專利名稱：基于dsp的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，特別是一種基于DSP控制卡的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，用于一自由度快速反射鏡實時主動振動控制。
背景技術(shù)：
快速反射鏡作為近些年發(fā)展起來的一種精密跟蹤技術(shù)手段，用以控制發(fā)射和接受光軸的方向，對光束到達方向的變化進行校正，即光束波前畸變整體傾斜的校正，這都離不開控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的快速反射鏡控制系統(tǒng)多由工業(yè)控制機、A/D和D/A卡組成，這種控制系統(tǒng)體積龐大，抗干擾能力差，控制精度相對較低，且不具有實時、快速控制功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種快速、實時和高精度控制，而且有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特點在于包括快反鏡、激光光源、位敏傳感器、基座、信號調(diào)理電路、DSP控制卡，位敏傳感器位于基座上，激光光源照射到快反鏡上反射至位敏傳感器，當外部的擾動源從基座傳遞到位敏傳感器時，激光束的斑點相對位敏傳感器移動，位敏傳感器產(chǎn)生相對位移的電壓量及擾動源的擾動信號同時進入DSP控制卡，DSP控制卡采集這兩路信號后，通過控制算法進行實時分析和控制計算，然后將待控制的數(shù)字量變換成一路模擬量輸出到后置的調(diào)理電路，提供給快速反射鏡，導致超磁致伸縮材料作動器產(chǎn)生相應的伸長或收縮，快反鏡圍繞定支點發(fā)生角度變化，導致激光束的反射角度變化，再通過位敏傳感器檢測激光束斑點位移的變化，反饋到DSP控制卡中，如此反復進行，從而完成快速反射鏡實時主動振動控制。
所述的DSP控制卡包括DSP電路、電源管理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、邏輯時序控制電路、異步串口RS232轉(zhuǎn)換電路，電源管理電路為DSP電路提供穩(wěn)定的供電電路，使DSP電路能夠正常工作；A/D轉(zhuǎn)換器，與DSP電路相接，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；D/A轉(zhuǎn)換器，與DSP電路相接，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；邏輯時序控制CPLD電路分別與DSP電路、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器相接，用于A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的邏輯時序控制；異步串口RS232電平轉(zhuǎn)換電路分別與DSP電路和上位計算機相接，用于將數(shù)據(jù)傳至上位計算機，便于計算機進行后續(xù)的處理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于采用基于DSP控制卡，使得快速反射鏡在微幅(微米級)、低頻(10～100Hz)下的跟蹤功能得以實現(xiàn)；而且減小了主控設備的體積，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，工作穩(wěn)定；實驗證明跟蹤效果達到95％以上。


圖1為本發(fā)明快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的DSP控制卡電路結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明的DSP控制卡工作程序流程圖；圖4為本發(fā)明的CPLD邏輯時序控制電路的框圖；圖5為本發(fā)明的DSP芯片通過CPLD控制A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯時序控制圖；圖6為本發(fā)明的DSP芯片通過CPLD控制D/A轉(zhuǎn)換器的邏輯時序控制圖；圖7為本發(fā)明的電源管理電路框圖；圖8為本發(fā)明的異步串口RS232轉(zhuǎn)換電路原理圖；
