便攜式靜中通天線控制系統設計

李敬一（北京航天光華電子技術有限公司，北 京 100854）

便攜式靜中通天線控制系統設計

李敬一
（北京航天光華電子技術有限公司，北 京 100854）

對便攜式靜中通天線控制系統的設計方法進行了論述。便攜式靜中通天線是一種復雜的高度集成的機電一體化產品，其控制系統主要由傳感器檢測部件、主控板組成，對星過程采用十字對星法，控制效果好。該系統能夠通過一鍵對星或上位機操作進行對星，操作簡單、質量輕、體積小、便于攜帶，適用于各種應急救災場所。

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自然災害發生時，地面通信網絡容易遭到破壞，且難以快速恢復。建立先進的應急通信系統，能夠為搶險救災爭取時間、減少損失。衛星通信具有覆蓋面大、頻帶寬、容量大、適用于多種業務等優點，可以作為應急通信的一個重要手段。建立天地一體化通信網絡，當發生重大災害而導致網絡癱瘓時，提供快速、可靠的應急通信覆蓋，是通信網絡建設中值得重視的問題。因此，便攜式靜中通天線應運而生。

便攜式靜中通天線主要完成衛星的自動對星功能，具有一鍵對星、易于安裝、操作、集成等特點，成本低，應用廣泛，具有良好的市場前景和顯著的經濟效益。

1 便攜式靜中通天線控制系統的組成

便攜式靜中通天線控制系統的主控板為整個控制系統的核心，主要完成天線方位、俯仰、極化三軸的控制，以及與信標機、上位機等的通訊功能，控制系統框圖如圖1所示。

圖1　控制系統框圖

2 傳感器檢測部件選取

2.1 俯仰軸傳感器

俯仰軸位置檢測單元選用傾角傳感器，主要用來確定俯仰軸的位置信息，俯仰軸在升起和下降過程中位置變化緩慢，傾角傳感器能夠滿足使用要求。

2.2 方位軸傳感器

分別在天線座天線方位轉動范圍的左、中、右位置放置3個限位開關，上電后，天線方位軸向固定方向轉動，碰觸到某個限位開關時即可獲取當前的絕對角度信息，如圖2所示。

圖2　限位開關獲取絕對位置

2.3 極化軸傳感器

絕對值編碼器為數字量輸出，輸出當前的絕對角度，精度可達16位及以上，價位較高，適用于對精度要求較高的場合。考慮到本系統對精度要求較高，且用于惡劣環境，因此，選用絕對值編碼器進行極化電機位置檢測。

3 主控板設計

主控板上各模塊及與外圍傳感器的通信關系如圖3所示。

圖3　主控板功能框圖

3.1 電源模塊

靜中通天線控制系統的主控板供電電源電壓為24V，電位計供電電壓為12V，傾角傳感器、絕對值碼盤、信標

電源輸入模塊的電路如圖4所示，采用貼片式肖特基二極管進行反接保護，肖特基二極管具有正向偏置電壓低的特點，SK24的正向偏置電壓為0.5V，損失的壓降較小；選用自恢復式保險絲進行電流保護，防止在電流過大時損壞其它重要器件；SMBJ26CA穩壓管用于防止浪涌，型號選用原則為擊穿電壓VBR為工作電壓的0.85倍。

圖4　電源輸入模塊

圖5、圖6分別為24V轉12V模塊和24V轉5V模塊，分別選用電壓轉換芯片LM2676S-12和LM2677-5，驅動能力分別為3A和5A，采用DATASHEET中的推薦電路進行設計：輸入采用大電容和小電容并聯的方法進行低頻和高頻濾波；輸出電壓采用低ESR的鉭電容進行濾波；SR34 和6TQ045S均為肖特基二極管，當電壓轉換芯片突然關斷時，二極管將輸出電壓鉗位在0V以下。此外，該模塊還采用穩壓管及自恢復式保險絲進行過壓過流保護。

