7五、控制系统的设计

五、控制系统的设计1TMS320F2812概述精跟踪伺服系统24、25较高的伺服带宽和较窄的动态范围,要求精跟踪系统的主控芯片应具有较高的实时处理能力26。传统的解决方案是采用专业计算机、PC机或微型计算机来完成伺服系统的主要控制。优点是只需编写软件程序,无须对硬件进行开发。而缺点是成本高,体积庞大,质量也很大,不宜装载在飞机或卫星上。为了实现地面、飞机与卫星之间的光通信27、28，就必须实现伺服系统的小型化。采用先进的DSP处理器作为精跟踪伺服系统的主控芯片可以使整个系统的体积、质量大大减小,同时功耗也会大大降低,从而实现机载、星载的空间光通信。最初DSP的应用在于专业数据通信和语音处理，各种专用调制解调器、声码器、数据加密机等。其后DSP应用拓展到广泛的民用产品，诸如硬盘驱动器、通用调制解调器、无线通信终端。20世纪90年代中期，DSP在数字GSM手机和无线基站应用中都获得了巨大的成功。与此同时，DSP开始全面拓展到新兴应用，并在宽带通信、数字控制、数字音频等领域得到了广泛的应用。基于DSP芯片的数字信号处理系统与传统的模拟信号数字处理系统相比具有以下几个优点（1）精度高，稳定性好，抗干扰性强精度仅受到量化误差和有限字长的影响，处理过程不引入其他噪声，因此具有较高的信噪比。另外，模拟系统的性能受到元器件参数性能的影响比较大，而数字系统基本不变，因此数字系统更便于测试、调试及批量生产。（2）编程方便，容易实现复杂的算法DSP系统中，DSP芯片提供一个高速计算平台，系统功能依赖于软件编程实现。当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时，可以实现复杂的数字信号处理能力。（3）接口简单、方便由于数字信号的电气特性简单，不同的DSP系统相互连接时，在硬件接口上容易实现。在数据流接口上，各系统间只要遵循特定的标准协议即可。（4）集成方便现代DSP芯片都是将DSP芯片及其外围电路综合集成在单一的芯片上。这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品。（5）可程控当系统的性能和功能发生改变时，不需要重新设计、装载和调试。如实现低通、高通、带通等不同的数字滤波；软件无线电中不同工作模式下的通信等。基于上述优点，为了满足激光通信精跟踪系统的伺服带宽和精度要求，本文采用TI公司的TMS320F2812作为系统的主控芯片，。TMS32OF2812适合于工业控制、机床控制等高精度应用。它具有完备的外围控制接口和丰富的电机控制外设电路,其指令执行时间或完成一次动作的时间仅为667纳秒,流水线采样最高速60NS,交直转换通道12位AD达16个,PWM输出通道达12个。可以实现高速的数字信号处理和电机的控制。本文主要用其完成光斑脱靶量的数据解算、控制补偿算法的实现、与脱靶量图像处理单元的串口通信以及对快速反射镜伺服单元的控制。2控制系统整体结构DSP数字伺服单元的除主控芯片外还包括电源变换电路、复位电路、时钟电路、数据与地址总线接口、I/O接口以及JTAG仿真接口。结构框图如图所示。TMS320F2812I/O接口JATG仿真接口电源变换电路复位电路数据总线接口地址总线接口时钟电路DSP数字伺服单元结构激光通信精跟踪系统的构成如图所示，主要包含有精跟踪系统被控对象（FSM及其压电陶瓷驱动器），精跟踪系统控制器，以及CCD相机及相关的图像处理单元。精跟踪的视场范围通常为几百URAD，灵敏度通常为几NW，跟踪精度约为几URAD。当入射的信标光斑由粗跟踪系统引入精跟踪探测器视场范围内后，主控器命令精跟踪机构进入闭环控制。根据精跟踪探测器给出的误差信号,在精跟踪控制器内进行算法处理，处理后的数据经过DA转换，控制快速反射镜进行相应的动作，进行目标跟踪，从而构成精跟踪闭环回路，最终使通信两侧端机的视轴误差达到URAD的精度。精跟踪系统可降低视轴误差引起的光能量损失，它要求带宽非常高，一般为几百赫兹甚至上千赫兹，以有效抑制粗跟踪振动残差及其它干扰引起的误差。精跟踪系统的结构如图所示控制器D/A压电陶瓷驱动器FSM相机图像处理单元RCE在此实验系统中,采用高帧频CMOS相机，通过高速。CAMERA一LINK传输线,将视频信号传输至大规模FPGA,在FPGA中完成光斑图像处理、卡尔曼预测和模糊PID控制等功能,完成对精跟踪快速倾斜镜的实时控制,使光束始终位于视轴中心。3硬件概述4软件设计由上述精跟踪硬件设计平台可知,精跟踪实验系统的软件主要分两部分,一部分是上位机程序设计,主要是PC机内的应用程序另一部分是下位机程序设计,主要是FPGA内部的图像处理和控制算法设计。