大型對數(shù)周期天線陣列伺服控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊琰麗 李穎 何會彬

摘 要：為了對大型對數(shù)周期天線陣列進行伺服控制，實現(xiàn)天線陣列中單軸轉(zhuǎn)臺俯仰方向的運動控制，設計并實現(xiàn)了大型對數(shù)周期天線陣列伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主控制單元通過CAN總線與天線陣列中各天線驅(qū)動控制單元通信。除主控制單元觸摸屏外， PC上位機通過主控制單元配置擴展網(wǎng)絡接口模塊，可對天線陣列進行遠程控制，無需專人值守;應急手持設備在主控制單元或CAN總線故障時，可單獨控制天線陣列中任一天線運動。運行結果表明，本系統(tǒng)已在16個大型對數(shù)周期天線構成的陣列中使用，能單獨控制某個天線、控制某幾個（或所有）天線同時同向或異向轉(zhuǎn)動，或通過角度設置使天線轉(zhuǎn)動到確定的角度，位置精度達到0.1°，運行狀態(tài)穩(wěn)定良好，可靠性高。能夠滿足大型對數(shù)周期天線陣列的控制要求，可應用于大部分大型對數(shù)周期天線陣列，有較高的應用價值，能為大型天線陣列控制提供參考。

關鍵詞：自動化技術應用;大型對數(shù)周期天線;陣列;伺服控制;CAN總線;ARM9

中圖分類號：TP273 ??文獻標志碼：A

Design and implementation of large log-periodic

antenna array servo control system

YANG Yanli1， LI Ying1， HE Huibin2

（1. School of Information Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. Research and Development Department， Hebei Shenzhou Satellite Communications Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050200， China）

Abstract：

In order to perform servo control on a large log-periodic antenna array and realize the control of the pitch direction of the single axis rotary table in the antenna array， a large log-periodic antenna array servo control system is designed and implemented. The main control unit of the system is designed to communicate with each antenna drive control unit in the antenna array via the CAN bus. In addition to the touch screen of the main control unit， the antenna array can be controlled remotely and unattended by the PC upper computer through the extended network interface module configured by the main control unit. The emergency hand-held device is designed to control the movement of any antenna in the antenna array individually when the main control unit or CAN bus fails.

The running results indicate： The system has been used in an array which is composed of 16 large log-periodic antennas. It is able to control an antenna individually and control some （or all） antennas to rotate in the same direction or in opposite directions， or rotate the antenna to a certain angle by angle setting. The position accuracy of the system reaches 01 degree with stable running and high reliability. The system can fulfill the control requirements of large log-periodic antenna arrays， and can be applied to most large log-periodic antenna arrays. It can provide references for the control of large antenna arrays with high application value.

Keywords：

application of automation technology; large log-periodic antenna; array; servo control; CAN bus; ARM9

1 大型天線陣列的研究和發(fā)展

單一天線的方向性是有限的。將2個或2個以上的單個天線，按照相應要求進行饋電和空間排列構成天線陣列， 以增強天線的方向性，提高天線增益[1]。大型天線陣列作為地面觀測裝置，可以對空間位置進行長期跟蹤監(jiān)測，能捕捉極其微弱的射電信號[2]。其在射電天文觀測、深空探測、太陽活動監(jiān)測、空間天氣研究等方面的應用，不僅承載了人類研究宇宙物質(zhì)的原初性質(zhì)和結構、天體形成和演化、暗物質(zhì)和暗能量分布等天文、物理重大科學命題的使命[3]，在軍事國防上也具有重要的戰(zhàn)略意義（如強的太陽射電爆發(fā)可造成短波通信中斷等），是國家戰(zhàn)略計劃的重要組成部分[4]。

自20世紀90年代初以來，各國政府相繼開展對大型天線陣列的研究和應用[5]。如英國劍橋81.5 MHz天線陣列由4 096個天線組成，在東西方向上排成32行，每行128個，行距0.65波長（3.68 m），等效接收面積36 000 m2[6]。俄羅斯151 MHz射電天文天線陣列共1 344個天線單元，共32行，行距3.5 m，每行42個天線單元，間隔3 m，總占地面積13 345.5 m2[7]。目前，中國參與建設的SKA（平方千米陣列射電天文望遠鏡）將在澳大利亞、南非及非洲南部8個國家約3 000 km的廣袤荒野中建設2 500面15 m口徑反射面天線[8]，建成后，比目前最大的射電望遠鏡陣列——美國EVLA的靈敏度提高50倍，巡天速度提高10 000倍[9]。

大型天線陣列數(shù)量較少，但它是國家科技和經(jīng)濟實力的綜合體現(xiàn)。大型天線陣列覆蓋面積廣，單個設備體積大，質(zhì)量重，又要求控制系統(tǒng)具有良好的實時性、同步性、穩(wěn)定性和高可靠性，這些都給天線陣列控制系統(tǒng)的設計帶來了困難[10]。

2 大型對數(shù)周期天線陣列伺服控制系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)要求能控制大型天線組成的天線陣列：該陣列由16個（或更多）桁架式對數(shù)周期天線組成，每個天線尺寸為12 m×15 m，有效面積526 m2，天線質(zhì)量1 000 kg，質(zhì)心距俯仰軸距1 500 mm，連同單軸俯仰式轉(zhuǎn)臺架設在12 m高的自立塔架上，如圖1所示，相鄰天線間隔50 m，所有天線排成一排。要求能實現(xiàn)單獨控制（控制某個或某幾個天線同向、或各自向不同方向轉(zhuǎn)動）、聯(lián)動控制（控制所有天線同向、或各自向不同方向轉(zhuǎn)動），轉(zhuǎn)動范圍為俯仰角0°（天線與地面水平）～90°（天線與地面垂直）;或通過數(shù)據(jù)引導模式，使天線轉(zhuǎn)動到設置的角度，從而實時調(diào)整天線陣列的空間指向，滿足用戶通信要求。

