【正文】 目標(biāo)的性能很大程度上決定了情報的準(zhǔn)確性，從而影響了戰(zhàn)爭的走勢。而目前國內(nèi)的手動跟蹤市場已經(jīng)基本趨近飽和，部分自動跟蹤產(chǎn)品因為位置傳感器技術(shù)限制，不能快速地反饋目標(biāo)的位置值，影響跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。圖像采集模塊得到目標(biāo)對象的基本信息，伺服驅(qū)動模塊經(jīng)由相應(yīng)的控制程序驅(qū)動負(fù)載，實現(xiàn)對目標(biāo)的實時跟蹤。傳統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤技術(shù)只能用來跟蹤單目標(biāo)，隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)的機(jī)動性能不斷改善，被測目標(biāo)的不確定性越來越復(fù)雜，單目標(biāo)跟蹤技術(shù)已不能滿足要求。70年代開始，機(jī)動目標(biāo)跟蹤理論開始得到廣泛的關(guān)注。我國在目標(biāo)跟蹤技術(shù)方面的研究也取得了可喜的成果，其中 “長白”艦載相控陣?yán)走_(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)360176。范圍，176。這些高性能的實現(xiàn)，均依賴于目標(biāo)信息處理技術(shù)與目標(biāo)自動跟蹤技術(shù)的綜合。硬件部分：伺服控制系統(tǒng)的硬件主要分為運動控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號檢測模塊和電源模塊。此外還分析了系統(tǒng)硬件電路的優(yōu)化設(shè)計。此外，系統(tǒng)選用德國海德漢公司研制的EnDat絕對式位置編碼器采集目標(biāo)反饋位置值，克服了常規(guī)編碼器不能快速反饋數(shù)據(jù)、體積大等缺陷，提高了目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實時性。第四章EnDat接口編碼器數(shù)據(jù)采集設(shè)計；首先研究了常規(guī)設(shè)計中使用的增量式編碼器的弊端，結(jié)合伺服控制系統(tǒng)對快速性的要求。第七章 總結(jié)與展望；對全文的工作進(jìn)行總結(jié)，并提出系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善的工作。 伺服系統(tǒng)介紹伺服系統(tǒng)是全自動目標(biāo)跟蹤儀的驅(qū)動模塊，通過對信息的綜合處理，能跟隨輸入信號的變化，驅(qū)動負(fù)載到給定的坐標(biāo)值，完成跟蹤目標(biāo)的過程。通信模塊是伺服控制系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的通信接口。 伺服控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計要求根據(jù)全自動目標(biāo)跟蹤儀的作戰(zhàn)使命，伺服控制系統(tǒng)需要具備以下三個方面的性能[7]：(1)穩(wěn)定性在伺服系統(tǒng)的控制過程中要求系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后達(dá)到新的或恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，更需要突出快速響應(yīng)，主要表現(xiàn)為一方面要求調(diào)節(jié)過程要快；另一方面要求被調(diào)量的上升率要大。由于兩個控制系統(tǒng)相同，本文只對一個進(jìn)行介紹。 伺服控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架圖 控制方案設(shè)計當(dāng)伺服控制系統(tǒng)正常工作時，即處于自動跟蹤模式時，為典型的位置隨動系統(tǒng)。因此在本方案中采用積分分離策略，即人為設(shè)定一個偏差閾值，當(dāng)時，只采用P控制，以快速減少偏差；當(dāng)時，采用PI控制，從而保證了系統(tǒng)精度。在本系統(tǒng)中共有電流檢測、電壓檢測、位置檢測三個環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對負(fù)載變化起到抗擾動的作用，同時使轉(zhuǎn)速n能很快地跟隨位置調(diào)節(jié)器的輸出而變化。