圖5　24V轉12V

圖6　24V轉5V

圖7、圖8分別為5V轉3.3V和3.3V轉1.8V模塊，輸出采用穩壓管和自恢復式保險絲進行過壓過流保護。

圖7　5V轉3.3V

圖8　3.3V轉1.8V

圖9為電源隔離模塊，采用磁珠分別將電源隔離成數字電源、模擬電源，將地隔離成數字地和模擬地。

圖9　電源隔離

3.2 主控芯片最小系統

主控芯片選用基于Cotex M3內核的控制芯片TM4C123BH6PM，具有豐富的外設和浮點運算功能；采用庫函數進行編程設計，簡化了開發流程，提高了效率。由于TM4C123BH6PM出色的特性，該系列芯片被廣泛用于自動化與過程控制、消費類和便攜式電子產品、人機界面、工業、照明等領域。

圖10為主控芯片最小系統，分別采用模擬電源和數字電源進行供電，采用MAX809進行上電復位檢測，16M外接無源晶振源，采用2.0間距的JTAG下載接口，小巧方便。

圖10　主控芯片最小系統

3.3 A/D轉換調理電路

圖11為A/D（模擬/數字）轉換調理電路，共兩路，分別為信標機AGC電壓和電位計輸出電壓調理電路，OPA2353為兩路集成運放芯片。A/D調理電路由電壓比例電路、電壓跟隨器和二階壓控電壓低通濾波電路組成。電壓比例電路通過匹配合適的電阻，將輸入信號的模擬電壓值降至ARM芯片A/D模塊輸入電壓的范圍（0V～3.3V）。當A/D模塊的輸入阻抗較小時，要求信號源的阻抗更小，這樣，A/D采集才會比較精確。運放電路設計成電壓跟隨器，該電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的特點，能夠實現到A/D模塊的阻抗匹配。

同時，通過一個電容將運放的輸入端接到運放的輸出端形成正反饋，構成二階壓控電壓源低通濾波電路。以信標電路為例，在該正反饋電路中，C58使相位超前，C40使相位滯后，只要參數選擇合適，可以使整個電路在法f=f0附近帶有正反饋且不造成自激振蕩。這樣，就可使濾波電路在f=f0附近的電壓增益提高，使f=f0附近的對數幅頻特性曲線接近于理想的水平線。

圖11　A/D轉換調理電路

3.4 俯仰方位電機驅動電路

圖12為俯仰方位電機驅動電路，方位電機和俯仰電機的驅動主要由外部驅動器完成，主控板需提供一路開關信號和一路脈沖信號，其中，ARM_AZPWM、ARM_EIPWM 與ARM的PWM模塊相連，ARM_AZDIR、ARM_EIDIR連接ARM I/O（輸入/輸出）口，兩路信號均通過光耦隔離輸出。

圖12　俯仰方位電機驅動電路

3.5 極化電機驅動電路

圖13為極化電機驅動電路，采用L298進行驅動，通過參照芯片手冊進行外圍電路設計，同時布設4個快恢復二極管實現橋式電路，再利用單片機可編程定時器提供脈沖信號，驅動極化電機進行相應動作。

圖13　極化電機驅動電路

3.6 Wi-Fi模塊

圖14為Wi-Fi模塊設計電路，Wi-Fi模塊選用USRWIFI232-B，使用方便，配置簡單，人機界面友好。參照其硬件電路設計要求，設計Reload電路和指示燈電路，并將nlink管腳接到ARM的I/O口，并引出PHY的4個管腳，用于轉成以太網接口。

圖14　Wi-Fi模塊

3.7 GPS模塊設計

圖15為GPS模塊設計。GPS模塊采用板上表貼的LEA-5S，應用成熟，外圍電路簡單易實現，參照技術手冊設計電路。

圖15　GPS模塊

3.8 RS485收發模塊

傳統的RS485收發模塊需要進行系統隔離設計，本電路采用金升陽的RS485隔離收發模塊TD301D485H-E，是一款集隔離電源、信號隔離芯片、RS485收發芯片和總線保護器件于一體的RS485協議收發模塊。其自帶定壓隔離電源，可實現2500VDC的電氣隔離，并具有ESD保護功能。