扩展的DSP程序部分主要为以后的复杂图像处理和控制算法而设计。L上位机应用程序开发上位机PC机内的应用程序采用VISUA1C60开发,功能相对比较简单,主要实现光斑图像的显示,以及存储光斑中,自坐标,以便以后的分析。为了实现不同分辨率和不同曝光时间的控制和现实,在应用程序中设置了相应的控制命令,这些控制命令通过USB接口发送给FPGA,FPGA接收控制命令后,通过CAMERAHNK传输线控制CMOS相机工作在相应的分辨率和曝光时间下,以实现相机的开窗口功能,满足光斑图像在不同帧频下的采集,实现粗跟踪残差和其他各种误差的抑制补偿。2FPGA应用程序开发FPGA应用程序的开发是本系统的重点和难点,系统的绝大部分功能都在FPGA内部实现。通过CAMERALINK接口电路将像素叮钟CLK、行有效LVAL、,帧有效FVAL、数据有效DVAL、图像数据DATA送入FPGA。FPGA中程序采明VERILOG语言设计,在QUARTUSII70环境中编程和配置,设计成功后下载在CYCLONEII系列EP2C35F672C61中运行。FPGA内部共有15个模块,各自完成特定的功能5DSPBUILDERFPGA芯片DSPBUILDERPID控制算法的实现利用EDA技术完成硬件设计的途径有很多种，主流方式是使用QUARTUSII来完成的，最为典型的设计流程包括设计项目编辑（VHDL）、综合、仿真、适配、编程。但是对于一些特定的设计项目，这个流程就会显得比较繁琐，甚至无法实现。例如设计算法类（如DSP模块）及模拟信号处理与产生方面的设计。而DSPBUILDER的出现很好地解决了这些问题。DSPBUILDER是ALTERA公司于2002年推出的一个面向DSP类的芯片级开发的系统级设计工具。它架构在多个软件工具之上，并把系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来，都放在了MATLAB图形设计平台上，将QUARTUSII作为底层设计工具置于后台，它可以帮助设计者完成基于FPGA的不同类型的应用系统设计。除了图形化的系统建模外，DSPBUILDER还可以自动完成大部分的设计过程和仿真，直至把设计文件下载至FPGA开发板上。它在MATLAB中以一个SIMULINK的BLOCKSET的形式出现，能够在SIMULINK中进行图形化设计和仿真，通过SIGNALCOMPILER把SIMULINK的模型设计文件转换成相应的硬件描述语言VHDL设计文件，以及用于控制综合与编译的TCL脚本，通过QUARTUSII软件进行综合及处理，最大程度上发挥了两种工具的优势。图示是基于MATLAB、DSPBUILDER、QUARTUSII等工具完成设计的流程框图。第一步是在MATLAB中建立模型文件，用图形方式调用DSPBUILDER和其他SIMULINK、库中的图形模块，构成算法级设计框图。第二步时利用SIMULINK的图形化仿真、分析功能对所设计的模型进行正确性分析，完成仿真工作。第三步是DSPBUILDER设计实现的关键一步。由于EDA工具软件（诸如QUARTUSII、MODELSIM）不能直接处理MATLAB的模型文件，需要一个转换过程。通过SIGNALCOMPILER把SIMULINK模型文件转换成通用的硬件描述语言VHDL文件。第四步是在QUARTUSII中对设计的系统进行综合、布局布线、编译适配及仿真。第五步是对FPGA进行编程或配置，验证控制器功能是否达到设计要求。MATLABSIMULINK建立模型SIMULINK模型仿真SIGNALCOMPILER模块MDL转成VHDL综合（QUARTUSII）ATOMNETLIST产生QUARTUSIIHDL仿真（MODELSIM）综合（QUARTUSII）QUARTUSII生成编程文件（POF，SOF）下载至硬件自动流程手动流程DSPBUILDER设计流程框图基于本文所使用的常规PID控制算法的DSPBUILDER控制器仿真模型图如下所示考虑到所设计系统的硬件可综合性，凡是需要硬件实现的模块需要从DSPBUILDER库中进行调用，其他辅助仿真模块可由SIMULINK常用工具箱中调用。图中，输入信号为单位阶跃信号，输入模块INPUT设为16位，增益模块GAIN为比例系数，增益模块GAIN1为比例系数，增益模块GAIN2为比例系数，三者均设为16位，经过并行减法器后得到控制器输出，总线模块ALTBUS用于不同总线数据格式间的匹配，为提高控制器精度将数据转换成24位，经BUSCONVERSION模块后给入输出模块，输出模块设为16位于输入模块一致，TRANSFERFCN为被控快速反射镜的传递函数。将控制器系统搭建完成之后，进行仿真，根据响应特性及PID参数整定规则