O 引言

    雷達(dá)偵察設(shè)備由于要對從幾百兆赫至幾十吉赫的頻段進(jìn)行偵察接收，為了保證天線的電氣特性,，同時便于跟蹤不同波段的多個目標(biāo),，往往采用多部天線,。以往對天線的控制多采用相互獨(dú)立的方式，每一部天線有對應(yīng)的一套控制系統(tǒng),，其結(jié)果不僅是設(shè)備量大,，故障率高，而且操作起來也不方便,。為了簡化對多部天線的控制,，可以利用CAN總線的優(yōu)勢。CAN(Controller Area Network)總線為多主總線,，具有點(diǎn)對點(diǎn),，一點(diǎn)對多點(diǎn)通信的功能，它采用非破壞性總線仲裁技術(shù),，可以根據(jù)總線上不同節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級高(低)安排數(shù)據(jù)的傳輸次序,，節(jié)省了總線仲裁時間，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(5 Kb／s),，通訊速率最高可達(dá)1 Mb／s(40 m),。此外，CAN協(xié)議能夠?qū)νㄐ艛?shù)據(jù)進(jìn)行編碼,，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)100個以上,。某雷達(dá)偵察設(shè)備中共有六部天線，對應(yīng)于六個不同的波段,，每部天線作為一個節(jié)點(diǎn),，操作臺作為上位節(jié)點(diǎn)，通過設(shè)計靈活地控制軟件,，完成對各天線掃描方式,、掃描速度及掃描范圍的設(shè)定及PID控制。

1 CAN總線多夫線控制系統(tǒng)的組成
    多天線控制系統(tǒng)由本地控制組件,、CAN總線和天線控制器組成,，如圖1所示。其中本地控制組件包括本控面板,、電源,、微處理器和電機(jī)驅(qū)動電路，負(fù)責(zé)天線的位置信息采集和電機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn),；CAN總線采用CAN 2．0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，接口芯片采用SJA1000，完成物理鏈路層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層功能,；天線控制器包括顯示面板,、控制按鍵、手輪,、微處理器等,，用于接收用戶操作指令,，顯示指定天線的狀態(tài)和控制天線的運(yùn)動方式。

    在由CAN總線構(gòu)成的天線控制系統(tǒng)中,，天線控制器和本地控制組件各分配一個固定的CAN網(wǎng)絡(luò)地址,，天線控制器通過面板選擇所要控制的天線編號，將該天線的工作方式(扇掃,、環(huán)掃,、手動)、工作參數(shù)(扇掃邊界,、掃描速度)等發(fā)送到所選天線的本地控制組件,，再由本地控制組件根據(jù)天線控制器給出的控制算法，實(shí)現(xiàn)對天線的控制,，并將天線的當(dāng)前參數(shù)(方位,、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向)通過CAN總線傳送到天線控制器上顯示,。手動方式時,，所選天線的本地控制組件根據(jù)天線控制器手輪的控制信息和跟隨算法，實(shí)現(xiàn)對天線的手動位置控制,。

2 方位傳感器的數(shù)字化設(shè)計
    在對天線位置信息的采集中,，方位傳感器采用同步機(jī)電路實(shí)現(xiàn)。其中,，定子線圈加入工頻激磁電壓,，轉(zhuǎn)子的三相電壓幅度受定子與轉(zhuǎn)子相對角度的調(diào)制，三個轉(zhuǎn)子線圈之間相互間隔120°放置,。在模擬信號傳輸中，同步接收機(jī)會根據(jù)三相電壓幅度的變化跟隨同步機(jī)做同步旋轉(zhuǎn),，達(dá)到傳輸角度信號之目的,。為了便于與微處理器的連接，輸出的方位信號還必須做數(shù)字化處理,。
    設(shè)同步機(jī)定子加激磁電壓Vo=Vmsinωt,，三個轉(zhuǎn)子線圈的電壓方程為：
    
    式中：K為轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的變壓比；θ為轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角,；ω為工頻激磁電壓的角頻率,。
    由此可知，在激磁電壓正峰值時,，對三個電壓取值,，則V1，V2,，V3與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為：
    
    將轉(zhuǎn)角θ從0～360°劃分為12個區(qū)間,，每個區(qū)間30°,，則可將同步機(jī)三相電壓幅度隨轉(zhuǎn)子角度變化的曲線繪制如圖2所示。

    如果用V1-V2,，V2-V3,，V3-V1以及V1，V2,，V3中絕對值最小的信號Vx的極性來表示這12個區(qū)間,，則很容易得到各區(qū)間的二進(jìn)制代碼，如表1所示,。例如：當(dāng)θ角在0～30°時,，V1-V2為正，V2-V3為負(fù),，V3-V1為正,，而此時V1的絕對值最小，即Vx=V1,，其值為正,，則該區(qū)間可以用(10 11)B表示。