由于位置隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，因此本系統(tǒng)中的位置調(diào)節(jié)器需要采用PID調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)滯后—超前校正，全面提高系統(tǒng)的控制性能和響應(yīng)時間，滿足隨動控制系統(tǒng)的要求。H型變換器由四個續(xù)流二極管和四個大功率晶閘管組成橋式電路[11]。由圖中可以看出，雙極式PWM變換器的特征就是在一個周期內(nèi)電壓UAB從US變?yōu)椋璘S，加在電機(jī)電樞兩端的電壓正負(fù)交替，即可以實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，這也是本系統(tǒng)在控制電機(jī)的過程中使用雙極式可逆PWM變換器的原因所在。由式()可以看出晶閘管的輸出電壓和控制電壓呈線性關(guān)系，但由于晶閘管的控制電壓發(fā)生變化時輸出電壓并不會瞬時發(fā)生變化，響應(yīng)中存在一個延時。4直流伺服電機(jī)[12]。電樞電流Id經(jīng)放大系數(shù)β作用后，以電壓形式作為反饋信號，和速度調(diào)節(jié)器的輸出信號構(gòu)成一個完整的閉環(huán)——電流環(huán)，β和系統(tǒng)的硬件相關(guān)。工程上設(shè)計調(diào)節(jié)器時首先需要滿足實際系統(tǒng)的應(yīng)用需求，位置隨動系統(tǒng)的三個調(diào)節(jié)器的參數(shù)要能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速跟隨性。在電流變化的瞬間，可以認(rèn)為反電動勢基本不變[15][16]，設(shè)計電流環(huán)的過程中可以暫時不考慮反電動勢的動態(tài)影響。為了滿足設(shè)計要求，工程上要求取TW與TC中較大的值，與控制環(huán)節(jié)的大慣性環(huán)節(jié)對消。 速度環(huán)結(jié)構(gòu)框圖ASR為速度調(diào)節(jié)器，由于速度環(huán)中已經(jīng)包含了一個積分環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)動態(tài)抗干擾性能好，轉(zhuǎn)速無靜差的要求，速度環(huán)的調(diào)節(jié)器應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ()結(jié)合式() ()令，則 ()TS為典型的II型系統(tǒng)，按照工程上II型系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計規(guī)則[19]，即 = () ()其中h為中頻寬，按跟隨性和抗干擾性都較好的原則，取h=5。由于PID調(diào)節(jié)器兼具超前——滯后的優(yōu)點，可以在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高響應(yīng)時間[15]。由TP的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)可以看出在位置環(huán)校正前已經(jīng)包含一個微分環(huán)節(jié)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定精度，令=0，=KP1，使(S+1)與控制環(huán)節(jié)中的大慣性環(huán)節(jié)對消。 簡化后的伺服系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖按照工程設(shè)計要求，設(shè)計出了本系統(tǒng)三個調(diào)節(jié)器，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和響應(yīng)速度，滿足伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能要求。伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 伺服控制系統(tǒng)屬于位置隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入信號是隨機(jī)變化的，要求輸出量能準(zhǔn)確、快速地跟隨輸入信號的變化，及時地對采集到的反饋信號進(jìn)行分析和處理，同時還能夠?qū)崟r響應(yīng)外設(shè)的請求，因此需要微控制器有較高的處理頻率，能滿足系統(tǒng)的快速性要求。 