Dr inż. Stanisław ŻYGADŁO Dr inż. Dariusz RODZIK Inż. Michał JANKOWSKI Wojskowa Akademia Techniczna WYBRANE MODELE UKŁADÓW STEROWANIA IMITATOREM STACJI RADIOLOKACYJNEJ Streszczenie: W referacie przedstawiono zaprojektowane, a następnie wykonane praktycznie i przebadane wybrane modele układu sterowania systemem imitatorów stacji radiolokacyjnej. Parametry układów sterowania uzyskane w wyniku symulacji komputerowych oraz badań laboratoryjnych spełniają wymagania stawiane układom wypracowującym sygnały sterowania systemem imitatorów stacji radiolokacyjnej. SOME MODELS OF CONTROL SYSTEMS OF RADAR IMITATOR Abstract: Designed, and then constructed and tested in practice some models of control system of radar imitators are presented in the paper. Parameters of control systems achieved through computer simulations and laboratory tests meet the requirements for generating signals to control of radar imitators system. Słowa kluczowe: układ sterowania antenami, imitator stacji rlok. Keywords: antennas control, radar imitator 1. WPROWADZENIE Modelowanie i badania symulacyjne modeli układów wchodzących w skład układu sterowania imitatorem stacji radiolokacyjnej przeprowadzono na bazie środowiska Altium Designer w wersji Summer 08. Ten produkt firmy Altium przeznaczony jest dla szerokiego grona projektantów-elektroników, którzy potrzebują nowoczesnych i kompleksowych narzędzi projektowych. Środowisko Altium Designer stanowi aplikację, która oferuje kompletny zestaw narzędzi do projektowania schematów, ich pełnej symulacji, projektów PCB i FPGA. Oprogramowanie wbudowane dla systemów mikroprocesorowych zapewnia pełną integrację narzędzi oraz funkcje zarządzania całym projektem. Pozwala ono na realizację szerokiego zakresu zadań, obejmując cały proces od tworzenia schematów do kodów w języku HDL. Daje możliwość bieżącego sprawdzania działania algorytmów sterowania poprzez ich bezpośrednią symulację i weryfikację, aż do momentu implementacji ostatecznej wersji projektu na płycie drukowanej. Dzięki możliwości tworzenia i uruchamiania oprogramowania wbudowanego, można również optymalnie dobrać parametry procesorów zaimplementowanych na platformie FPGA [1]. Na podstawie opracowanego schematu blokowego układu sterowania ISR, wykorzystując środowisko projektowe Altium Designer, zaprojektowano i przebadano symulacyjnie obwody elektroniczne oraz działanie algorytmów kodowania mikrokontrolerów tego układu. Schemat blokowy układu sterowania ISR pokazano na rys. 1. Głównymi elementami urządzenia sterującego oraz sterownika anteny są mikrokontroler i modem radiowy. 891
Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy układu sterowania ISR 2. WYBRANE MODELE UKŁADÓW STEROWANIA Schemat ideowy układu urządzenia sterującego zaprojektowany oraz zasymulowany w programie Altium Designer Summer 08 przedstawiono na rys. 2. Zadaniem mikrokontrolera jest nadawanie, odbieranie i interpretowanie otrzymanych danych z różnych źródeł. Zastosowany mikrokontroler ATmega164P firmy Atmel jest procesorem 8-bitowm posiadającym 16 kb wbudowanej pamięci flash, 1 kb statycznej pamięci RAM oraz 512 B EEPROM [2]. Decydującym czynnikiem przy wyborze tego mikrokontrolera była ilość sprzętowych modułów USART, w jakie został wyposażony ten układ. Dzięki dwóm niezależnym modułom komunikacji szeregowej, możliwa stała się realizacja komunikacji przewodowej zarówno z pulpitem zdalnego sterowania, jak i ze sterownikami anten. Jako modem radiowy użyto układu nrf905 firmy NORDIC SEMICONDUCTOR, na bazie którego jest realizowana transmisja radiowa w obu kierunkach z modulacją GFSK i maksymalną prędkością 50 kbps [3]. Dzięki wbudowanemu