摘要：在毫米波中繼通信設(shè)備中，為提高對準(zhǔn)精度，縮短對準(zhǔn)時間，滿足快速反應(yīng)的要求，并結(jié)合毫米波波辯窄，方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了毫米波天線自動對準(zhǔn)平臺系統(tǒng)的設(shè)計方案。在天線對準(zhǔn)過程中，將復(fù)雜的的空間搜索轉(zhuǎn)換成兩個簡單的水平和垂直搜索，簡化了搜索控制算法。采用基于ARM的32位微處理器LPC2294進(jìn)行控制，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動平臺和毫米波設(shè)備轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)毫米波通信設(shè)備的快速準(zhǔn)確對準(zhǔn)。毫米波中繼通信設(shè)備在國內(nèi)還處于研發(fā)改進(jìn)階段，所以該對準(zhǔn)平臺系統(tǒng)具有極大的參考意義。
關(guān)鍵詞：毫米波天線；ARM；μC／OS-Ⅱ；嵌入式RISC處理器；自動對準(zhǔn)平臺

    毫米波作為一項(xiàng)尖端學(xué)科在中繼通信方面發(fā)揮著越來越重要的作用。但毫米波波瓣窄，方向性強(qiáng)，導(dǎo)致天線對準(zhǔn)困難,存在對通時間長，甚至難以對準(zhǔn)的問題，不能滿足快速反應(yīng)的要求。因此，需要一種高效的毫米波天線自動對準(zhǔn)裝置來提高天線架裝與對準(zhǔn)速度，縮短天線架裝與對準(zhǔn)時間，以適應(yīng)快速準(zhǔn)確通信的需要。本文從多任務(wù)處理和可靠性等角度出發(fā)，提出了一種基于ARM7的32位微處理器LPC2294和實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ步進(jìn)電機(jī)控制平臺的方法，將毫米波通信設(shè)備架裝在平臺系統(tǒng)上，從而使毫米波通信設(shè)備通過平臺的轉(zhuǎn)動快速對準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)工作原理
    在隨機(jī)狀態(tài)下，通信設(shè)備中兩個天線的軸線一般位于不同的平面內(nèi)，故天線對準(zhǔn)實(shí)際上是一個較復(fù)雜的空間搜索問題。從天線軸線在兩正交平面(方位平面和俯仰平面)內(nèi)的投影可以看出，只要分別在方位面和俯仰面內(nèi)調(diào)整即可將兩天線對準(zhǔn)。這種調(diào)整方式將空間搜索轉(zhuǎn)換成兩個簡單的水平和垂直面搜索，可以簡化搜索控制算法。天線對準(zhǔn)時，兩天線的方位指向誤差較大，而俯仰指向誤差不會太大。故可先實(shí)現(xiàn)方位對準(zhǔn)，然后調(diào)整俯仰指向，實(shí)現(xiàn)兩個天線的完全對準(zhǔn)。基于上述特點(diǎn)，將天線安裝在內(nèi)框的俯仰平面上，如圖1所示。實(shí)際使用時，通信設(shè)備通過平臺架裝在天線升降器上，最高可以距地面10 m，并可以根據(jù)需要升降。采用單軸步進(jìn)式跟蹤方案，俯仰方向和水平方向的轉(zhuǎn)動共用一個電機(jī)，通過繼電器進(jìn)行切換。根據(jù)平臺的轉(zhuǎn)動規(guī)律，在ARM控制器中，編程實(shí)現(xiàn)間歇式發(fā)送脈沖，由電機(jī)驅(qū)動器放大脈沖，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，最后由機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動平臺以及與其相連的通信設(shè)備，完成對毫米波通信設(shè)備間方向的搜索與對準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    該平臺對準(zhǔn)系統(tǒng)主要由平臺控制板、電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動裝置和相關(guān)傳感器(羅盤和GPS)等組成。圖2給出了步進(jìn)電動機(jī)的片外連接硬件結(jié)構(gòu)框圖。本文重點(diǎn)介紹其核心——ARM控制部分。

