CSR mkii控制卡应用软件的设计与实现

摘要

本文描述了最近操作天线的经验。天线指向系统(APS)是一种具有机电组件的嵌入式系统。APS的主要功能是通过将天线分别移动到一个轴上提供方位角来自动指向目标。利用编码器实现了天线的闭环位置控制。方位自由度为0°~ 360°。APS由数字控制卡和单轴支承系统组成。数字控制器卡是用微控制器构建的。它是一种具有丰富外设的多功能接口，可用于对通信强度要求较高的汽车应用。本文介绍了在数字控制器卡方面构建最先进的机载嵌入式硬件所面临的挑战，该数字控制器卡必须可靠，紧凑，能够承受恶劣的环境条件，以更小的体积和重量为主要目标。文中还详细介绍了连续跟踪所需的各个软件方面，即视角计算。在某些应用中，即使飞机有航向变化，指向也应该非常精确。 Hence the heading data is also sensed and included in the Look angle Computation. Finally the Industrial design aspects cannot be overlooked as it is meant to be onboard without compromising the factors namely Design for Testability (DFT), Design for Maintainability (DMT), Design for Manufacturability. The developed software shall communicate with motor drives and radar controller to position the Antenna with minimum tolerance in a closed loop system by taking angle of azimuth for Antenna position i.e. in terms of angle from 0 to 360 degree from Encoder and also keeps count of number of complete rotations made by the Antenna.

关键字

天线指向系统，观察角度，微控制器，数字控制器卡(DCC)。

介绍

CSR MKII雷达的天线控制系统将控制所有电气功能。它将以不同的速度连续旋转天线。方位控制系统由两个子系统组成，方位控制单元和电机驱动单元(MDU)构成CSR MK-II系统基座组件的一部分。AZCU是主要的控制部分，它容纳了控制器和其他电子设备。它向电机驱动单元提供命令，驱动电机以不同速度(1到60转/分)在方位角连续旋转天线。AZCU是一种环境密封外壳，基于单片机的系统。

方位角反馈是通过一个18位编码器(SSI接口)。AZCU将在以太网(10/100 Mbps LAN)上与主系统控制器接口，以查询或定期提供所有联锁/反馈作为状态数据。它与便携式驱动器单元接口，通过开关使用离散输入在两个方向上接收旋转命令。电机驱动单元(MDU)将基本上容纳用于控制电机的三相驱动器;对MDU的速度命令将由AZCU给出。天线控制系统框图如下所示。

方位控制系统由两个子系统组成，方位控制单元和电机驱动单元(MDU)构成CSR MK-II系统基座组件的一部分。AZCU是主要的控制部分，它容纳了控制器和其他电子设备。它为电机驱动单元提供命令，驱动电机以不同的速度(1到30转/分的步骤为1RPM和5转/分的离散步骤超过30转/分至60转/分)在方位连续旋转天线。AZCU是一种环境密封外壳，基于单片机的系统。

本文还详细介绍了天线指向系统的设计。整个设计方面分为硬件设计、软件设计和工业设计。控制算法和通信功能在单片机平台上实现。第二部分介绍了设计需求，第三部分介绍了APS的功能需求、接口需求和协议需求。

系统概述

本课题是关于天线控制系统的设计与开发。海岸监视雷达天线控制系统(CSR MKII)将控制所有电气功能。它将以不同的速度在方位角连续旋转天线。方位角控制系统由两个子系统组成，方位角控制单元(ACU)和电机驱动单元(MDU)形成CSR MK-II系统基座组件的一部分。AZCU是主要的控制部分，它容纳了控制器和其他电子设备。

它为电机驱动单元提供命令，驱动电机以不同的速度(1到30 RPM的步长0.5 RPM和5 RPM的离散步长超过30 RPM至60 RPM)在方位角上连续旋转天线。AZCU是一种环境密封外壳，基于单片机的系统。