圖9為普通自適應濾波器LMS原理框圖；圖10為本發(fā)明的LMS控制原理圖(一自由度)；圖11為本發(fā)明的反射鏡LMS控制算法(一自由度，單輸入單輸出系統(tǒng))流程圖；圖12、圖13為本發(fā)明的快反鏡控制效果圖，其中圖12是控制過程中A/D采集的誤差信號e(k)，圖13是控制過程中D/A輸出的控制量f(k)。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括快反鏡、激光光源、位敏傳感器、基座、功率放大器、低通濾波器、帶通濾波器、DSP控制卡，位敏傳感器位于基座上，激光光源照射到快反鏡上反射至位敏傳感器，外部擾動源從基座傳遞到位敏傳感器，激光束的斑點相對于位敏傳感器移動，該位敏傳感器產(chǎn)生相對位移的電壓量，通過帶通濾波器及外部的擾動信號進入DSP控制卡，DSP控制卡采集這兩路信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，通過內(nèi)嵌的LMS算法進行實時分析和控制計算，然后將待控制的數(shù)字量變換成一路模擬量輸出到后置低通濾波器，由低通濾波器變換成平滑的模擬量輸出，該模擬量經(jīng)過功率放大器放大之后提供給快速反射鏡，導致超磁致伸縮材料作動器產(chǎn)生相應的伸長或收縮，快速反射鏡圍繞定支點發(fā)生角度變化，導致激光束的反射角度變化，然后再通過位敏傳感器檢測激光束斑點位移的變化，進而再通過帶通濾波器反饋到DSP控制卡中，如此反復進行，從而完成快速反射鏡實時主動振動控制。
如圖2所示，DSP控制卡包括DSP電路、電源管理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、邏輯時序控制電路、異步串口RS232轉(zhuǎn)換電路，電源管理電路為DSP電路提供穩(wěn)定的供電電路，使DSP電路能夠正常工作；A/D轉(zhuǎn)換器，它與DSP電路相接，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；D/A轉(zhuǎn)換器，與DSP電路相接，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；邏輯時序控制電路分別與DSP電路、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器相接，用于A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的邏輯時序控制；異步串口RS232電平轉(zhuǎn)換電路分別與DSP電路和上位計算機相接，用于將信號傳至上位計算機，便于計算機進行后續(xù)的處理。
如圖3所示，DSP控制卡的工作程序流程(1)DSP控制卡加電；(2)引導程序加載(把引導程序從Flash ROM中復制到內(nèi)存的0地址處)；(3)DSP芯片初始化配置；(4)等待上位計算機通過串口通信修改參數(shù)；(5)是否接收到參數(shù)修改的命令字若接收到，進行下一步，若沒有接收到，返回到(4)；(6)使能定時器中斷，開始用LMS算法進行控制；(7)是否接收到程序中止的命令字若接收到，返回到(4)，若沒有接收到，進行下一步；(8)中斷到來，運行LMS算法A/D采樣，數(shù)據(jù)處理，發(fā)送數(shù)據(jù)到D/A；(9)處理所得的數(shù)據(jù)與相關(guān)的條件相比較若條件符合，進行下一步，控制完成，若條件不符合，返回到(7)；(10)關(guān)閉定時器中斷；(11)保存數(shù)據(jù)通過串口，將A/D采樣數(shù)據(jù)和處理后發(fā)送到D/A的數(shù)據(jù)傳送到上位計算機。
本發(fā)明的DSP電路包括DSP芯片、同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM、快擦寫存儲器Flash ROM及時鐘電路，同步動態(tài)隨機存儲器用作存儲數(shù)據(jù)，快擦寫存儲器用作存儲啟動程序。DSP芯片使用的型號是美國TI公司的TMS320C6000系列，具有超長指令字結(jié)構(gòu)；同步動態(tài)隨機存儲器采用4Banks×2M×16bits的HY57V281620HCT或HY57V281620HCST或HY57V281620HCLT或HY57V281620HLT或HY57V281620HST系列，快擦寫存儲器型號是512K×16bits的MBM29LV800TE或MBM29LV800BE系列。本發(fā)明的DSP控制卡技術(shù)指標為DSP芯片工作頻率160MHz；采樣頻率1000Hz；輸入電壓范圍±5V；輸出電壓范圍±10V；異步串口波特率9600bps；最大電流0.5A。
本發(fā)明中的A/D轉(zhuǎn)換器采用分辨率12位、四通道同時轉(zhuǎn)換、并行數(shù)據(jù)輸出，芯片型號是AD7864AS。D/A轉(zhuǎn)換器采用分辨率12位、四通道電壓輸出、并行數(shù)據(jù)輸入，芯片型號是DAC8412。邏輯時序控制電路采用復雜可編程邏輯器件CPLD芯片，其型號是XC9500XL系列，DSP與A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)管腳和D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)管腳并行對應連接，通過復雜可編程邏輯器件CPLD對A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器進行使能、轉(zhuǎn)換、讀寫控制等邏輯時序控制，如圖4所示。