2．1 ARM處理器簡介
    ARM的32位體系結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC處理器結(jié)構(gòu)。LPC2294是飛利浦公司生產(chǎn)的32位ARM7TDMI-S微處理器，具有低功耗、低價格、高性能的特點(diǎn)。
2．2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
    平臺控制板的ARM處理器采用LPC2294，其驅(qū)動電路由SGS公司推出的L297和L298集成芯片組合而成，驅(qū)動電路原理圖如圖3所示。平臺控制板還通過串口與磁羅盤和GPS相連，用于采集所需的數(shù)據(jù)信息。

    顯示控制單元仍然采用ARM芯片LPC2294，它同時與鍵盤和液晶顯示器相連，見圖2。鍵盤用來輸入己方和對方的坐標(biāo)以及對平臺系統(tǒng)控制命令的輸入，液晶顯示屏可顯示站點(diǎn)坐標(biāo)、電平信號強(qiáng)度和平臺工作狀態(tài)等，從而構(gòu)造一個友好的人機(jī)交互界面。顯示控制單元通過50 m的電纜與平臺系統(tǒng)相連，通過CAN接口與平臺控制板通信，當(dāng)用戶完成設(shè)置時通過CAN接口將設(shè)置信息發(fā)送到平臺控制器，同時顯示控制單元還作為整套毫米波設(shè)備的基帶控制單元的處理中心。

3 軟件設(shè)計
    由于系統(tǒng)功能復(fù)雜，為了增加程序功能，減少死機(jī)或者程序跑飛等情況，故考慮將μC／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件平臺，把各個系統(tǒng)功能劃分為不同的任務(wù)。由操作系統(tǒng)來完成任務(wù)的調(diào)度以及任務(wù)之間的同步和通信，用中斷來處理實(shí)時性要求強(qiáng)的異步事件。
3．1 μC／OS-Ⅱ的移植
    μC／OS-是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪的實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核(RTOS)，其絕大部分源碼是用ANSI的C語言編寫，可以方便地移植并支持多種類型的處理器。μC／OS-Ⅱ的硬實(shí)時性以及低成本、易控制、小規(guī)模、高性能的特性，使其能滿足工業(yè)中小型控制對可靠性、實(shí)時性以及多任務(wù)處理的要求。
    編寫應(yīng)用軟件首先要移植μC／OS-Ⅱ，移植對處理器有一定的要求。本設(shè)計采用的LPC2294處理器以及開發(fā)工具ADS 1．2完全滿足移植要求，可以進(jìn)行移植。關(guān)于μC／OS-Ⅱ移植的參考資料比較多，本文不再做詳細(xì)討論。
3．2 任務(wù)的劃分與優(yōu)先級的確定
    μC／OS-Ⅱ?qū)儆趽屨际綄?shí)時操作系統(tǒng)，總是會使處于就緒狀態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)運(yùn)行。它不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，所以必須將系統(tǒng)功能合理分解為不同優(yōu)先級的任務(wù)。任務(wù)的優(yōu)先級由任務(wù)的重要性和實(shí)時性要求程度決定。劃分系統(tǒng)任務(wù)的時候，還要考慮到低優(yōu)先級的任務(wù)能有機(jī)會得到運(yùn)行，否則系統(tǒng)將難以正常工作。因此建立六個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，任務(wù)之間的通信方式及流程如圖4所示，分別如下：
    TaskMotorCtl：任務(wù)0，作為程序的主任務(wù)，實(shí)現(xiàn)初始化和電機(jī)控制功能；
    TaskCal：任務(wù)1，在電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中實(shí)時計算轉(zhuǎn)動角度等相關(guān)參數(shù)；
    TaskPortScan：任務(wù)2，端口掃描任務(wù)，實(shí)現(xiàn)限位開關(guān)端口電平的監(jiān)控功能；
    TaskUARTORecv：任務(wù)3，串口0磁羅盤數(shù)據(jù)的接收處理任務(wù)；
    TaskUART1Recv：任務(wù)4，串口1GPS數(shù)據(jù)的接收處理任務(wù)；
    TaskCAN：任務(wù)5，CAN接口數(shù)據(jù)收發(fā)處理。

