數位化單杆控制系統的製作方法
2023-04-28 05:47:06 1
專利名稱：數位化單杆控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單杆控制裝置，特別涉及一種數位化單杆控制系統。
背景技術：
單杆控制裝置是由手柄及製作於單杆殼體內的機械傳動部分、方位位移電位計、俯仰位移電位計所構成，它在伺服跟蹤系統中的主要用途是通過人工操作向伺服系統提供位置參數，或者將其位置數據提供給跟蹤設備，完成目標跟蹤和跟蹤目標的選擇，以及被跟蹤目標的部位指定等。現在所使用的單杆控制裝置都是由位移電位計輸出的模擬電壓值作為輸出控制量，需要經過模數轉換，才能接入到數字接口的伺服控制器中。單杆廣泛應用於各種類型的遠程控制。一些處於特殊環境中的設備必須使用遠程控制，例如處於生化實驗或放射環境中轉臺，單杆用來控制平臺按指定的方向和速度運動，從而實現對平臺的遠程控制。還有一些設備甚至需要進行超遠程控制，比如無人機中的控制平臺。另外，在大型經緯儀中，手動控制是一種必不可少的控制方式，就必然要使用單杆來實現手動控制。在某些系統中，單杆控制裝置與伺服系統距離很遠，，造成電壓的衰減，影響了精度。同時，還有一些系統，單杆控制裝置與伺服系統不能直接相連，比如機載伺服系統在飛機上，單杆控制裝置在地面上，兩者不能採用電纜連接，而不經處理的單杆模擬值，是不能進行無線通信傳輸的。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能夠直接輸出數位化控制量的數位化單杆控制系統。為了解決上述技術問題，本發明的數位化單杆控制系統包括方位位移電位計，俯仰位移電位計，單片機，RS422通訊晶片；手柄方位軸轉動的機械位移控制量由方位位移電位計轉換為方位軸模擬電壓值，手柄俯仰軸轉動的機械位移控制量由俯仰位移電位計轉換為俯仰軸模擬電壓值；方位位移電位計和俯仰位移電位計的輸出分別連接到單片機的兩個模擬埠，方位位移電位計和俯仰位移電位計輸出的兩軸模擬電壓值分別由單片機轉換成兩軸數位化控制量；單片機輸出的兩軸數位化控制量通過RS422通訊晶片實現TTL信號與差分信號之間的轉換，使兩軸數位化控制量以RS422標準通訊形式發送。本發明的優點主要體現在數位化、小型化，集成化和模塊化四個方面，下面分別對這四個方面的優點進行詳細描述(I)數位化將代表手柄兩軸轉動位移控制量的模擬電壓值數位化，然後再將數位化控制量以RS422的通用標準通訊形式發送給伺服控制系統。模擬信號一般傳輸距離只有幾米，而且傳輸距離的增加，帶來電壓的衰減，進而影 響了單杆的精度。本發明單杆控制量經過單片機數位化處理後，以RS422的通用標準通訊形式發送，傳輸距離可以達到幾百米，而且RS422的差分傳輸模式，具有抗衰減抗誤碼功能，所以可以保證傳輸的精度。同時，RS422的通用標準通訊形式，兼容性強，接收端可以直接和計算機接口或者任意控制系統接口，接口定義兼容性強，利於擴展和產品標準化。(2)小型化在光電測量設備中，單杆的手動控制操作已經成為必不可少的操作模式。隨著測量設備功能的發展，設備種類越來越多，設備車的空間也就越來越緊張。以後的發展趨勢，設計設備的時候，要儘量考慮設備的小型化，以能在有限的空間中，安裝更多的設備。 這樣，所選單杆的體積也是越來越小。現在普遍使用的一款小型化單杆，體積直徑只有4cm，高度只有6cm，是單杆中體積較小的類型。如何在這樣小體積的單杆中實現電路設計，成為一個技術難題。本發明採用單片機作為處理器，配合外圍電路，可以將電路板設計成只有3. 