mikroprocesorowi transmisja odbywa się bez udziału mikrokontrolera sterującego, którego zadaniem jest konfiguracja radiomodemu i przesyłanie danych za pomocą interfejsu SPI. Układ posiada wiele opcji konfiguracyjnych związanych zarówno z przesyłaniem, jak i odbieraniem danych. Możliwa jest również konfiguracja mocy nadawania i czułości odbiornika. Układ może pracować w kilku trybach. Przełączanie trybu pracy odbywa się poprzez odpowiednie ustawienie linii sygnałowych układu oznaczonych TRX_CE, TX_EN i PWR_UP. Rozwiązanie takie wymusiło zastosowanie oprócz linii interfejsu SPI, dodatkowych linii łączących radiomodem z mikrokontrolerem, który przełączając ich stan, zmienia tryb pracy układu. Radiomodem posiada również wyjścia sygnalizujące stan transmisji. Sygnał DR służy do dwóch celów. W przypadku nadawania, ustawiany jest na poziom wysoki, co sygnalizuje rozpoczęcie wysyłania danych. Po zakończeniu wysyłania ustawiany jest na poziom niski. Jest to informacja dla mikrokontrolera o zakończonym procesie transmisji danych i możliwości wysłania kolejnych. W przypadku odbioru danych, sygnał ten ustawiany jest w stan wysoki, jeśli zostaną odebrane jakieś dane. Jest to sygnał o dostępności nowych 892
odebranych danych i możliwości ich odczytu przez interfejs SPI. Drugim sygnałem komunikacji jest AM. Sygnał ten używany jest w trybie odbioru. Jego stan zmienia się na wysoki, kiedy radiomodem odbierze dane poprzedzone adresem zgodnym z adresem zapisanym w ustawieniach odbiornika. Może to być informacja dla mikrokontrolera o tym, że radiomodem aktualnie odbiera dane z urządzenia i nie powinien być przełączany w inny tryb pracy. Po zakończonym odbiorze sygnał ten ustawiany jest automatycznie w stan niski. Rys. 2. Schemat ideowy urządzenia sterującego Konfiguracja modułu umożliwia nadanie mu unikatowego adresu osobno dla nadawania i odbierania danych. Adresy mogą mieć długość do 4 bajtów i zawsze przesyłane są na początku transmisji. Kiedy odbiornik odbierze adres, który jest taki sam jak zapisany w pamięci, przystępuje do odbierania kolejnych bajtów, które są już danymi właściwymi z układu sterowania. Jeżeli odebrany adres jest inny niż oczekiwany, kolejne dane są odrzucane i układ nie zgłasza gotowości ich odczytu (sygnał DR). Ilość przesyłanych danych w jednej sesji połączenia może być zmienna i maksymalnie wynosi 32 bajty. Do realizacji komunikacji pomiędzy urządzeniem sterującym a sterownikiem anteny wykorzystano moduł USART oraz interfejs RS-485. Układem pośredniczącym jest element U3 typu MAX485 firmy MAXIM [4]. Dzięki niemu podczas nadawania na linii komunikacyjnej pojawiają się sygnały zgodne ze standardem RS-485. Układ posiada wejście DI podłączone do wyjścia mikrokontrolera TXD1, za pomocą którego realizowane jest nadawanie, wyjście RO podłączone z wejściem RXD1, które służy do odbioru danych oraz dwa wejścia sterujące DE i /RE. Wejścia te służą do przełączania układu z trybu nadawania do odbierania. Zostały one zwarte ze sobą i podłączone do jednego wyjścia mikrokontrolera 893
PD4, który zmieniając stan wyjścia, przełącza układ z nadawania na odbiór i odwrotnie. Podczas bezczynności, układ ustawiony jest na odbiór danych. Przełączanie układu w tryb nadawania jest wykonywane tylko na czas wysyłania przez mikrokontroler danych, po czym natychmiast układ zostaje przełączony w tryb odbioru. Wyjścia LN1 i LN2 są liniami magistrali. Do złącza oznaczonego CON1 podłączany jest kabel PKL-2. Programowanie procesora następuje za pomocą interfejsu SPI tego samego, który wykorzystywany jest do komunikacji z radiomodemem. Linie interfejsu SPI oraz wejście resetujące procesor zostały wyprowadzone