电源要求

通过连接器230VAC EMI滤波器进入ACU的230VAC到达机组前面板上的230 VDC开关。一旦开关打开，230伏交流电将到达整个系统，230伏LED和24VDC LED将发光。230VAC从电源1卡转换为24VDC，通过24V EMI滤波器分布在整个系统、PDU和驱动器上。电源2卡采用24v DC输入，可转换为3V3、5V和±15V。+15V通过连接器传给编码器。

a.交流输入:230V±10%，1-Ph, 50hz

b.机组内将有24VDC/4A发电

驱动与电机接口

24VDC通过继电器报警，继电器由控制器卡的DO通道控制。刹车释放的反馈信号也作为数字输入接收到控制器卡。Unit为PDU提供24VDC并接收命令。

a.驱动器接口为离散输入输出信号(24V)，模拟速度和Modbus RS485接口。

b.它将与电机驱动单元接口，提供启用和停止，前进和反向运行，速度设置命令等。

编码器接口

采用18位SSI编码器获取天线在方位轴上的位置信息。我们设计了用于方位轴的SSI通道接口。一旦用户输入1，则选择SSI编码器测试，并从编码器连续反馈天线位置。

AZCU将与一个18位单转绝对编码器接口。

a. SSI (Synchronous Serial Interface): RS422

b. 15V±10% DC作为编码器的电源输入

c.输出代码—二进制

雷达接口

天线控制系统将通过以太网接口上的旋转接头与雷达控制器接口，以远程模式接收命令并发送状态。

AZCU将以10/100 Mbps的速度与雷达控制器进行局域网通信(TCP/IP)

a.查询的健康状况、软件、天线位置和转速等。

b.启动和停止旋转，设置转速，转到特定的方位等。

便携式驱动单元接口

PDU将是一个带有照明按钮开关(ipb)和led的开关箱。

a.打开LED

b.启用PDU功能的IPB

c. PDU Speed-1/2 IPB

d. PDU FWD启动/停止IPB

e. PDU REV启动/停止IPB

AZCU控制卡规格

控制器卡将使用来自ARM的Cortex-M类的32位MCU核心。它包括IEEE 1588以太网，全高速USB 2.0，内置EEPROM和程序闪存，以及一套丰富的模拟通信，定时和控制外设。控制扣卡还通过串口、以太网、SSI和DAC与其他设备连接。

图1控制器卡示意图

规格如下:

a.控制器:

MK61FX512VMJ12: K61

Flash: 512kb

Sram:128 KB

Eeprom: 16kb

b.输入电源卡:24VDC±10%

c.板载DC-DC变换器:+3.3V， +5V，±15V

d.串口(卡)

串口1:RS232(M&C接口)

串口-2:RS232/RS422可配置(备用)

串口-3:RS485(Spare)

串口-4:RS422

e.以太网(10/100Mbps):雷达控制器。

f. DAC接口:16位，2通道(±10VDC o/p)

g. ADC接口:4个(±10VDC输入)，14位ADC。

h.数字输入

不。通道:12个独立的浮动通道，每个通道都装有光电耦合器

输入电压:标称电压24V (19V ~ 36V)

逻辑高- >12 VDC

逻辑低- <10 VDC

输入过电压:长时间可达30%标称电压。短暂峰值为300%。

通道保护:提供

输入电流(ON):每通道3 ~ 5ma

过电压保护:提供

内置测试

LED显示所有数字输入

峰值抑制高达50V。

所有通道相对于TTL线的电隔离>500V。

i.数字输出

不。通道类型:12个离散输出通道(下沉型)

输出标准:光耦合器与50VDC @ 50ma输出开集电极光电晶体管

内置测试

LED显示所有数字输出。

过流/短路保护:必需(可复位保险丝)