2cm直徑大小的一個圓形電路，雙層電路設計，除晶振外，全部採用表貼型晶片，已經將此功能的電路設計到最小，可以直接安裝在單杆內部，節約了空間，實現了真正的小型化。主電路結構簡單、運行可靠。(3)集成化將包含單片機和RS422通訊晶片的主電路板製作於單杆殼體內，這樣由單杆控制裝置發送出來的就是數字量，無需再做任何處理，伺服控制系統可以直接使用。這樣，減輕了伺服控制系統設計的複雜度。以往單杆的A/D轉換，一般都是在伺服控制電路上實現的。這樣伺服控制電路就一定要設計有A/D轉換電路，不僅增加了伺服控制電路的體積，複雜度，也增加了伺服控制系統程序的複雜度。由於高精度快速數字伺服系統，本身的伺服系統算法已經是非常複雜。致使現在通用的伺服控制晶片DSP在控制中，已經處於臨界狀態。本發明將單杆兩軸控制量的A/D採樣、數位化的工作在單杆控制系統中一步直接完成。把處理好的數據直接發送給高精度快速數字伺服系統，伺服系統無需再做任何處理，可以直接使用數據，進而降低了伺服系統設計的複雜度，減輕了伺服系統的負擔。(4)模塊化設計，接口定義RS422兼容性強，結構簡單，控制接口可以直接和計算機接口連接，利於擴展和產品標準化。所述單片機包括系統設置模塊進行系統設置，包括振蕩器基準頻率的設置、單片機兩個模擬採樣埠的設置，定時器的初始化設置和定時器中斷頻率設置；數據採集模塊採集方位位移電位計和俯仰位移電位計輸出的兩軸模擬電壓值並將其存儲於寄存器組中，等待AD轉換中斷、定時器中斷；AD轉換中斷模塊當AD中斷信號到來，取出寄存器組存儲的數據並進行濾波處理得到數位化控制量；然後將得到的數位化控制量數據按照無線鏈路通訊協議設置雙幀頭和異或和幀尾；定時器中斷模塊當定時器中斷信號到來，將AD轉換中斷模塊處理好的有效數據 發送到外部設備。所述寄存器組包含2N個寄存器，在第一個採樣周期內，數據採集模塊將採集的方位軸模擬電壓值存入第一個寄存器，第二個採樣周期內，將採集的俯仰軸模擬電壓值存入第二個寄存器；第三個採樣周期內，將採集的方位軸模擬電壓值存入第三個寄存器，第四個採樣周期內，將採集的俯仰軸模擬電壓值存入第四個寄存器；依此類推，將方位軸模擬電壓值和俯仰軸模擬電壓值交替存儲於2N個寄存器中；iAD中斷到來，AD轉換中斷
模塊取第一、三.......2N-1個寄存器中的方位軸模擬電壓值進行濾波處理，同時取第二、
四.......2N個寄存器中的俯仰軸模擬電壓值進行濾波處理，得到數位化控制量。本發明可以靈活設置定時器參數，使數據能夠按照設定的頻率發送，以滿足不同設備伺服控制系統的需要。按照無線鏈路通訊協議設置固定的雙幀頭和可變的異或和幀尾，無線通訊的糾錯能力強。所述單片機採用dsPICxxF型單片機，程控數據採集精確，數據連續準確，穩定性 好。所述單片機採用型號為dsPIC30F4011的單片機。dsPIC30F4011單片機自帶CAN通訊接口，可以通過CAN總線與數字接口計算機或者數字伺服控制器進行通訊。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。圖I為本發明的數位化單杆控制系統結構框圖。圖2為本發明通過數字接口計算機或數字伺服控制器與被控系統通訊方式示意圖。圖3為本發明通過無線通訊鏈路與控制系統遠程通訊方式示意圖。圖4為本發明通過CAN總線與其他設備通訊方式示意圖。圖5為單片機主程序流程圖。圖6為AD轉換中斷模塊子程序流程圖。