伺服控制系統(tǒng)需要驅(qū)動電機(jī)，因此需要具有PWM模塊。 主控制器需要讀取編碼器的位置值，因此微控制需要具有SSP模塊。216。在嵌入式系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)的性能表現(xiàn)在微控制器的選擇上。ARM7處理器內(nèi)核是目前用量最多的一個內(nèi)核，具有強(qiáng)大的通信功能。這是因為LPC2368具有如下優(yōu)勢[22][23]：216。216。 10位A/D轉(zhuǎn)換器；70多個通用I/O管腳；4個定時器，每個定時器具備一個外部計數(shù)輸入，1個PWM/定時器模塊，支持電機(jī)控制。 硬件總體設(shè)計整個系統(tǒng)的硬件由微控制器和外圍接口電路構(gòu)成，實現(xiàn)了系統(tǒng)中需要的電路功能。為了提高電源質(zhì)量，減少噪聲干擾，本系統(tǒng)的電源電路設(shè)計將包括輸入濾波和電壓轉(zhuǎn)換兩部分。5V電源輸出端外加電感L5，可以使輸出電壓更加平滑。該芯片的最大輸出電流為3A，具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能[25]，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。 RS232串行通信接口電路設(shè)計RS232串行接口是使用最廣泛的通信接口之一，用于連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備?；镜拇型ㄐ殴δ苤恍枰猂XD、TXD和GND三根信號線即可以完成。本系統(tǒng)使用微控制器的CAN1控制器，保證本系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)的正常通信。 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計數(shù)據(jù)采集電路包括A/D接口電路和SSP接口電路，前者實現(xiàn)對電流反饋值、電源電壓值的采集。電源電壓經(jīng)過R12和R13分壓得到電壓AVB(模擬量)，通過A/D轉(zhuǎn)換器的0通道將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以監(jiān)控系統(tǒng)電源，保證系統(tǒng)可靠地運行。本系統(tǒng)中使用DS18B20作為溫度傳感器。微控制器與DS18B20連接時只要一根信號線就可以實現(xiàn)兩者的雙向通信，、逐位發(fā)送、接收數(shù)據(jù)即可[29]。此外由于DS18B20的數(shù)據(jù)線輸出引腳為開漏輸出，因此數(shù)據(jù)線需要一個大約5KΩ的上拉電阻R5和R6。 系統(tǒng)外部復(fù)位電路設(shè)計系統(tǒng)中使用的CAT1161將16K串行EEPROM存儲器、看門狗定時器和電源監(jiān)控電路集成到一塊芯片上。當(dāng)系統(tǒng)上、下電時復(fù)位電路可保護(hù)存儲器和微控制器，防止掉電條件的產(chǎn)生。掉電時，當(dāng)VCC低于門檻電壓時，引腳輸出低電平，此外RET/還可以作為手動復(fù)位的輸入端，邊沿觸發(fā)有效。SDA上的任何跳變都將清零看門狗計數(shù)器。據(jù)此可以算出轉(zhuǎn)動慣量為 ()角加速度指標(biāo)為60176。 伺服電機(jī)參數(shù)方位向電機(jī)俯仰向電機(jī)電機(jī)型號：J110LYX03J110LYX01空載轉(zhuǎn)速電壓：27V27V空載轉(zhuǎn)速：400 r/min540 r/min峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：53連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：2峰值堵轉(zhuǎn)電流：連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流： 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計由上述分析可知，電機(jī)輸出電流較大，因此控制芯片應(yīng)選擇電流承受能力大的產(chǎn)品，本系統(tǒng)采用摩托羅拉雙高端開關(guān)器件MC33486。