根據(jù)對大型對數(shù)周期天線陣列的控制需要，及系統(tǒng)須具有良好的實時性、穩(wěn)定性和高可靠性的控制要求，設計并實現(xiàn)了大型對數(shù)周期天線陣列伺服控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)采用分布式控制，主要由放置于控制室的主控制單元、安裝在每個天線轉(zhuǎn)臺上的天線驅(qū)動控制單元、應急手持控制設備等構成。天線陣列中天線數(shù)量眾多，每個天線都是一個受控設備，系統(tǒng)要求每個受控設備都能作為主設備發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，并具有良好的實時性，同時要保證后期可以方便地進行擴展。系統(tǒng)使用CAN總線連接主控制單元及各天線驅(qū)動控制單元進行通信，如圖2所示。

CAN總線是一種總線型拓撲通信網(wǎng)絡，用于連接現(xiàn)場的智能設備與控制室內(nèi)的自動化系統(tǒng)，具有數(shù)字式、串行及多點通信等特點，能滿足大型天線陣列對現(xiàn)場總線的要求[11]。CAN總線為多主總線，網(wǎng)絡中任一節(jié)點均可發(fā)起數(shù)據(jù)通信，不區(qū)分主從設備[12]。其采用非破壞性總線仲裁技術，可根據(jù)不同節(jié)點的優(yōu)先級安排數(shù)據(jù)傳輸次序，節(jié)省了總線仲裁時間，提高了系統(tǒng)實時性[13]。CAN總線可實現(xiàn)點對點、點對多點通信功能。通過對通信數(shù)據(jù)編碼，可使網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點數(shù)達100個以上。通信距離最遠可達10 km（5 KB/s），通信速率最高可達1 MB/s（40 m）[14]。

系統(tǒng)通過主控制單元觸摸屏控制天線陣列，應急狀態(tài)下可通過手持控制設備（通過RS485與天線驅(qū)動控制單元通信）單獨控制天線陣列中任一天線運動。主控制單元通過RS232/RS485串行接口與PC上位機通信，也可通過相應上位機軟件實現(xiàn)對天線陣列的監(jiān)視、控制和設置等功能。此外，可通過主控制單元的擴展網(wǎng)絡接口模塊，實現(xiàn)遠程控制，無人值守。

2.2 主控制單元設計

主控制單元采用ARM9作為中央處理器，將16個天線數(shù)據(jù)全部顯示在約2565 cm（10.1英寸）觸摸屏中，界面美觀，操作便捷，實用性強。主控制單元能顯示天線陣列中全部天線的當前角度，是否處于限位狀態(tài)（天線與水平面夾角0°或90°），當前的旋轉(zhuǎn)方向（順時針旋轉(zhuǎn)或逆時針旋轉(zhuǎn)）[15]。主控制單元通過CAN總線驅(qū)動各天線驅(qū)動控制單元，實現(xiàn)對天線陣列中單個、多個和所有天線的運動控制。主控制單元也可通過串行接口接收上位機命令，或通過網(wǎng)絡接口接收遠程命令實現(xiàn)對天線陣列中天線的運動控制[16]。此外，驅(qū)動電機啟動時電流及功耗較大，為此主控制單元設置了啟動延時，當天線陣列中有多個或所有天線電機需啟動時，在前一天線電機啟動200 ms后再啟動下一個天線電機[17]。

2.3 天線驅(qū)動控制單元設計

天線驅(qū)動控制單元由ARM控制器、角度反饋、驅(qū)動器、限位保護、抗干擾電路等部分組成，如圖3所示。

天線驅(qū)動控制單元采用意法半導體公司生產(chǎn)的基于ARM 7內(nèi)核的STM32作為主控制芯片，成本低、實時性和可靠性好[18];角度傳感器采用16位絕對型光電編碼器。因為大型對數(shù)周期天線質(zhì)量大，驅(qū)動電機功率大，其電流對單片機有較強的干擾，因此在單片機和驅(qū)動電路之間增加光耦隔離，增強了天線驅(qū)動控制單元的抗干擾性[19]。此外，天線驅(qū)動控制單元中還包含手動控制模塊，當主控制單元或CAN故障時，通過串行通信接口接收手持應急設備的命令，實現(xiàn)對天線的運動控制，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性[20]。

3 結 語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了由16個大型對數(shù)周期天線構成的天線陣列的運動控制，實現(xiàn)了對單個天線、多個或所有天線單軸轉(zhuǎn)臺俯仰方向的同向或異向?qū)崟r運動控制。使用CAN總線連接各天線驅(qū)動控制單元，由主控制單元集中控制天線陣列，操作便捷，減少了設備投入，降低了成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。提供主控制單元、應急手持設備、PC上位機，網(wǎng)絡遠程控制等多種控制方式，提高了系統(tǒng)的可靠性。目前已在某研究所的天線陣列中使用，位置精度達到0.1°，為大型天線陣列控制技術的研究積累了寶貴的經(jīng)驗。系統(tǒng)的不足之處在于應急手持設備與天線陣列中各驅(qū)動控制單元尚未實現(xiàn)無線通信，給操作帶來不便。未來可進一步研究借助物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)異地多區(qū)域大型天線陣列的集中控制技術。

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