激光通信系统中伺服控制器设计及实现

发布时间：2017-05-04 04:05

  本文关键词：激光通信系统中伺服控制器设计及实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：激光通信由于具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小及保密性好的突出优点,为解决传统微波通信方式在通信容量、保密性及功耗等方面的瓶颈问题提供了一种新的途径,受到世界多国的高度重视并投入大量资源进行相关研究。相对于传统的微波通信方式,激光通信以激光束为载体进行信息的传递,因此,高精度的捕获、跟踪、瞄准(acquisition tracking pointing,ATP)技术是实现高精度激光束跟踪对准的关键技术,而性能优异的伺服控制器是ATP实现的前提与保证。本文在“激光载波测控与通信技术研究”项目研制的背景下,对激光通信伺服控制器进行了深入的研究,主要研究工作有如下几点:1)概述了国内外激光通信伺服控制器的研制现状,介绍了国内外主流伺服控制器的硬件架构,通过分析对比各种伺服控制器的硬件架构,总结了各自的优缺点,阐述了本文研究的意义。2)在系统地分析国内外激光通信伺服控制器研究现状的基础上,针对激光通信对高精度、多通道及高实时性的性能要求,提出本文ARM+FPGA的伺服控制器硬件架构,以ARM作为系统的主控芯片,FPGA作为协处理芯片,充分结合ARM在人机交互及系统管理方面的优势和FPGA在数据并行处理方面的优势。对整个系统按功能单元划分子模块分别进行设计,最后对各个子模块分别进行调试并分析验证了各个子模块的精度。3)为方便系统管理和后续系统升级,在ARM中移植了Linux操作系统并开发了Linux下FPGA的驱动和人机接口。针对激光通信高精度的要求,在FPGA中基于递归最小二乘算法完成了数字滤波器的设计工作。基于DSPBuilder开发了PID控制算法并验证了PID算法的性能。4)验证了本文所设计伺服控制器的性能,在实验室搭建实际的激光通信光路,使用本文设计的伺服控制器进行系统联调,实现了对快速反射镜X轴、Y轴等的控制功能,达到了对光斑实时跟踪的目的。测试结果满足激光通信对高精度、多通道及高实时性的技术指标要求,验证了伺服控制器设计的合理性和实用性。为后续激光通信的工程实践及相关研究提供了重要的依据。
【关键词】：伺服控制器 ARM+FPGA Linux AD/DA转换 PID
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 课题研究背景12-14
• 1.2 伺服控制器研究现状及发展趋势14-19
• 1.2.1 伺服控制器研究现状14-18
• 1.2.2 伺服控制器发展趋势18-19
• 1.3 课题研究的意义19-20
• 1.4 论文主要研究内容20-22
• 第2章 伺服控制器总体设计22-28
• 2.1 伺服控制器功能分析22-26
• 2.1.1 硬件功能分析22-24
• 2.1.2 软件功能分析24-26
• 2.2 伺服控制器总体方案设计26-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第3章 伺服控制器硬件设计28-46
• 3.1 ARM模块设计28-34
• 3.1.1 ARM处理器介绍及选型29-31
• 3.1.2 ARM模块电源电路设计31
• 3.1.3 ARM-JTAG下载器接口电路分析31-34
• 3.2 FPGA模块设计34-36
• 3.2.1 FPGA介绍34-35
• 3.2.2 FPGA核心板介绍35-36
• 3.3 人机接口电路设计36-37
• 3.4 AD模块设计37-41
• 3.4.1 AD芯片选型38
• 3.4.2 AD模块硬件电路设计38-41
• 3.5 DA模块设计41-42
• 3.5.1 DA芯片的选型41-42
• 3.5.2 DA模块电路设计42
• 3.6 通信接口电路设计42-44
• 3.7 伺服控制器PCB设计44-45
• 3.8 本章小结45-46
• 第4章 伺服控制器软件设计46-78
• 4.1 软件总体设计46
• 4.2 ARM与FPGA接口程序设计46-49
• 4.3 AD接口控制程序设计49-50
• 4.4 数字滤波算法设计50-52
• 4.5 DA接口控制程序设计52-53
• 4.6 操作系统移植53-69
• 4.6.1 BootLoader移植54-60
• 4.6.2 Linux内核移植60-65
• 4.6.3 Linux下FPGA驱动模块开发65-68
• 4.6.4 驱动模块添加68-69
• 4.7 伺服控制系统模型与算法69-77
• 4.7.1 控制系统建模69-71
• 4.7.2 控制系统校正算法71-74
• 4.7.3 常规PID控制器设计74-75
• 4.7.4 控制算法精度分析75-76
• 4.7.5 PID控制算法在FPGA中的实现76-77
• 4.8 本章小结77-78
• 第5章 实验78-90
• 5.1 AD精度检测实验及验证78-81
• 5.1.1 静态电压采集实验78-80
• 5.1.2 动态电压采集实验80-81
• 5.2 DA精度检测实验及验证81-84
• 5.3 人机接口显示实验84-85
• 5.4 激光通信系统跟瞄精度试验85-88
• 5.5 本章小结88-90
• 第6章 总结与展望90-92
• 6.1 总结90-91
• 6.2 展望91-92
• 参考文献92-97
• 在学期间学术成果97-98
• 指导教师及作者简介98-99
• 致谢99

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