GLS1和GLS2為低端輸出口，驅(qū)動外掛的兩個MOS管，并具有電路保護(hù)功能，它和高端保護(hù)共同實現(xiàn)對H橋的短路保護(hù)功能。PWMPWM2和PW信號為微控制器傳輸給MC33486的控制信號，經(jīng)過光耦匹配為5V。鑒于MC33486具有自我診斷功能，因此系統(tǒng)在不增加外圍電路的情況下就可以實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動。電路中的DDDD7四個二極管起到穩(wěn)壓作用，保證輸出電壓的范圍為0~24V，起到保護(hù)電機(jī)的作用。值得注意的是當(dāng)發(fā)生對地短路或過載時，通過芯片的電流可高達(dá)20～50A時，此時芯片內(nèi)部的過流保護(hù)功能才起作用。 電樞電流放大電路設(shè)計由于通過MC33486得到的反饋電流的比例系數(shù)為1000/3700(MC33486的比例系數(shù)為1/3700，外接電阻阻值為1KΩ)，控制精度不是很高，伺服控制系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)定位精度，滿足不同需求的控制要求，特意采用運算放大器搭建了電流放大電路，得到不同比例的放大電流，從而可以根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，選用適宜的比例系數(shù)，以提高系統(tǒng)的控制精度。此外將Vi通過由運算放大器構(gòu)建的放大電路，得到第一組電樞電流放大信號FB2，第二組放大電路和Vi到FB2的放大電路一樣，只是所選放大倍數(shù)不同。在實際控制過程中，根據(jù)不同的定位精度選用適宜的信號，提高了控制過程的準(zhǔn)確性和精確性。本系統(tǒng)所采用的LPC2368支持JTAG協(xié)議，并采用20針接口，但為了節(jié)約硬件空間，省略了10個未用引腳。 PCB板優(yōu)化設(shè)計印制電路板(PCB)的性能對嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起著決定性作用，隨著系統(tǒng)運行速度的提高，CPU和外圍器件的信號處理速度和工作頻率也在大幅的增加，因此要求硬件電路板有很好的電磁兼容性和信號完整性[37]。(2)時鐘電路中的晶振引腳容易和系統(tǒng)中的其它部件耦合而產(chǎn)生噪聲，這些噪聲會使時鐘信號的性能變差，影響微控制器的正常運行或啟動。(4)功率部分的電流較大，容易引起功率器件的發(fā)熱，溫度過高甚至?xí)粜酒到y(tǒng)中針對MC33486和MOS管進(jìn)行了散熱處理。4 EnDat接口編碼器數(shù)據(jù)采集設(shè)計位置伺服控制系統(tǒng)是目標(biāo)跟蹤儀的執(zhí)行部件，要求能嚴(yán)格、快速的響應(yīng)輸入信號的變化規(guī)律，達(dá)到準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)的目的。當(dāng)編碼器正常工作時，不能有任何干擾，否則，設(shè)備的計數(shù)零點就會偏移。一般絕對式編碼器內(nèi)部帶有備用電池，斷電后編碼器也能保存斷電前的位置，提高了絕對式編碼器系統(tǒng)的安全性和可靠性[39]。綜上所述，經(jīng)過多方比較，本系統(tǒng)選用電子式絕對編碼器——，鑒于此編碼器的同步傳輸數(shù)據(jù)的工作特性，系統(tǒng)設(shè)計LPC2368的SSP口(同步串行接口)和EnDat編碼器通信，電路結(jié)構(gòu)非常簡單，不需要昂貴的專用解碼芯片，也沒有采用額外的CPLD來處理編碼器數(shù)據(jù)，僅通過差分總線收發(fā)器與同步串口配合工作就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，具體實現(xiàn)過程將在后面詳細(xì)介紹。EnDat能夠很大程度降低系統(tǒng)成本，同時還提升了技術(shù)水準(zhǔn)，與普通編碼器相比較具有以下特點[40]。使用過程中，能快速配置系統(tǒng)，零點可根據(jù)編碼器內(nèi)的偏移量設(shè)置，提高了測量的準(zhǔn)確性。(3)更好的信號質(zhì)量編碼器位置數(shù)據(jù)格式支持更短的采樣周期，整個“讀寫”周期只有25μs,后續(xù)電子設(shè)備只要10μs的時間就能得到位置值，而且不影響系統(tǒng)計算時間。位置信息包含一個起始標(biāo)志位和兩個獨立的錯誤信息位，后續(xù)電子設(shè)備可以完成數(shù)據(jù)的校驗及應(yīng)答，提高了系統(tǒng)的安全性。