如圖5所示，DSP芯片通過CPLD控制A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯時序控制過程如下A/D轉(zhuǎn)換器的CONVST由高-低-高電平，表示DSP芯片通知A/D轉(zhuǎn)換器即開始轉(zhuǎn)換，其在CONVST穩(wěn)定為高電平時，開始采集數(shù)據(jù)，并完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，A/D轉(zhuǎn)換器的CS由高變低，A/D轉(zhuǎn)換器的RD經(jīng)過兩個高-低-高電平，在RD為低電平期間，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，此時DSP芯片可以順次讀取這些數(shù)據(jù)，然后CS和RD變高電平，一次A/D轉(zhuǎn)換完成，CONVST、CS和RD均為低電平有效。
如圖6所示，DSP芯片通過CPLD控制D/A轉(zhuǎn)換器的邏輯時序控制如下D/A轉(zhuǎn)換器的RESET由高-低-高電平，使D/A轉(zhuǎn)換器的四個輸出通道輸出電壓為零，這只在程序開始和控制完成后，才要用到，程序運行期間，不對它進行操作。LDAC和CS由高-低電平，D/A轉(zhuǎn)換器開始新的模擬量輸出。此時R/W變低電平，在此之前，A0和A1要選定哪個D/A轉(zhuǎn)換通道輸出。在R/W為低電平期間，DSP芯片通過數(shù)據(jù)總線把待輸出的數(shù)字量寫道D/A的轉(zhuǎn)換寄存器中。之后，R/W、CS和LDAC依次變高電平，一次D/A轉(zhuǎn)換完成，LDAC、CS和R/W均為低電平有效。
如圖7所示，本發(fā)明的DSP控制卡外部供電電源為+5V。此+5V電源經(jīng)過電源插座后，直接為A/D轉(zhuǎn)換器件提供+5V電源；使用定電壓隔離穩(wěn)壓模塊電源NR5D15將+5V轉(zhuǎn)換成±15V，為D/A轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的電壓參考器件提供±15V電源；使用LDO線性穩(wěn)壓器件LM1086將+5V轉(zhuǎn)換成+3.3V，為DSP、CPLD、同步動態(tài)隨機存儲器和快擦寫存儲器提供+3.3V電源；使用LDO線性穩(wěn)壓器件REG1117A將+3.3V轉(zhuǎn)換成+1.2V，為DSP芯片提供+1.2V電源。
如圖8所示，本發(fā)明的異步串口RS232轉(zhuǎn)換電路原理圖。DSP芯片進行串口通信時是使用它的多通道緩沖串口McBSP，是一種同步串行接口，不支持通用異步收發(fā)器(UART)標準。然而，通過軟件設置，只要簡單改動DSP芯片上的串行寄存器，可以實現(xiàn)DSP芯片與上位計算機的異步串行通信。具體連接方式如圖所示，它的McBSP的數(shù)據(jù)輸入DR和幀同步輸入FSR都與UART的發(fā)送數(shù)據(jù)線Tx相連，UART的接收數(shù)據(jù)線Rx要與McBSP的數(shù)據(jù)輸出線DX相連。
如圖9所示，自適應濾波器LMS原理框圖，說明延遲單元個數(shù)(N)稱為濾波器的抽頭，每個延遲單元用單位延遲算子z-1表示。特別的，當對x(k)進行z-1運算時，其結(jié)果輸出是x(k-1)。wi(k)是抽頭權(quán)值，i＝0，1，...，N-1。k指某一時刻，則輸入向量為X(k)=x(k)x(k-1)···x(k-N+1),]]>權(quán)向量為W(k)=w0(k)w1(k)···wN-1(k)]]>其中X(k)指時間序列x(k)，x(k-1)，...，x(k-N+1)為元素組成的向量，權(quán)向量W(k)指抽頭權(quán)值w0(k)，w1(k)，...，wN-1(k)組成的向量。
如圖10所示，為本發(fā)明的LMS控制原理圖(一自由度)。A/D轉(zhuǎn)換器采集的是x(k)(擾動)和e(k)(誤差)，共兩個A/D輸入通道。D/A輸出的是f(k)(控制輸出量)，一個D/A輸出通道，此框圖應用自適應濾波器LMS算法實現(xiàn)系統(tǒng)辨識功能的原理性框圖。整個系統(tǒng)和作動器的具體控制模型，在控制領域現(xiàn)在一直沒有得到很好的解決。所以采用LMS算法在線建模，并對被控系統(tǒng)進行控制。
如圖11所示，為加入判斷采樣中斷的快速反射鏡LMS控制算法(一自由度，單輸入單輸出系統(tǒng))流程圖，具體的單輸入單輸出LMS控制算法如下
如圖12、13所示，為本發(fā)明的控制效果圖像。前1000個采樣時間(1ms)未施加LMS控制算法，用來對比施加LMS控制算法前后的效果。其中圖12是A/D采集的誤差信號e(k)，圖13是D/A輸出的控制量f(k)。從第1001采樣時間開始，同一個采樣點對應的誤差信號e(k)和控制輸出信號f(k)是在同一個采樣周期內(nèi)完成，共采樣5000次，實際控制時間是4s。由圖12可以看出，施加LMS控制算法和未施加LMS控制算法的效果很明顯。
權(quán)利要求