圖7為定時器中斷模塊子程序流程圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明的數位化單杆控制系統包括方位位移電位計，俯仰位移電位計，單片機，RS422通訊晶片；手柄方位軸轉動的機械位移控制量由方位位移電位計轉換為方位軸模擬電壓值，手柄俯仰軸轉動的機械位移控制量由俯仰位移電位計轉換為俯仰軸模擬電壓值；單片機的模擬電壓輸入接口 ANO接方位位移電位計的輸出，單片機的模擬電壓輸入接口 ANl接俯仰位移電位計的輸出，方位位移電位計和俯仰位移電位計輸出的兩軸模擬電壓值分別由單片機轉換成兩軸數位化控制量；單片機晶振輸入接口 CLKI和CLKO接無源晶振XI，作為單片機工作的基準頻率；單片機對外通訊發送接口 TXD接RS422通訊晶片的輸入，單片機對外通訊接收接口 RXD接RS422通訊晶片的輸出；單片機輸出的兩軸數位化控制量通過RS422通訊晶片實現TTL信號與差分信號之間的轉換，使兩軸數位化控制量以RS422標準通訊形式發送到外部。本發明的數位化單杆控制系統能夠實現手柄兩軸模擬電壓值的AD採樣、AD轉換和數據處理，可以直接與數字接口計算機或數字伺服控制器進行數據通訊。為配合無人機的無線鏈路通訊設計了軟體。軟體設計能夠實現10位AD採樣，模數轉換，和與數字接口計算機之間通過RS422串口通訊。通訊採用異步全雙工通信方式，通訊頻率10Hz，傳輸波特率115. 2kb/s, I個起始位，8個數據位，I個停止位，無校驗位。通訊頻率和波特率可根據實際
需要調節。所述單片機包括下述功能模塊系統設置模塊進行系統設置，包括振蕩器基準頻率的設置、單片機兩個模擬採樣埠的設置，定時器的初始化設置和定時器中斷頻率設置；
數據採集模塊採集方位位移電位計和俯仰位移電位計輸出的兩軸模擬電壓值並將其存儲於單片機內部的寄存器組中，等待AD轉換中斷、定時器中斷；AD轉換中斷模塊當AD中斷信號到來，取出寄存器組存儲的數據並進行濾波處理得到數位化控制量；然後將得到的數位化控制量數據按照無線鏈路通訊協議設置雙幀頭和異或和幀尾；定時器中斷模塊當定時器中斷信號到來，將AD轉換中斷模塊處理好的有效數據發送到外部設備。單杆控制系統與外部設備通訊方式可以使用三種方式RS422數字通訊，RS422 +無線通訊和CAN總線通訊。以下分別對這三種通訊方式進行詳細介紹。如圖2所示，單杆控制系統通過標準RS422與數字接口計算機或者數字伺服控制器通訊。這種工作方式解決了數字接口計算機不能識別模擬電壓信號的問題，同時對於數字伺服控制器可以直接接收數位化的單杆信息，減少了模數轉換的工作，進而簡化了數字伺服控制器設計的複雜度，減少了設計成本和設計電路的體積。這種方式也解決了以往的通用的計算機不能直接做控制使用。同時，也解決了模擬信號一般只能傳輸幾米，而且傳輸距離的增加，帶來電壓的衰減，進而影響了單杆的精度。通過單片機A/D處理後，以RS422的形式發送，傳輸距離可以達到幾百米，而且RS422的差分傳輸模式，可以抵抗衰減，進而增加了傳輸距離保證了傳輸的精度。而且RS422是通用的接口標準，可以連接到任何一臺具有RS422接口的設備上，利於擴展和產品標準化。如圖3所示，單杆控制系統通過標準RS422與無線通訊設備相連接，數據信息通過無線通訊鏈路傳輸，再經機上無線通訊設備接收，傳輸給機載控制系統。機載控制系統需要使用單杆控制，但是普通單杆的模擬電壓信號不可能通過無線通訊鏈路上傳到機上系統，只有將單杆的模擬電壓信號轉換成數位訊號，才可以通過無線通訊鏈路傳輸，進而提供給機上控制系統使用。在使用此方案的一個項目中，通過對單杆控制系統的軟體進行設計，設計適合在無線通訊鏈路傳輸的通訊協議，協議中設計了通訊判錯機制，進而保證了無線通訊的糾錯能力。同時，無線通訊的設計，不同於普通的有線RS422通訊，不僅要考慮無線鏈路的糾錯，判斷有效幀，而且還要考慮無線鏈路的帶寬(10HZ)。