編碼器與后續(xù)電子設(shè)備之間的一次數(shù)據(jù)傳輸周期包括編碼器接收模式指令信息和發(fā)送位置值給后續(xù)電子設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸原則上是全雙工的，數(shù)據(jù)(位置值和參數(shù))可以在編碼器和后續(xù)電子設(shè)備之間相互傳輸，但實際上，為了保證數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，同一時間只允許一個方向上的數(shù)據(jù)流有意義。電路結(jié)構(gòu)簡單，避免了大體積碼盤，同時位置值讀取方便、準(zhǔn)確。SSEL0是從機(jī)選擇信號，在數(shù)據(jù)傳輸前，由主機(jī)驅(qū)動該信號，由于本系統(tǒng)只有一個從機(jī)(編碼器)， 因此該引腳空置。 位置信號采集電路系統(tǒng)中采用的差分總線收發(fā)器SN75176B實現(xiàn)了在多點總線傳輸線上進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信的功能。數(shù)據(jù)信號的發(fā)送依靠U5切換接收使能和發(fā)送使能端，控制接口電路的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。 編碼器數(shù)據(jù)傳輸模式海德漢的絕對式位置編碼器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型分為位置值，位置值及附加信息或參數(shù)，發(fā)送的信息類型由微控制器發(fā)出的模式指令選擇。 無附加信息的位置值傳輸圖數(shù)據(jù)包發(fā)送需要和時鐘信號保持同步，傳輸周期從第一個時鐘下降沿開始并以CRC結(jié)束。錯誤標(biāo)志位之后為編碼器從最低有效位(LSB)開始發(fā)送的絕對位置值，位置信息的長度取決于編碼器，本系統(tǒng)中使用的是位置值為25Bits的編碼器。為延時補(bǔ)償時間，當(dāng)編碼器的傳輸頻率高于2MHz，隨著電纜長度的加大，工作信號將會發(fā)生不可預(yù)測的數(shù)據(jù)畸變，因此應(yīng)通過工作測試測量延遲時間，并在編碼器接收指令信息之前，給予延時補(bǔ)償時間，保證信號的正確傳輸。由此可見在一個通信周期中，編碼器在收、發(fā)數(shù)據(jù)時，捕獲數(shù)據(jù)的時鐘邊沿不同，因此軟件實現(xiàn)時，需要采用不同的數(shù)據(jù)傳輸格式，以保證編碼器和SSP0接口能正確通信。帶附加信息的位置值的傳輸和不帶附加信息的傳輸一樣，遵循模式指令長度擴(kuò)展原則，同時編碼器發(fā)送、接收數(shù)據(jù)時需改變時鐘捕獲邊沿。 發(fā)送位置值及附加信息的典型指令順序首先SSP0接口發(fā)送模式指令(001001)，指示編碼器發(fā)送位置值并接收存儲區(qū)選擇碼，編碼器響應(yīng)后發(fā)送位置值，SSP0接口接著發(fā)送MRS碼(與附加信息相對應(yīng))，一個通信周期結(jié)束。SSP0接口可以工作在主從兩種模式下，由主機(jī)驅(qū)動時鐘信號，控制數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率。(2)，當(dāng)達(dá)到發(fā)送指令需要的時鐘個數(shù)時，定時器產(chǎn)生中斷標(biāo)志位，提醒微控制器模式指令發(fā)送結(jié)束，微控制器需要改變SSP0接口的通信模式，開始接收編碼器發(fā)送的信息。、入口參數(shù)、函數(shù)返回值。、的電平高低狀態(tài)，保證收發(fā)時序不發(fā)生沖突，實現(xiàn)編碼器和SSP的正常通信。EnDatGetOrder函數(shù)實現(xiàn)SSP0接口向編碼器發(fā)送模式指令的功能，在此函數(shù)中需要調(diào)用定時器計數(shù)函數(shù)，因此將發(fā)送模式指令需要的時鐘個數(shù)作為函數(shù)入口參數(shù)，在函數(shù)內(nèi)部傳遞給定時器計數(shù)函數(shù)。由于編碼器發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)隨著指令模式的不同而不同，因此需要根據(jù)具體的數(shù)據(jù)位數(shù)決定接收模式，將接收數(shù)據(jù)的位數(shù)作為該函數(shù)的入口參數(shù)，靈活地實現(xiàn)了任意