1.基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于包括快反鏡、激光光源、位敏傳感器、基座、信號調(diào)理電路、DSP控制卡，位敏傳感器位于基座上，激光光源照射到反射鏡上反射至位敏傳感器，當外部的擾動源從基座傳遞到位敏傳感器時，激光束的斑點相對位敏傳感器移動，位敏傳感器產(chǎn)生相對位移的電壓量及擾動源的擾動信號同時進入DSP控制卡，DSP控制卡采集這兩路信號后，通過控制算法進行實時分析和控制計算，然后將待控制的數(shù)字量變換成一路模擬量輸出到后置的調(diào)理電路，提供給快速反射鏡，導致超磁致伸縮材料作動器產(chǎn)生相應的伸長或收縮，快反鏡圍繞定支點發(fā)生角度變化，導致激光束的反射角度變化，再通過位敏傳感器檢測激光束斑點位移的變化，反饋到DSP控制卡中，如此反復進行，從而完成快速反射鏡實時主動振動控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的DSP控制卡包括DSP電路、電源管理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、邏輯時序控制電路CPLD、異步串口RS232轉(zhuǎn)換電路，電源管理電路為DSP電路提供穩(wěn)定的供電電路，使DSP電路能夠正常工作；A/D轉(zhuǎn)換器，它與DSP電路相接，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；D/A轉(zhuǎn)換器，它與DSP電路相接，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；邏輯時序控制CPLD電路分別與DSP電路、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器相接，用于A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的邏輯時序控制；異步串口RS232電平轉(zhuǎn)換電路分別與DSP電路和上位計算機相接，用于將數(shù)據(jù)傳至上位計算機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的DSP電路包括DSP芯片、同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM、快擦寫存儲器Flash ROM及時鐘電路，同步動態(tài)隨機存儲器用作存儲數(shù)據(jù)，快擦寫存儲器用作存儲啟動程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的DSP芯片為TMS320C6000系列，具有超長指令字結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的同步動態(tài)隨機存儲器型號是4Banks×2M×16bits的HY57V281620HCT或HY57V281620HCST或HY57V281620HCLT或HY57V281620HLT或HY57V281620HST系列，快擦寫存儲器型號是512K×16bits的MBM29LV800TE或MBM29LV800BE系列。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的A/D轉(zhuǎn)換器為分辨率12位、四通道同時轉(zhuǎn)換、并行數(shù)據(jù)輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的D/A轉(zhuǎn)換器為分辨率12位、四通道電壓輸出、并行數(shù)據(jù)輸入。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的邏輯時序控制電路采用CPLD芯片XC9500XL系列實現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的控制算法為LMS算法。
全文摘要
基于DSP的快速反射鏡實時主動振動控制系統(tǒng)，包括快反鏡、激光光源、位敏傳感器、基座、信號調(diào)理電路、DSP控制卡，當外部的擾動源從基座傳遞到位敏傳感器時，激光束的斑點相對位敏傳感器移動，位敏傳感器產(chǎn)生相對位移的電壓量及擾動源的擾動信號同時進入DSP控制卡，DSP控制卡采集這兩路信號后，通過控制算法進行實時分析和控制計算，然后將待控制的數(shù)字量變換成一路模擬量輸出到后置的調(diào)理電路，提供給快速反射鏡，導致超磁致伸縮材料作動器產(chǎn)生相應的伸長或收縮，快反鏡圍繞定支點發(fā)生角度變化，導致激光束的反射角度變化，再通過位敏傳感器檢測激光束斑點位移的變化，反饋到DSP控制卡中，完成快速反射鏡實時主動振動控制。本發(fā)明具有快速、實時和高精度控制的優(yōu)點，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
文檔編號G05B19/02GK1862436SQ20061008931
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月19日
發(fā)明者毛劍琴, 張文廣, 李超, 張臻, 馬艷華 申請人:北京航空航天大學