FPGA j。

在本项目中，FPGA作为控制器与硬件块之间的接口。硬件模块由ADC、DAC、SSI、数字输入和数字输出组成。FPGA包含了所有需要的电路，并映射了不同的地址。

晶格XP2: LAXP2-8E-5 QN208E或等效

40兆赫时钟

k.实时时钟电池

测试软件:本课题的目标是设计并实现CSR Mark-II扣卡及ADC、DAC、离散输入/输出、以太网、串口等外围设备的测试软件。测试软件应使用用于测试控制器外设。测试软件是基于ARM Cortex-M4架构的单片机，使用代码战士工具在C语言上开发的。

所开发的软件应与电机驱动器和雷达控制器通信，通过获取天线位置的反馈，即从编码器的角度从0到360度，以最小公差在闭环系统中定位天线，并记录天线完成旋转的次数。

关于控制器单元

CSR MKII测试软件

ACS - CRS MKII的测试软件将使用FreescaleCode warrior 10开发。X的工具。

应用软件位于控制器的flash区域。

软件是用“C”编程开发的。

软件负责以下接口，

1.串行端口

2.ADC

3.DAC

4.外部存储器

5.离散输入/离散输出

6.以太网

7.清债信托公司

执行的概念

系统初始化和接口测试

这将初始化MK61FX512VMJ12控制器所需的模块/外设来执行不同的操作。例如:系统时钟，Flex总线，中断，WDOG, UART等。

ADC接口

这是4个模拟信号，这些信号被配置为输入信号。模拟信号的范围是-10V到+10VDC。测试设置应产生所有的模拟信号，并由主机系统进行验证。

DAC接口

如前所述，用于控制电机电压的方法是通过脉冲宽度调制[PWM]方案改变占空比。直流电压转换为方波信号，从而改变信号的占空比，并改变传递给电机的平均功率，从而改变电机速度。因此，各种DAC输出用于以不同的速度驱动电机。

以太网接口

安装了基座测试软件的主机pci应通过以太网LAN接口与基座单元通信，并提供指定的命令和数据集。

离散输入/离散输出接口

控制器卡将与离散输入和离散输出卡连接。该操作将对离散通道执行读写操作。DI用于读取天线系统状态。DO用于控制天线控制系统。根据反馈信号和天线系统的状态，转动各自的DO通道。每个DO的测试方法是将1或0写入各自的通道，然后读取每个DO的状态。

测试结果

将PC的串口连接到控制卡的M&C口，系统上电后，首先进行POST、内存测试，然后将控制权交给用户。

SSI编码器测试结果

图4.3:天线位置反馈数据

采用18位SSI编码器获取天线在方位轴和仰角轴上的位置信息。我们设计了用于方位轴的SSI通道接口。一旦用户输入1，则选择SSI编码器测试，并从编码器连续反馈天线位置。在图4.3中可以看到天线位置0.005度变化的分辨率。

DAC测试结果

如前所述，用于控制电机电压的方法是通过脉冲宽度调制[PWM]方案改变占空比。直流电压转换为方波信号，从而改变信号的占空比，并改变传递给电机的平均功率，从而改变电机速度。因此，各种DAC输出用于以不同的速度驱动电机。如图4.4所示，产生的+5V， +2.5V输出在负载上提供50%和25%的占空比。

ADC测试

有4个模拟信号，这些信号被配置为输入信号。模拟信号的范围是-10V到+10VDC。测试设置应产生所有的模拟信号，并由主机系统进行验证。

结论及未来范围

从实验结果来看，APS能够通过移动到所需的角度来跟踪目标。但这取决于航向和GPS值。尽管这个项目要求使用最少的微控制器外设，但设计是作为一个通用嵌入式板进行的，它可以用作任何新项目的开发板。这是本设计的优势所在。APS采用通用方法设计，具有丰富的外设组合，可轻松用于各种应用。可使用的各种应用包括远程视频终端(RVT)、地面天线控制单元和微型飞行器驱动控制。该系统可扩展APS，通过在方位和仰角双轴上移动天线实现对目标的自动指向。利用电位器传感器实现了天线的闭环位置控制。方位角自由度为0度~ 360度，仰角自由度为0度~ 90度。

参考文献

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