通過單杆控制系統軟體設計，對定時器參數進行靈活設置，實現了以上功能。此種方式也可以推廣應用，不僅可以應用於機載系統的控制，也可以應用與遠程無線控制，在工業控制，生化實驗室等高危險環境同樣可以使用。如圖4所示，主電路板所使用的單片機可以採用dsPICxxF型單片機，特別是型號為dsPIC30F4011的單片機自帶CAN通訊接口，可以通過CAN總線與數字接口計算機或者數字伺服控制器進行通訊。其中的控制器區域網(ControllerArea Network, CAN)模塊是一個串行接口，可用於與其他設備或者單片機之間通信。此接口/協議是針對允許噪聲環境下通信而設計的。CAN總線採用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的晶片已經商品化，性價比高，特別適用於分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。本發明設計的單杆控制系統，可以實現CAN總線通訊，通過CAN總線與數字接口計算機或者數字伺服控制器進行通訊。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業過程監控設備的互連，因此，越來越受到工業界的重視，並已公認為最有前途的現場總線之一。進而此單杆控制系統，可以應用在工業控制中，應用廣泛。所述單片機主程序如圖5所示，具體包括下述步驟初始化對程序中使用的變量和函數進行定義；
執行Init_SyS函數，進行系統設置，包括振蕩器基準頻率的設置、單片機兩個模擬採樣埠的設置，定時器的初始化設置和定時器中斷頻率設置(即通訊頻率)；執行Init_I0 O函數，定義I/O埠 ；執行Init_Uart函數，定義uart (異步串行通信接口)，設置接收和發送數據的波特率，起始位，數據位，停止位，校驗位；執行Init_ADC函數，對寄存器組進行採樣存儲方式設置，AD中斷方式設置(寄存器組存儲滿後產生AD採樣完成中斷信號)；進入while(l) {}死循環，採集兩軸模擬電壓值並將其存儲於寄存器組，等待AD轉換中斷、定時器中斷。如圖6所示，AD轉換中斷子程序包括下述步驟當AD中斷信號產生時，取出寄存器組存儲的數據並進行濾波處理得到數位化控制量；然後將數位化控制量數據按照無線鏈路通訊協議設置固定的雙幀頭和可變的異或和幀尾。如圖7所示，當定時器中斷信號到來，將AD轉換中斷模塊處理好的有效數據發送到外部設備。所述單片機可以採用下述兩種方式存儲兩軸模擬電壓值第一種存儲方式 在前N個採樣周期內，將採集的方位軸模擬電壓值存入前N個寄存器，在後N個採樣周期內，將採集的俯仰軸模擬電壓值存入後N個寄存器。當AD中斷信號產生時，AD轉換中斷模塊取前N個寄存器中的方位軸模擬電壓值進行濾波處理，同時取後N個寄存器中的俯仰軸模擬電壓值進行濾波處理，得到數位化控制量。第二種存儲方式在第一個採樣周期內，單片機將採集的方位軸模擬電壓值存入第一個寄存器，第二個採樣周期內，將採集的俯仰軸模擬電壓值存入第二個寄存器；第三個採樣周期內，將採集的方位軸模擬電壓值存入第三個寄存器，第四個採樣周期內，將採集的俯仰軸模擬電壓值存入第四個寄存器；以此類推，將方位軸模擬電壓值和俯仰軸模擬電壓值交替存儲於2N個寄存器中；當AD中斷信號產生時，AD轉換中斷模塊取第一、三.......2N-1個寄存器中的方位軸模擬電壓值進行濾波處理，同時取第二、四.......2N個寄存器中的俯仰軸模擬電
