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《電子設計工程雜志》2014年第十一期

1硬件系統設計

根據功能要求，硬件系統包括以下幾個模塊：FPGA及配置電路模塊、電機驅動模塊、編碼器信號采集模塊、RS422通信模塊以及電源模塊。

1.1FPGA及配置電路模塊本系統中，FPGA作為控制芯片，其作用至關重要。首先，要給A3977提供控制信號用以驅動步進電機工作；其次，采集絕對值編碼器CMV22的角度數據，實現閉環控制；最后，負責和上位機通信，執行上位機的控制命令，并反饋轉臺的運行狀態。FPGA選用APA600，APA600是ACTEL公司基于Flash工藝的fpga器件，此系列的FPGA為ACTEL公司的第二代產品，憑借其宇航級品質，此系列FPGA一直應用在我國軍工、航天領域，并發揮重大作用，系統門數為60萬門，具有126K的內嵌RAM，可以滿足本系統的設計要求。FPGA需要I/O電源3.3V和內核電源1.5V，均由電源模塊提供。此外，本系統選用頻率為16MHz的外部有源晶振，為FPGA提供時鐘，MAX706提供硬件復位信號。

1.2電機驅動模塊轉臺的3個方向均采用兩相混合式步進電機[3]，采用28V的電壓，用FPGA通過Allegro公司的A3977驅動控制電機工作。A3977是一種用于雙極型步進電機的微步進電機驅動集成電路，其內部集成了步進和直接譯碼接口、正反轉控制電路、雙H橋驅動，電流輸出2.5A，最大輸出功率可接近90W。由于采用了內置譯碼器技術，A3977可以很容易的使用最少的控制線對步進電機實施微步進控制[4-5]。由FPGA提供的步進控制信號有步進輸入(STEP)、步進模式邏輯輸入(MS1,MS2)以及方向控制信號(DIR)以及電機運轉使能控制信號(EN)，如圖4所示。圖中A+、A-和B+、B-分別接至步進電機的兩路線圈中，通過電流按一定規律變化，就會使電機做出相應的轉動。在工作時，EN管腳處于低電平時有效，此時當STEP輸入的上升沿到來后，內置譯碼器將根據步進邏輯的輸入值(步進模式見表1)控制H橋的輸出，使電機在當前步進模式下產生1次步進。

1.3編碼器信號采集模塊本系統中，對于角度的精確度具有極高的要求，我們采用德國TR的多圈絕對值編碼器CMV22讀取角度信號，絕對編碼器具有斷電記憶的功能，此編碼器單圈分辨率4096，即最小分辨率約為0.0879°，最多可以讀取256圈，再加上轉臺三個方向減速器機構傳動比（俯仰傳動比最小1:90，水平轉臺傳動比1:180，角位轉臺傳動比1:352），那么換算過來俯仰、水平、角位的最小分辨率分別為0.000977°、0.000488°和0.000250°。絕對值編碼器輸出的脈沖信號采用同步串行接口(SynchronousSerialInterface，簡稱SSI接口)，SSI接口是高精度絕對值角度編碼器中一種較常用的接口方式，基于RS422的通信技術，包含一對時鐘信號及一對數據輸出信號，采用主機主動式讀出方式，即在主控者發出的時鐘脈沖的控制下，從最高有效位(MSB)開始同步傳輸，如圖5所示。

1.4RS422通信模塊和電源模塊RS422通信模塊采用TEXASINSTRUMENTS公司生產的DS26LV31AT和DS26LV32AT，分別把FPGA發送、接收信號轉化成差分信號，通過TXEN和RXEN可以對發送接收使能控制，再將RS422通過轉換器轉為RS232協議與上位機通信。所需的時鐘、使能和輸出使能信號均由FPGA提供。系統電源部分，主要包括28V、3.3V和1.5V。其中28V為系統直流輸入電源，為外部的電機和編碼器供電；3.3V通過DC/DC轉化得到，為FPGA供電，并與28V電源完全隔離；1.5V由3.3V通過三端穩壓芯片產生，為FPGA內核供電。為了防止前端大功率電路影響到后端的控制和信號傳輸部分，將28V電源隔離與后端隔離，28V采用一次地，3.3V和1.5V共用二次地，電路如圖7所示。

2FPGA邏輯設計

本系統的FPGA程序使用硬件描述語言VerilogHDL編寫，FPGA程序工作流程圖如下圖所示。轉臺的3個方向依次運動到設定的位置，當達到指定位置時電機停止，然后轉動下一個方向的電機直到轉臺的3個方向設定完畢，然后就可控制發射激光打向預定的位置。當監控實驗結束后，轉臺用相同的方法，回轉到初始位置。FPGA的功能模塊主要包括422串行通信和電機閉環控制。

2.1422串行通信RS422負責與上層工控機通信，接收上位機的控制指令，發送轉臺的狀態參數、工程參數，實現信息互通。RS422異步串行接口的波特率為115.2kbps，其頻率由系統時鐘16.384MHz經過計數器分頻得到，數據幀格式由1位起始位、8位數據位、1位校驗位（奇校驗）和1位停止位構成。串行通信模塊可分為發送子模塊和接收子模塊，均由狀態機實現。發送子模塊，FPGA按照軟件配置的數據包發送間隔，將內部寄存器按地址順序依次組包發送；接收子模塊，首先對輸入的數據進行3取2處理，處理后的串行數據按照RS422鏈路層協議進行串并轉換，解析出有效數據的同時完成數據的奇校驗，并寫入寄存器接口模塊。如果校驗結果不正確，則錯計數寄存器計數，進行錯誤統計。

2.2電機閉環控制該模塊負責對3臺電機的分時控制，根據配置的參數選擇對應電機工作，產生控制電機運行的驅動信號，控制電機以一定速度運轉至預定位置。為了保證轉臺控制系統的功率不至于太高，控制的3臺電機使能信號互斥，通過使能信號依次選擇啟動某一個電機運轉，結束一次運行過程后，再切換至下一個電機。通用驅動控制FPGA根據上位機設定的角度預先配置電機閉環行程設置寄存器，電機開始運行，當電機閉環行程輸出寄存器與閉環行程設置寄存器一致時，則表示本次設置的轉動結束，反饋電機運行狀態標志位。

3實驗結果

本系統硬件原理圖和PCB均采用Cadence軟件繪制，FPGA開發環境為Libero，綜合工具為SynplifyPro，仿真工具采用ModelSim。制板、程序調通后，并配合相應的上位機及通過網絡連接的遠端控制機，測試轉臺精度是否滿足設計要求。將激光打到距離激光發射器3m遠處的墻上，通過設定轉臺3個坐標值，并用坐標紙做標記，轉臺歸零重啟后，重新打到預先標記的點，定位點基本重合，誤差在0.5mm以內，對于3m的距離，也就是<0.01°，激光轉臺控制系統滿足設計要求。

4結論

文中設計了一種基于FPGA和A3977的精密激光轉臺控制系統，能夠很好地滿足高海拔宇宙線觀測站的惡劣環境，具有非常高的轉臺定位精度，為觀測站多個探測器監控大氣狀況實驗時，提供了非常可靠、重復性誤差極小的穩定光源，為大氣監控提供保障，從而大大提高了宇宙射線信息重建的準確性。

作者：葉蔚然孫志斌耿寶明單位：中國科學院空間科學與應用研究中心中國科學院大學