na złącze oznaczone J1. Do tego złącza przyłączane jest wyjście programatora na czas programowania. Schemat ideowy sterownika anteny pokazano na rys. 3. Sterownik anteny, podobnie jak urządzenie sterujące, zbudowano w oparciu o mikrokontroler ATmega 164PV. Komunikację przewodową i radiową zrealizowano jak w opisanym powyżej urządzeniu sterującym. Rys. 3. Schemat ideowy sterownika anteny Do sterowania sterownika silnika krokowego wykorzystano wolne porty mikrokontrolera, do których na schemacie podpięto odpowiednie etykiety. Sygnały te zostały wyprowadzone na złącze J8. Złącze J7 służy do zasilania sterownika silnika krokowego. Sterowanie serwomechanizmu zrealizowano za pomocą jednego z trzech liczników/timerów mikrokontrolera. Sygnał o modulacji PWM generowany jest na wyjściu PD6 mikrokontrolera i oznaczony jest etykietą Serwo. Jest ono wyprowadzone również na złącze J3, do którego poprowadzono napięcie zasilające serwomechanizm. Wykorzystanie wyjścia PD6 do tego celu umożliwia generowanie sygnału PWM bez udziału mikrokontrolera, ponieważ odpowiednia konfiguracja sprawia, że na wyjściu OC2B czyli PD6 odzwierciedlany jest stan bitu układu porównania TIMERA2. TIMER 2 pracujący jako generator przebiegu PWM 894
porównuje wartości dwóch rejestrów. W jednym rejestrze znajduje wartość licznika TIMERA 2, która cały czas jest zwiększana z odpowiednią częstotliwością, natomiast w drugim rejestrze jest stała wartość. Po każdym zwiększeniu wartości licznika o jeden, oba rejestry są ze sobą porównywane. Podczas gdy wartość licznika jest mniejsza od rejestru porównania, stan wyjścia OC2B jest ustawiony na wysoki. Kiedy licznik przekroczy wartość rejestru porównania, stan tego wyjścia zmienia się na niski i trwa, aż licznik się przepełni (w tym przypadku maksymalna wartość licznika to 255). Kiedy licznik się przepełni, zmienia stan wyjścia na wysoki i liczy ponownie od zera. Dzięki takiej zasadzie zmieniając wartość rejestru porównania, zmienia się czas trwania stanu wysokiego na wyjściu OC2B, czyli następuje modulacja szerokości impulsu (PWM). Wszystkie procesy dzieją się automatycznie a zadaniem mikrokontrolera jest tylko odpowiednia zmiana wartości rejestru porównania. Za pomocą TIMERA 1 zrealizowano generator impulsów sterujących silnikiem krokowym. Wyjście PD5, oznaczone również jako OC1A, jest źródłem tych impulsów i zostało wyprowadzone na złącze J8 jako CLK_motor. W tym przypadku zadaniem TIMERA 1 jest zmiana stanu wyjścia OC1A, kiedy nastąpi zrównanie wartości rejestru licznika TIMERA 1 z rejestrem porównania. Po tym zdarzeniu licznik zaczyna zliczać od zera. Zmiana wartości rejestru porównania skutkuje zmianą częstotliwości przebiegu na wyjściu i dzięki temu można regulować prędkość obrotową silnika. Wyprowadzenia PB0 oraz PB2 mikrokontrolera zostały skonfigurowane jako wejścia i służą do zliczania impulsów pochodzących z impulsatorów zamontowanych na konstrukcji mechanicznej mechanizmu wychylania anteny. Mają nazwy Licz_lewo/prawo oraz Pomiar_az. Ponieważ generowanych impulsów podczas obrotu anteny w płaszczyźnie azymutu jest zdecydowanie więcej, jako licznik wykorzystano TIMER 0. Zasada działania takiego licznika polega na zwiększaniu wartości rejestru licznika o jeden w przypadku wykrycia narastającego zbocza sygnału wejściowego. Odbywa się to automatycznie bez udziału procesora. Zliczanie impulsów generowanych poprzez wychylenie anteny zostało zrealizowane za pomocą przerwania zewnętrznego INT2. Kiedy obwody wejściowe wyprowadzenia PB2 wykryją narastające zbocze sygnału, następuje wstrzymanie aktualnie wykonywanej funkcji programu i mikrokontroler wykonuje funkcję obsługi