小型遙控轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種能無線遙控的小型攝像頭驅(qū)動控制轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，通過對無線遙控器上簡單按鍵的操作既可使遠處攝像頭瞄準不同角度的目標，又同時進行實時取景。文中詳細闡述了系統(tǒng)的組成原理和軟硬件設(shè)計，經(jīng)過實際驗證該系統(tǒng)具有可擴展性好、成本低廉、性能穩(wěn)定的特點。
關(guān)鍵詞：無線遙控；直流減速電機；PWM

    在云臺或攝像頭等微型轉(zhuǎn)臺的民用或商用系統(tǒng)中，需要根據(jù)被監(jiān)控目標的方向?qū)D(zhuǎn)臺作出快速旋轉(zhuǎn)等操作，并要求其響應速度快并且穩(wěn)定。因此系統(tǒng)設(shè)計應用了Silicon公司的C8051F020單片機為控制核心，集成功率芯片驅(qū)動直流減速電機推動小型轉(zhuǎn)臺，使具有遠端遙控操作簡易，體積小，成本低，可靠性高等優(yōu)點，是一款高集成度，小型的伺服系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及原理
    整個系統(tǒng)南兩部分組成：云臺驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)和操作控制器，分別如圖1和圖2所示。為了設(shè)計和調(diào)試統(tǒng)一、簡單，兩部分都采用了C8051系列單片機為控制核心，轉(zhuǎn)臺速度采用旋鈕變位器控制，通過模擬量采集獲取轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方向和速度信號。轉(zhuǎn)臺驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)采用直流減速電機，通過12 V電池供電，其他控制電路可由12 V變換為需要的5 V或3．3 V電壓信號。電機選用額定電壓為12 V的MAXON直流有刷電機，自帶減速機構(gòu)，并且尾部同軸安裝了精密多圈變位器，用于反饋轉(zhuǎn)動位置信號。電機功率驅(qū)動芯片應用了美國國家半導體公司(NS)推出的專用于直流電動機驅(qū)動的H橋器件LMD18200。它廣泛應用于打印機、機器人和各種自動化控制領(lǐng)域。

    無線遙控裝置用nRF403芯片作為核心收發(fā)器件，利用nRF403芯片和C8051F120單片機的簡單接口完成無線收發(fā)功能。nRF403是一個單片RF收發(fā)芯片，具有FSK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強，適合工業(yè)控制。其主要性能指標為：
    (1)靈敏度高達-105 dBm；
    (2)最大發(fā)射功率達+10 dBm；
    (3)工作頻率范圍：433～315 MHz；
    (4)電源電壓：2．7～3．6 V；
    (5)最大數(shù)據(jù)速率：20 kb／s；
    (6)頻偏：±15 kHz。
    其特性完全能滿足本系統(tǒng)遙控要求。

2 云臺驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計
2．1 硬件電路設(shè)計
    整個電路分為控制電路、驅(qū)動電路和無線接收三個功能部分。以C8051系列單片機為控制核心，而電機驅(qū)動部分采用LMD18200，它可以與單片機、直流電機和多圈變位器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。整個驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)由12V電池供電，經(jīng)隔離電源轉(zhuǎn)換成5 V和3．3 V電源，為單片機和無線收發(fā)電路供電。控制電路、無線接收與驅(qū)動電路的信號用光耦隔離，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
    攝像搖臂經(jīng)常在噪聲小的環(huán)境中應用，因此云臺的運行噪聲必須盡可能低，選用優(yōu)質(zhì)的直流電機是設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)市場調(diào)研，設(shè)計中采用MAXON公司的有刷直流減速電機(尺寸：直徑25mm，軸長22 mm，軸徑3 mm，額定電壓12 V)。攝像頭轉(zhuǎn)動控制旋鈕內(nèi)接精密10 K電位器，旋鈕左有旋轉(zhuǎn)與攝像機左右旋轉(zhuǎn)同步，其實質(zhì)是用電位器來控制直流電機正反轉(zhuǎn)和閉環(huán)調(diào)速。