    運(yùn)行時有兩種狀態(tài)：
    (1)靜止?fàn)顟B(tài)
    首先系統(tǒng)啟動之后，進(jìn)行初始化，然后等待磁羅盤接收信號有效，否則不能進(jìn)入電機(jī)控制任務(wù)。在自動運(yùn)行狀態(tài)，此時平臺處于靜止?fàn)顟B(tài)，程序?qū)邮盏降拇跀?shù)據(jù)進(jìn)行計算處理后實(shí)時更新，并不停地向顯示控制單元匯報天線與目標(biāo)指向的夾角大小。
    (2)運(yùn)動狀態(tài)
    當(dāng)有按鍵按下，顯示控制單元通過中斷的方式對其進(jìn)行處理，然后通過CAN總線向平臺控制板發(fā)送控制命令。平臺控制板根據(jù)控制命令確定轉(zhuǎn)動方向并在轉(zhuǎn)動過程中實(shí)時監(jiān)測是否碰到限位開關(guān)。
    優(yōu)先級的劃分如下：TaskPortScan優(yōu)先級最高，因?yàn)槠脚_的對準(zhǔn)可能會順時針或者逆時針連續(xù)轉(zhuǎn)動，而限位開關(guān)能夠使平臺往某個方向的轉(zhuǎn)動累計不超過一圈，以免引起平臺內(nèi)線的纏繞甚至扯斷。因此當(dāng)平臺轉(zhuǎn)動碰到限位開關(guān)時，優(yōu)先級最高，以實(shí)時響應(yīng)斷電，并使平臺反轉(zhuǎn)，這里通過查詢方式來檢測是否碰到限位開關(guān)。然后就是任務(wù)TaskUART0Recv，在轉(zhuǎn)動過程中都需要實(shí)時用到航向和俯仰等角度信息，因此實(shí)時準(zhǔn)確地接收到此類信息顯得非常重要。因?yàn)門askCAN用于接收顯示控制單元的控制命令，排在任務(wù)TaskUART0Recv后面。角度計算任務(wù)的優(yōu)先級排在任務(wù)TaskCAN的后面，根據(jù)任務(wù)TaskUART0Recv傳下來的角度原始數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)信息，實(shí)時計算角度值，以確定平臺轉(zhuǎn)動的目標(biāo)位置。雖然TaskMotorCtl步進(jìn)電機(jī)的控制任務(wù)重要，但是幾乎全天候運(yùn)行，如果優(yōu)先級較高，會占用很多資源，導(dǎo)致其他任務(wù)無法進(jìn)行，所以將其優(yōu)先級排在靠后。最后是TaskUART1Recv任務(wù)，因?yàn)橐话惚痉轿恢迷趯?shí)際對準(zhǔn)中不會變化，所以其經(jīng)緯度數(shù)據(jù)只需接收一次，其優(yōu)先級排在最后。
3．3 應(yīng)用程序流程
    利用LPC2294系列的帶操作系統(tǒng)的專用工程模板可大大減輕編程負(fù)擔(dān)。模板包括LPC2294系列微控制器的啟動文件、頭文件、分散加載描述文件等，利用這些文件，應(yīng)用程序的編寫就變得非常簡單。應(yīng)用程序流程如圖5所示。

    步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定工作時測得的控制脈沖信號波形如圖6所示。

4 結(jié)語
    根據(jù)毫米波通信設(shè)備的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地設(shè)計了一個以毫米波天線自動對準(zhǔn)平臺系統(tǒng)為應(yīng)用目標(biāo)的基于ARM微處理器LPC2294的嵌入式實(shí)時控制系統(tǒng)。應(yīng)用ARM處理器豐富的片內(nèi)外設(shè)和優(yōu)越的性能提高了平臺系統(tǒng)的對準(zhǔn)精度和響應(yīng)時間，利用μC／OS-Ⅱ提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，簡化多任務(wù)程序的設(shè)計。本自動對準(zhǔn)平臺系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于毫米波通信設(shè)備的樣機(jī)對通通信中，進(jìn)行了多次外場試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，對準(zhǔn)精度高，架設(shè)時間短，從而大大縮短了毫米波通信設(shè)備的對準(zhǔn)時間，獲得用戶的好評。