闡述了嵌入式火箭伺服機(jī)構(gòu)的控制原理，對(duì)火箭伺服機(jī)構(gòu)嵌入式智能控制器進(jìn)行了研究，提出了硬件實(shí)現(xiàn)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于此設(shè)計(jì)中的微處理器單元電路元器件的選擇，元器件的連接方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。 1 嵌入式導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)組成和工作原理 傳統(tǒng)火箭伺服機(jī)構(gòu)的輸入指令來源于彈載計(jì)算機(jī)，且整個(gè)系統(tǒng)的傳輸信號(hào)均為模擬信號(hào)。而嵌入式火箭伺服機(jī)構(gòu)由控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分組成，結(jié)構(gòu)簡潔，智能化程度高，可以作為一個(gè)自治的節(jié)點(diǎn)掛接火箭控制系統(tǒng)總線上。 為了實(shí)現(xiàn)總線式火箭控制，我們設(shè)計(jì)的控制器是基于CAN總線的數(shù)字式伺服機(jī)構(gòu)控制器。其原理框圖如圖1所示。 嵌入式控制器起到了通信接口、數(shù)據(jù)采集與處理等作用，是總線型數(shù)字式伺服機(jī)構(gòu)的核心。其工作原理如下： CAN總線通訊模塊從CAN總線上接受到指令信號(hào)，將其送入ARM微處理器，經(jīng)過微處理器的解碼運(yùn)算，輸出數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)過D/A和V/I轉(zhuǎn)換輸出指令電流給舵機(jī)，舵機(jī)將此信號(hào)放大，通過聯(lián)動(dòng)裝置帶動(dòng)燃?xì)舛孓D(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)燃?xì)饬鹘?jīng)過偏轉(zhuǎn)了的舵面時(shí)，就對(duì)火箭產(chǎn)生了一個(gè)控制力矩，從而消除火箭飛行的姿態(tài)偏差。在燃?xì)舛嫫D(zhuǎn)的同時(shí)，固定其軸上的舵電位計(jì)的電刷也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而輸出與舵偏角大小成比例的電信號(hào)作為舵反饋信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入微處理器，與來自CAN總線的指令信號(hào)綜合后共同控制舵機(jī)的動(dòng)作。另外，舵電位計(jì)有兩個(gè)電限動(dòng)觸點(diǎn)，以限制燃?xì)舛嬖谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)工作，當(dāng)電限動(dòng)觸點(diǎn)接通時(shí)，給微處理器一數(shù)字量輸入，微處理器控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角不再增加。 由上述的介紹可知，火箭伺服機(jī)構(gòu)控制器應(yīng)該具備以下幾種主要功能: （1）具有CAN總線通信能力。這是對(duì)控制器最基本的要求。因?yàn)榭偩€式火箭控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是通過CAN總線實(shí)現(xiàn)的，所以控制器必須具備總線通信能力，并且能夠保證通訊的速率、誤碼率、通訊距離在要求的范圍之內(nèi)。 （2）具有AI/AO功能。AI即數(shù)據(jù)采集功能，對(duì)舵電位計(jì)的反饋電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，與來自總線的指令信號(hào)進(jìn)行綜合，共同控制舵機(jī)動(dòng)作。而且要求舵機(jī)動(dòng)作及時(shí)、平穩(wěn)。AO即模擬量輸出，在此要求輸出對(duì)舵機(jī)的控制指令電壓，經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換輸出指令電流。 （3）具有DI/DO功能。數(shù)字量輸入接收舵電位計(jì)電限動(dòng)觸電反饋信號(hào)，然后給微處理器一中斷請(qǐng)求，微處理器響應(yīng)該中斷，控制輸出的指令電流不再增加，使燃?xì)舛嫫遣辉僭龃螅谧畲笃歉浇秳?dòng)。 （4）具有數(shù)據(jù)處理功能?？刂破鲝目偩€上接收到的是CAN協(xié)議格式的信號(hào)，需要控制器進(jìn)行解碼，再與舵電位計(jì)的反饋信號(hào)進(jìn)行求差運(yùn)算，然后按一定的控制策略將此控制量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)舵機(jī)實(shí)施控制。 （5）具有通用串行通信接口?？紤]到控制器的調(diào)試以及與上位機(jī)的通信要求，通用串口（RS232,RS422等）還是不可缺少的。 2 控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 伺服機(jī)構(gòu)控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是以一個(gè)32位的ARM微處理器為核心，具備數(shù)據(jù)采集，對(duì)象控制、數(shù)據(jù)通信等功能的完整系統(tǒng)。 