    該系統(tǒng)電路圖如圖3所示。單片機P0．2和P3．1兩個端口分別輸出旋轉(zhuǎn)信號和PWM波電機控制信號。PWM控制信號經(jīng)過光耦后輸入LMD18200的引腳5，而轉(zhuǎn)向信號則通過引腳3輸入。根據(jù)PWM控制信號的占空比來決定直流電機的轉(zhuǎn)速。LMD18200提供雙極性驅(qū)動方式和單極性驅(qū)動方式。雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性可逆系統(tǒng)雖然有低速運行平穩(wěn)性的優(yōu)點，但也存在著電流波動大，功率損耗較大的缺點，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的控制。單極性驅(qū)動方式是指存一個PWM周期內(nèi)，電動機電樞只承受單極性的電壓，電機的轉(zhuǎn)速大小只與PWM的占空比有關(guān)，占空比越大，轉(zhuǎn)速越大。這里采用單極性驅(qū)動方式，當PWM的占空比等于0時，電機靜止；當PWM的占空比大于0時，電機轉(zhuǎn)動。通過改變占空比，可以實現(xiàn)電機的調(diào)速，改變電機的方向控制信號(高低電平)來控制電機的轉(zhuǎn)向。驅(qū)動電路的PWM、方向信號和報警信號，通過高速光電耦合器HCPL0600的隔離和電壓轉(zhuǎn)換后，輸入或輸出到單片機。
    圖3表明了采用直流電機定頻調(diào)寬PWM調(diào)速方式，PWM信號為單極性工作制。圖3中電位器RP1的中間滑動端接到C8051F020單片機自帶A／D模塊端口AIN0．6，它是電機尾部同軸向的角度化置反饋信號，可與控制指令形成閉環(huán)位置反饋，從而達到精確控制電機調(diào)速目的，其基準電壓為3．3 V，從單片機的VREFD，VREF0，VREF1端口引入。滿幅值對應電機末端旋轉(zhuǎn)一周。另外驅(qū)動過熱保護信號也接入單片機P2．0端口，隨時停止電機運轉(zhuǎn)保護機構(gòu)。
    遙控部分由nRF403芯片實現(xiàn)：芯片的9腳及10腳：DIN輸入數(shù)字信號和DOUT輸出數(shù)字信號均為標準的邏輯點頻信號，需要發(fā)射的數(shù)字信號通過DIN輸入，解調(diào)出來的信號經(jīng)過DOUT輸出。12腳通道選擇：FREQ=“0”為通道#1(433．92 MHz)，F(xiàn)REQ=“1”為通道#2 (315．16 MHz)，接到單片機P6．7。18腳電源開關(guān)：PWR_UP=“1”為工作模式，PWR_UP=“0”為待機模式，接到單片機P5．7，而19腳發(fā)射允許，這里設(shè)置TXE N=“0”為接收模式，接到單片機P6．5，本電路板主要用于接收控制信號，指令解調(diào)出來的信號經(jīng)過DOUT采入單片機。
2．2 布板設(shè)計
    實現(xiàn)無線遙控的nRF403芯片采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，由壓控振蕩器輸出的信號直接送到功率放大器，從功率放大器提供的射頻輸出到天線。單端天線列接到nRF403時，使用印刷電路板(PCB)的設(shè)計直接關(guān)系到射頻性能。為了實現(xiàn)較好的性能，使系統(tǒng)達到預期的結(jié)果，PCB要使用雙面板來實現(xiàn)，即元件面和底面。為了防止各個模塊之間相互影響，無線接收模塊與控制模塊盡量分開布置，控制與驅(qū)動兩部分電源隔離。射頻電路的電源要使用高性能的射頻電容去耦，并且所使用的去耦電容要盡可能與nRF403的VDD端靠近，一般還要在大容量面所安裝的電容旁并聯(lián)一個小電容。為了達到減少分布參數(shù)的影響，PCB在設(shè)計時要避免電源線過長，要使各器件緊靠芯片周圍，所有元件地線、VDD連線等圍繞nRF403芯片。除此之外，射頻電路的電源也要與接口電路的電源分離。nRF403的VSS端直接接到接地面(PCB板的兩面最好敷銅接地，將兩層的敷銅用較多的過孔緊密相連，然后再把VSS引腳連接到敷銅面)。另外，需要注意的是，不要將數(shù)字信號、開關(guān)信號或者控制信號經(jīng)過PLL回路濾波器元件和電感，以保障PLL環(huán)路濾波器電壓的正常。使用中的注意事項：nRF403的工作電壓為3．3 V，因此要在與控制器連接時應注意電平匹配的問題。接收模式接收到的數(shù)據(jù)可以直接送到單片機的接口或者經(jīng)過點頻轉(zhuǎn)換以后送給處理器。在待機模式情況下，電路有電流但是不接受和發(fā)射任何數(shù)據(jù)。
2．3 程序設(shè)計
    云臺驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)部分的控制程序主要流程是：上電初始化nRF403后，接收旋鈕旋轉(zhuǎn)幅度和方向的譯碼指令，以30 ms為周期執(zhí)行指令掃描以及電機角度信號采集；角度數(shù)字量化后，折算為旋轉(zhuǎn)目標角度和當前實際角度的相對誤差；計算需要旋轉(zhuǎn)的速度；驅(qū)動執(zhí)行PWM波可以通過內(nèi)部定時器，由I／O產(chǎn)生PWM波，載波頻率為20 kHz，不同速度對應不同的占空比信號，和另一路I／O產(chǎn)生電機旋轉(zhuǎn)的方向信號，寫成速度控制函數(shù)；簡易的位置閉環(huán)算法如圖4所示，實驗證明PID調(diào)節(jié)基本可以快速和穩(wěn)定的完成攝像頭定位功能。