przerwania. W funkcji tej następuje zwiększenie zmiennej przechowującej liczbę impulsów o 1 i powrót do wcześniej wykonywanej funkcji. Rozwiązanie takie zapewnia, że każdy impuls zostanie zliczony, ale będzie się to odbywało kosztem czasu pracy procesora. Sygnały z impulsometrów są dołączone do zacisków CON1 i CON3. Zadaniem kondensatorów C4 i C5 jest tłumienie ewentualnych drgań styków zastosowanych impulsatorów. Pomiar napięcia realizowany jest za pomocą wbudowanego w mikrokontroler przetwornika analogowo-cyfrowego. Przetwornik ten posiada siedem multipleksowanych wejść pomiarowych oznaczonych ADC0 ADC7. Ponieważ układ ma mierzyć tylko napięcie akumulatora zasilającego, wykorzystano jeden kanał pomiarowy ADC7 dostępny na wyprowadzeniu PA7 mikrokontrolera. Do tego wyprowadzenia dołączony jest suwak potencjometru PR2. Potencjometr służy jako dzielnik napięcia, który obniża napięcie do odpowiedniej wartości. Wartość ta jest określona przez napięcie referencyjne źródła odniesienia i w tym rozwiązaniu została ustalona na 2,56 V. Zasada działania przetwornika polega na porównaniu napięcia mierzonego z napięciem odniesienia. Porównanie to jest obrazowane jako wartość liczbowa z przedziału od 0 do 1023. Wartość 0 będzie wtedy, kiedy napięcie mierzone będzie wynosiło 0 V, natomiast wartość 1023 zostanie uzyskana dla mierzonego napięcia równego napięciu źródła odniesienia. Po wykonaniu pomiaru mikrokontroler będzie mógł przeprowadzić odwrotne obliczenia dla uzyskanej wartości ADC. Uwzględniając stały współczynnik podziału, można w łatwy sposób obliczyć wartość zmierzonego napięcia i przesłać je w postaci cyfrowej do urządzenia sterującego. 895
Do zacisków CON6 doprowadzony jest sygnał wyzwalający wzmacniacz w.cz. Zastosowanie TIMERA 2 do generacji impulsów wyzwalających pozwala na zachowanie wymaganych czasów trwania i okresów powtarzania impulsów. Schemat ideowy sterownika silnika krokowego pokazano na rys. 4. Wykorzystano w nim dwa specjalizowane układy scalone L297 i L298N oznaczone odpowiednio U9 i U8. Jest to typowe połączenie współpracujących ze sobą dwóch układów, realizujących funkcję sterownika bipolarnego silnika krokowego [5]. Układ L297 przeznaczony jest do generowania sygnałów sterujących stopniem mocy. Stopniem mocy może być podwójny mostek bipolarny, do wyjść którego dołączone są uzwojenia silnika krokowego. Układ zasilany jest napięciem +5 V, a wszystkie sygnały sterujące i wyjściowe zgodne są ze standardem TTL. Zasadniczym modułem układu L297 jest translator, który generuje wszystkie niezbędne przebiegi sterujące stopniem mocy, za pośrednictwem wyjść logicznych A, B, C, D, INH1 i INH2. Wejście CONTROL przeznaczone jest do wyboru sposobu regulacji prądu w uzwojeniach silnika. Jeżeli stan tego wejścia jest niski, kontrola prądu dokonywana jest na liniach INH1 i INH2. Natomiast w przypadku stanu wysokiego, regulacja przebiega za pośrednictwem linii sterujących A, B, C, D. Wejście ENABLE po podaniu na nie sygnału zera logicznego ustawia wszystkie wyjścia sterujące A D i INH1, INH2 w stan niski, blokując tym samym prąd płynący przez silnik krokowy. Rys. 4. Schemat ideowy sterownika silnika krokowego Do sterowania kierunkiem obrotów służy wejście DIRECTION(CW/CCW). Zmiana stanu logicznego na tym wejściu powoduje zmianę kierunków obrotów na przeciwny. Specjalnie nie określa się poziomów logicznych sygnału dla kierunku w lewo lub w prawo, gdyż zależny on jest także od kolejności podłączania wyprowadzeń silnika do wyjść stopnia mocy. Wejście zegara CLOCK przeznaczone jest do sterowania kolejnymi krokami silnika. Silnik wykonuje krok w chwili pojawienia się narastającego zbocza sygnału zegara. Drugim modułem układu L297 jest układ podwójnego czopera mający na celu regulację prądu silnika. W skład czopera wchodzą dwa komparatory i zatrzaski oraz generator. 896