3 微處理器單元電路設(shè)計(jì) 3.1 微處理器結(jié)構(gòu)及特性 控制器采用的微處理器是Philips公司的LPC2292芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。LPC2292是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI -STM CPU，并帶有256kB的嵌入高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。 由于LPC2292的144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2路CAN、PWM通道以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。LPC2292包含76（使用了外部存儲(chǔ)器）～112（單片）個(gè)GPIO口。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其它各種類型的應(yīng)用。 3.2 系統(tǒng)復(fù)位（RESET）電路 任何微處理器都是通過可靠復(fù)位之后才有序執(zhí)行應(yīng)用程序。同時(shí)，復(fù)位電路也是容易受噪聲干擾的敏感部位之一。因此，復(fù)位電路設(shè)計(jì)要求有兩個(gè)：一要保證整個(gè)電路可靠復(fù)位；二要有一定的抗干擾能力。 系統(tǒng)復(fù)位模塊提供給LPC2292啟動(dòng)信號(hào)，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的開端。復(fù)位模塊接線原理圖如圖5所示。LPC2292有2個(gè)復(fù)位源：RESET管腳和看門狗復(fù)位。RESET管腳是一個(gè)施密特觸發(fā)輸入管腳，帶有附加的干擾濾波器。任何復(fù)位源所導(dǎo)致的芯片復(fù)位都會(huì)啟動(dòng)喚醒定時(shí)器復(fù)位狀態(tài)將一直保持到外部復(fù)位撤除，振蕩器開始運(yùn)行。振蕩器運(yùn)行經(jīng)過固定數(shù)目的時(shí)鐘后，F(xiàn)lash控制器完成其初始化。 當(dāng)內(nèi)部復(fù)位撤除后，處理器從復(fù)位向量地址0開始執(zhí)行。此時(shí)所有的處理器和外設(shè)寄存器都被初始化為預(yù)設(shè)的值。 喚醒定時(shí)器的用途是確保振蕩器和其它芯片操作所需要的模擬功能在處理器能夠執(zhí)行指令之前完全正常工作。這在上電、各種類型的復(fù)位以及任何原因所導(dǎo)致上述功能被關(guān)閉的情況下非常重要。由于振蕩器和其它功能在掉電模式下關(guān)閉，因此將處理器從掉電模式中喚醒就要利用喚醒定時(shí)器。 喚醒定時(shí)器監(jiān)視晶體振蕩器是否可以安全地開始執(zhí)行代碼。當(dāng)芯片上電時(shí)，或某些事件導(dǎo)致芯片退出掉電模式時(shí)，振蕩器需要一定的時(shí)間以產(chǎn)生足夠振幅的信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘邏輯。時(shí)間的長度取決于許多因素，包括VDD上升速度（上電時(shí)）、晶振的類型及電氣特性（如果使用石英晶體）以及其它外部電路（例如：電容）和外部環(huán)境下振蕩器自身的特性。 3.3 調(diào)試接口（JTAG） JTAG（Joint Test Action Group）是IEEE的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，ARM7TDMI內(nèi)部提供了3個(gè)JTAG型的掃描鏈，可以進(jìn)行調(diào)試和配置嵌入式的ICE-RT邏輯。JTAG接口接線圖如圖6所示。 JTAG仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過ARM芯片上的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。它可以通過現(xiàn)有的JTAG邊界掃描與ARM CPU核進(jìn)行通訊，屬于完全非插入式（不占用片上資源）調(diào)試。它無需目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口，而且是普通的駐留監(jiān)測軟件所必須的。另外，JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行，仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，仿真結(jié)果與真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境更為接近，所以逐漸成為目前采用最多的一種調(diào)試方式。 由于LPC2292芯片中集成有JTAG信號(hào)，引出這些信號(hào)線在板上擴(kuò)出JTAG口，即可與JTAG調(diào)試器進(jìn)行通信。 4 總結(jié) 本文研究了火箭伺服機(jī)構(gòu)嵌入式智能控制器的硬件設(shè)計(jì)。提出了嵌入式導(dǎo)彈伺服結(jié)構(gòu)的總體方案,分析了導(dǎo)彈伺服控制器的功能需求，并以此為起點(diǎn)，較為詳細(xì)地在控制器的微處理器單元電路方面進(jìn)行了討論，在工程實(shí)踐應(yīng)用上具有一定的價(jià)值。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集