3 操作控制器設(shè)計
3．1 硬件電路設(shè)計
    遙控操作控制端，同樣采用Silicon公司的C8051F020單片機作為微控制器，原理圖如圖5所示，旋鈕操作采集需要轉(zhuǎn)動指令信號讀入單片機A／D接口，由端口AIN0．0的A／D采樣，轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動幅度值，單片機掃描到該控制量后，將其編碼，以30ms周期發(fā)送數(shù)據(jù)，送至nRF403模塊DOUT，這樣指令就經(jīng)過模塊nRF403無線調(diào)制發(fā)射出去。單片機P6．6端口的控制信號TXEN端口的值設(shè)置TXEN=“1”時為發(fā)射狀態(tài)。在工作過程中，C8051F020單片機的P0．0與nRF403的DIN端口相連接，P0．1與nRF403的DOUT相連接。FREQ、F_PWR和TXEN分別由C8051F020單片機的其他管腳控制。接口關(guān)系如圖5。進行遙控操作時，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過C8051F020單片機的P0．1也就是TXD端到達nRF403芯片的DIN端。協(xié)議與驅(qū)動云臺端互為編碼解碼方式。

3．2 程序設(shè)計
    遙控端的程序功能，主要是采集旋鈕旋轉(zhuǎn)幅度和方向，通過端口AIN0．0的A／D采樣，應用系統(tǒng)自帶的A／D設(shè)置模塊，計算實時旋轉(zhuǎn)量，相對滿幅值進行量化，滿幅值對應鏡頭旋轉(zhuǎn)360度。通過P0．0和P0．1模擬通信數(shù)據(jù)時序，發(fā)送數(shù)據(jù)到nRF403的DIN端，經(jīng)過調(diào)制發(fā)送給驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。因此其程序主要任務是對旋鈕旋轉(zhuǎn)幅度數(shù)字量化，然后并按協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，無線調(diào)制發(fā)射信號。

4 結(jié)束語
    本文論述了搭建單片機和LMD18200的運動控制平臺，并通過無線收發(fā)芯片nRF403完成了遙控攝像機轉(zhuǎn)臺的控制功能。結(jié)果表明系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性都較好，完全能滿足商用的基本要求。