    進(jìn)一步,，對此時的Vx信號做歸一化處理后再進(jìn)行反正弦運(yùn)算,，其結(jié)果是單調(diào)的，且計算出的角度值α介于0～30°之間,。根據(jù)θ角所在的區(qū)間,，就可求出當(dāng)前天線的方位。
    根據(jù)以上分析,，可以將方位信號數(shù)字化過程簡述如下：在激磁工頻信號的正峰值點(diǎn)生成采樣脈沖信號CP0和微處理器中斷信號CP1,，控制三路采樣保持電路同時對分壓后的同步機(jī)三相電壓進(jìn)行采樣保持，選擇絕對值最小的一路信號送A／D轉(zhuǎn)換器,，同時判斷其正負(fù),；區(qū)間代碼生成電路根據(jù)對三路采樣信號的比較和最小信號的正負(fù)，確定θ角所處區(qū)間的代碼,；微處理器響應(yīng)中斷,，啟動A／D轉(zhuǎn)換，求得α值,，同時讀取θ角所處區(qū)間代碼,，根據(jù)表1給出的區(qū)間計算公式，確定θ角的具體數(shù)值送本地面板顯示,，并通過CAN總線上傳天線控制器,。
    方位數(shù)字化電路原理框圖如圖3所示。

    從圖2可以看出，在0～30°區(qū)間內(nèi)正弦曲線可近似為線性區(qū)間,，為進(jìn)一步提高精度,，可以按照正弦函數(shù)曲線對A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)行補(bǔ)償，以滿足精確測量的需要,。同時,，為避免因激磁電壓的波動引起A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值在區(qū)間之間的跳動，A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓應(yīng)與激磁電壓的幅度按比例浮動,。

3 位置隨動旋轉(zhuǎn)編碼器接口設(shè)計
    旋轉(zhuǎn)編碼器是隨動控制中常用的接口部件,，這里選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，它由涂有莫爾條紋的編碼盤和光電檢測裝置構(gòu)成,，編碼盤上涂有兩道相差90°的黑白相間隔柵,，分別稱之為A道和B道。工作時,，光電檢測器發(fā)出可見光照射在編碼盤上,，當(dāng)編碼盤旋轉(zhuǎn)時，光發(fā)射管裝置照過隔柵,，光敏接收管便會產(chǎn)生通(斷)的脈沖輸出信號,。由于A，B道相位差為90°,，因此其輸出脈沖也有90°的相差,。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90°,；反轉(zhuǎn)時,，B信號超前A信號90°。
    如果直接采樣A,、B兩路信號,，電路結(jié)構(gòu)會比較復(fù)雜。為便于計算機(jī)處理,，可將旋轉(zhuǎn)編碼器的A,、B兩路信號進(jìn)行適當(dāng)變換，生成方向信號DIR和增量計數(shù)脈沖CLK,。圖4給出了旋轉(zhuǎn)編碼器的接口電路以及相應(yīng)的波形。為防止因機(jī)械轉(zhuǎn)動帶來的波形邊緣的抖動,，接口電路的輸入應(yīng)采用施密特型,。

    圖4中C點(diǎn)的方波周期是A或B信號周期的1／2。為了在手輪低速轉(zhuǎn)動時,，防止由于A或B信號周期過大而影響計數(shù)器的正常工作,，可將C點(diǎn)波形與經(jīng)緩存器延遲后的波形E相異或，從而得到增量計數(shù)脈沖CLK,，其周期應(yīng)是C周期的1／2,，即為A或B信號周期的1／4,，實(shí)現(xiàn)A或B信號頻率的四倍頻細(xì)分。為便于計算機(jī)識別手輪的轉(zhuǎn)動方向,，電路中增加了方向信號DIR,，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正向轉(zhuǎn)動時，A信號超前B信號90°,，此時DIR輸出為高電平,；反之，DIR輸出為低電平,。

4 天線的PID控制
    圖5給出了天線的PID控制原理,。如圖5(a)所示，在連續(xù)控制系統(tǒng)中,，PID的控制規(guī)律可以寫成如下形式：
    
    式中：u(t)為PID控制器的輸出或稱為被控對象的控制輸入,；ε(t)為偏差；Kp為比例系數(shù),；TI為積分時間常數(shù),；TD為微分時間常數(shù)。
    為在數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PID控制,，需將連續(xù)PID控制規(guī)律離散成離散型PID控制規(guī)律,，即用差分方程來表示：

    天線的離散型PID控制方案如圖5(b)所示。在該方案中,，天線的工作方式分為自動掃描和手動掃描兩種,。自動掃描方式下，天線控制器選擇設(shè)定相應(yīng)天線的掃描轉(zhuǎn)速,。由于不同波段的天線尺寸不同,，各個天線轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量也不盡相同，因此需要通過調(diào)整相應(yīng)天線的比例積分和微分常數(shù),，來使天線的控制達(dá)到期望的特性,。而在手動掃描時，天線控制器將手輪的轉(zhuǎn)動控制,，經(jīng)位置隨動旋轉(zhuǎn)編碼器變換為對天線的控制輸出,，通過CAN總線實(shí)時傳遞給指定天線的本地控制組件，由本地控制組件中的PID控制算法實(shí)現(xiàn)對天線的手動控制,，從而達(dá)到手動跟蹤目標(biāo)之目的,。

5 結(jié)語
    CAN總線技術(shù)已在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用CAN總線,，結(jié)合天線方位的數(shù)字化接口設(shè)計,，將分布式微處理器聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)了多天線的數(shù)字化PID控制，簡化了天線控制系統(tǒng)的設(shè)計,，保證了天線控制的精度與穩(wěn)定性,。