Prąd obu uzwojeń silnika mierzony jest za pośrednictwem spadku napięcia na rezystorach pomiarowych R18 i R19. Napięcie z tych rezystorów doprowadzane jest do wejścia SENSE1 i SENSE2. Przebieg wytwarzany w generatorze ustawia przerzutniki FF1 i FF2 w stan wysoki. Kiedy prąd płynący przez uzwojenia silnika osiągnie zadaną wartość, komparator zmieni swój stan na przeciwny, zerując przerzutnik. Efektem tego jest ustawienie odpowiednich sygnałów sterujących stopniem mocy w stan niski i przerwanie przepływu prądu przez silnik. Za chwilę generator ponownie ustawi przerzutniki w stan wysoki i prąd zostanie ponownie włączony. Próg, przy którym włączany jest przepływ prądu, zależny jest od napięcia referencyjnego przyłożonego do wejścia V ref. W zbudowanym układzie regulacji prądu dokonujemy za pomocą potencjometru wieloobrotowego PR3. Wejście SYNCH służy do synchronizacji czoperów w układach sterujących kilkoma silnikami, aby eliminować zakłócenia wprowadzane pracą czopera przez gwałtowne włączanie i wyłączanie prądu w uzwojeniach silnika. Przełączanie między pracą krokową a pół-krokową odbywa się za pomocą zmiany stanu logicznego wejścia HALF/FULL. Podanie stanu niskiego na to wejście przełącza układ do pracy w trybie krokowym. Wejścia HOME i RESET służą do ustalenia początkowej sekwencji stanów na liniach A D i w zbudowanym układzie nie są wykorzystywane. Sygnały logiczne z wyjść A, B, C, D, INH1 i INH2 doprowadzane są do stopnia mocy zbudowanego na układzie L298N. Układ ten składa się z dwóch mostków tranzystorowych, mogących przewodzić prądy do 2,5 A każdy. Mostki wyposażone są w konwertery poziomów sterowane sygnałami o poziomach logicznych w standardzie TTL. Układ zasilany jest napięciem +5 V. Natomiast kolektory górnych tranzystorów mostków wyprowadzone są oddzielnie i mogą być zasilane napięciem do +45 V. Z kolei emitery dolnych tranzystorów mostków połączone są ze sobą i wyprowadzone dla każdego mostka osobno na zewnątrz. Pomiędzy emitery a masę włączone są rezystory pomiaru prądu w obu uzwojeniach silnika krokowego. Dodatkowo układ wyposażony jest w zabezpieczenie przed przekroczeniem temperatury maksymalnej złącza. Uzwojenia silnika charakteryzują się pewną, zależną od typu i mocy, indukcyjnością. Włączanie i wyłączanie prądu w czasie wykonywania kroku lub w trakcie pracy czopera powoduje powstawanie przepięć mogących uszkodzić tranzystory mostków układu L298N. Dlatego też do wyjść dołączono diody Schottki ego D10 D17 zabezpieczające układ przed przepięciami z uzwojeń silnika. Zaprojektowany sterownik silnika umożliwia załączanie i wyłączanie zasilania obu wyżej wymienionych układów. Realizowane jest to za pomocą sygnałów z mikrokontrolera oznaczonych etykietą ON_VCC5 oraz ON_VCC12. Podanie stanów wysokich na tych wyprowadzeniach powoduje załączenie tranzystorów polowych MOSFET T7 i T8, które z kolei załączają tranzystory T6 oraz T5 doprowadzając napięcia zasilania do układów. Rozwiązanie takie umożliwia uruchamianie sterownika silnika tylko na czas pracy bojowej systemu. Dzięki temu podczas trybu czuwania układ nie pobiera znacznego prądu (ok. 90 ma) w porównaniu ze sterownikiem pobierającym nie więcej jak 30 ma, co wydłuża czas pracy na jednym akumulatorze. Praca finansowana ze środków na naukę jako projekt badawczo-rozwojowy realizowany w latach 2012-2015. 897
LITERATURA [1] www.evatronix.com.pl [2] www.atmel.com [3] www.nordicsemi.com [4] www.maximintegrated.com [5] www.st.com 898