考慮到線路的特殊情況（如某臺分機的RS485芯片被擊穿短路），為防止總線中其它分機的通信受到影響，在RS485信號輸出端串聯了2個10Ω的電阻R13、R19。這樣，本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在應用系統工程的現場施工中，由于通信載體是雙絞線，其特性阻抗為120Ω左右，所以，在線路設計時，在RS485網絡傳輸線的始端和末端各應接1只120Ω的匹配電阻（見圖14中的R17），以減少線路上傳輸信號的反射。

由于RS485芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為±200mV，即差分輸入端VA-VB≥+200mV，輸出邏輯1，VA-VB≤-200mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對值小于200mV時，輸出為不確定。如果在總線上所有發送器被禁止時，接收器輸出邏輯0，這會誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的方法是人為地使A端電位高于B兩端電位，這樣，RXD的電平在RS485總線不發送期間（總線懸浮時）呈現唯一的高電平，ARM就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在RS485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R11、R20，即可很好地解決這個問題。同時，RS485收發器的輸出端分別連接穩壓管及防雷管進行電路保護，如圖16所示。

圖16　RS485收發模塊

3.9 MAX232電平和TTL電平轉換

圖17為MAX 232電平和TTL電平轉換電路，共3路，使用了2個MAX3232芯片，電路成熟，參照設計手冊設計即可，其輸出加過流過壓保護。

圖17　232電平和TTL電平轉換

3.10 SPI接口設計

SPI接口用于與外圍的Tunner模塊進行通信，通過ARM自帶的SPI模塊通過BAT54S進行電壓鉗位，并通過限流、濾波、ESD、過流保護電路進行保護。電路設計如圖18所示。

3.11 限位開關及一鍵通按鈕

限位開關和一鍵通按鈕均直接輸入到ARM的GPIO輸入引腳，如圖19所示，當按鈕未按下時，由于電阻的上拉作用（R54～R58），ARM檢測到引腳為高電平；當按鈕按下時，ARM檢測到引腳為低電平。3個限位開關+一鍵通按鈕，并增加了一路輸入以作備用。

圖19　IO口輸入

4 下位機程序設計

天線的控制流程初定為：上電后，天線判斷上次斷電是否正常，如果上次斷電正常，那么，天線轉到初始位置（方位0°，俯仰45°，極化0°），如果非正常斷電，則天線在上電后保持不動，這主要是考慮到天線在對星完成后遇到突然斷電情況，再重新上電后無需再次對星。控制過程中在while循環中使用switch mode進行模式判斷，mode=0， break；mode=1，天線轉到初始化位置；mode=2，天線對星；mode=3，天線收藏。整體控制流程如圖20所示。

5 實 驗

通過實際對星試驗，驗證控制系統的使用效果。實驗結果表明，鑫諾5號對星時間為1分40秒以內。靜中通天線與7.5m基站語音、視頻通信效果良好，語音、視頻信號無明顯中斷現象，接收增益為30dB，發送增益為31dB。圖21和圖22分別為實驗過程圖。

圖20　程序流程圖

6 結束語

便攜式靜中通天線控制系統采用模塊化設計，便于集成和調試，成本低，控制效果好，能夠滿足系統使用要求。實際對星實驗結果表明，天線與基站通信無明顯中斷現象，達到了設計要求。

圖21　接收極化

圖22　接收反極化

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1009-8119（2016）08（1）-0057-04機、電機驅動器供電電壓均為24V，OPA2353供電電壓為5V，Wi-Fi轉以太網口模塊供電電壓為1.8V，其它供電電壓為3.3V。因此，電源模塊主要考慮將24V電壓轉換成12V、5V、3.3V、1.8V。