機接受控制脈沖一步一步地旋轉，防止出現積累誤差。此方案采用Silabs公司開發的C8051F020單片機作為主控制器，NS公司推出的LMD18245作為步進電機驅動器，當單片機接收到終端命令時，控制步進電機進行相應的動作，系統中光電編碼器與步進電機同軸，光電編碼器將步進電機的動作反饋回單片機，從而實現對雷達天線的閉環控制。該系統通過RS232A串口進行通信和調試。系統總框圖（圖1）如下：

2 硬件電路設計

硬件電路主要包括主控C8051F020和驅動器LMD16245構成的控制電機電路、編碼器讀數經過整形電路回饋給主控的反饋電路、主控和串口芯片構成的通信和測試電路、電池電壓采樣電路及欠壓報警電路。

主控單片機C8051F020是一款真正獨立工作的片上系統，將C8051F020用于嵌入式控制系統，可大量減少外圍器件，充分發揮C8051F020的高速度特點，大大提高了系統的集成度。內部包含數字電路和模擬電路，在設計時應該將模擬電源和數字電源分別連接，最后要通過磁珠（或電感）連接在一起；由于步進電機功率驅動電路工作在較大脈沖電流狀態，電路中采用光電耦合器將主控單片機與步進電機隔離，這樣可以避免單片機與步進電機功率回路的共地干擾。單片機控制信號LVTTL和光電編碼器與控制電機之間的和TTL電平之間用74LV4245進行電平轉換。原理圖模塊設計如下介紹：

2.1 光電隔離

采用光耦集成電路TLP521實現隔離，不需要復雜的設計，就能達到防止干擾的目的。由于光耦的輸入端電流較大，直接使用CPU的引腳驅動會對CPU產生較大的電流沖擊，所以先用74LVX4245進行驅動，然后控制光耦工作。

2.2 電平轉換

CPU及外圍電路用3.3V供電，CPU引腳直接輸出的是LVTTL電平，為了與外部TTL電平兼容，并且提高驅動能力與減少干擾，采用集成電路74LVX4245實現電平轉換。

2.3 驅動電路

驅動電路采用集成電路LMD18245，最大輸出電流3A，內部含16細分電路，也可以外接電路再細分，外圍電路簡單。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。

2.4 電源轉換電路（DC/DC）

驅動部分電路容易受到干擾，與CPU部分的供電電源分開，利用2個DC/DC集成電路產生2路5V電壓，一路提供給光電編碼器，并經變換提供給CPU，另一路提供給光藕和驅動電路的邏輯電平。

2.5 JTAG

片內JTAG接口可直接對對安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、實時在系統仿真調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器及寄存器，支持斷點、單步、運行和停止命令。在使用JTAG調試時，所有模擬和數字外設都可全功能運行。

3 軟件部分設計

本系統采用角度與速度準雙閉環控制。角度反饋是伺服的主反饋回路，時實角度由光電編碼器采集得到；速度反饋是一個局部反饋回路，前次的速度值只是軟件的記憶值，外部沒有速度傳感器，所以在本文中稱為準雙閉環控制。在任何時刻當角度與速度發生變化時，系統都必須響應，速度值的控制由軟件設置中斷周期來完成，編寫程序時，特別注意中斷、存儲器、運算符號位的管理，提高系統的可靠性。主流程圖如圖2所示。

4 結論

本文提出的基于C8051F020的雷達伺服控制系統在雷達整機樣機中調試通過，并能夠正常的工作。使用細分驅動器更加精確的控制了步進電機的相電流，大大的改善了電機的振動和噪音，消除了電機的低頻振蕩，提高了電機的輸出轉矩。單片機C8051F020本身就是低功耗設計，還可以通過改變系統時鐘、復位源及片上外設等狀態來節省功耗。

【參考文獻】

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[責任編輯：王楠]