壓值進行濾波處理，得到數位化控制量。第一種存儲 方式是本領域慣常的技術手段，採用這種方式由於俯仰模擬電壓值的採集延遲了 N個採樣周期的時間，與方位模擬電壓值的採集不同步，不僅輸出的數位化控制量不準確，而且容易丟失數據，因而降低了控制精度。本發明採用第二種存儲方式。由於方位模擬電壓值和俯仰模擬電壓值是交替存儲，兩者的存儲基本同步，因而控制精度高。單杆控制系統通訊協議見表I。表I
權利要求
1.一種數位化單杆控制系統，包括方位位移電位計，俯仰位移電位計；手柄方位軸轉動的機械位移控制量由方位位移電位計轉換為方位軸模擬電壓值，手柄俯仰軸轉動的機械位移控制量由俯仰位移電位計轉換為俯仰軸模擬電壓值；其特徵在於還包括單片機，RS422通訊晶片；所述方位位移電位計和俯仰位移電位計的輸出分別連接到單片機的兩個模擬埠，方位位移電位計和俯仰位移電位計輸出的兩軸模擬電壓值分別由單片機轉換成兩軸數位化控制量；單片機輸出的兩軸數位化控制量通過RS422通訊晶片實現TTL信號與差分信號之間的轉換，使兩軸數位化控制量以RS422標準通訊形式發送。
2.根據權利要求I所述的數位化單杆控制系統，其特徵在於所述單片機包括 系統設置模塊進行系統設置，包括振蕩器基準頻率的設置、單片機兩個模擬採樣埠的設置，定時器的初始化設置和定時器中斷頻率設置； 數據採集模塊採集方位位移電位計和俯仰位移電位計輸出的兩軸模擬電壓值並將其存儲於寄存器組中，等待AD轉換中斷、定時器中斷； AD轉換中斷模塊當AD中斷信號到來，取出寄存器組存儲的數據並進行濾波處理得到數位化控制量；然後將得到的數位化控制量數據按照無線鏈路通訊協議設置雙幀頭和異或和幀尾； 定時器中斷模塊當定時器中斷信號到來，將AD轉換中斷模塊處理好的有效數據發送到外部設備。
3.根據權利要求2所述的數位化單杆控制系統，其特徵在於所述寄存器組包含2N個寄存器，在第一個採樣周期內，數據採集模塊將採集的方位軸模擬電壓值存入第一個寄存器，第二個採樣周期內，將採集的俯仰軸模擬電壓值存入第二個寄存器；第三個採樣周期內，將採集的方位軸模擬電壓值存入第三個寄存器，第四個採樣周期內，將採集的俯仰軸模擬電壓值存入第四個寄存器；依此類推，將方位軸模擬電壓值和俯仰軸模擬電壓值交替存儲於2N個寄存器中；當AD中斷到來，AD轉換中斷模塊取第一、三.......2N-1個寄存器中的方位軸模擬電壓值進行濾波處理，同時取第二、四.......2N個寄存器中的俯仰軸模擬電壓值進行濾波處理，得到數位化控制量。
4.根據權利要求2或3所述的數位化單杆控制系統，其特徵在於所述單片機採用dsPICxxF型單片機。
5.根據權利要求4所述的數位化單杆控制系統，其特徵在於所述單片機採用型號為dsPIC30F4011 的單片機。
全文摘要
本發明涉及一種數位化單杆控制系統，該系統包括方位位移電位計，俯仰位移電位計，單片機，RS422通訊晶片；手柄方位軸轉動的機械位移控制量由方位位移電位計轉換為方位軸模擬電壓值，手柄俯仰軸轉動的機械位移控制量由俯仰位移電位計轉換為俯仰軸模擬電壓值；方位位移電位計和俯仰位移電位計的輸出分別連接到單片機的兩個模擬埠，方位位移電位計和俯仰位移電位計輸出的兩軸模擬電壓值分別由單片機轉換成兩軸數位化控制量；單片機輸出的兩軸數位化控制量通過RS422通訊晶片實現TTL信號與差分信號之間的轉換，使兩軸數位化控制量以RS422標準通訊形式發送。本發明具有數位化、小型化，集成化和模塊化等優點。
文檔編號G05B19/042GK102722118SQ20121017407
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者劉廷霞, 張傳勝, 李博, 王紅萱, 郭勁, 陳健 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所