小型遥控转台系统设计

摘要：设计了一种能无线遥控的小型摄像头驱动控制转台系统，通过对无线遥控器上简单按键的操作既可使远处摄像头瞄准不同角度的目标，又同时进行实时取景。文中详细阐述了系统的组成原理和软硬件设计，经过实际验证该系统具有可扩展性好、成本低廉、性能稳定的特点。
关键词：无线遥控；直流减速电机；PWM

    在云台或摄像头等微型转台的民用或商用系统中，需要根据被监控目标的方向对转台作出快速旋转等操作，并要求其响应速度快并且稳定。因此系统设计应用了Silicon公司的C8051F020单片机为控制核心，集成功率芯片驱动直流减速电机推动小型转台，使具有远端遥控操作简易，体积小，成本低，可靠性高等优点，是一款高集成度，小型的伺服系统。

1 系统组成及原理
    整个系统南两部分组成：云台驱动执行机构和操作控制器，分别如图1和图2所示。为了设计和调试统一、简单，两部分都采用了C8051系列单片机为控制核心，转台速度采用旋钮变位器控制，通过模拟量采集获取转台旋转方向和速度信号。转台驱动执行机构采用直流减速电机，通过12 V电池供电，其他控制电路可由12 V变换为需要的5 V或3．3 V电压信号。电机选用额定电压为12 V的MAXON直流有刷电机，自带减速机构，并且尾部同轴安装了精密多圈变位器，用于反馈转动位置信号。电机功率驱动芯片应用了美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥器件LMD18200。它广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。

    无线遥控装置用nRF403芯片作为核心收发器件，利用nRF403芯片和C8051F120单片机的简单接口完成无线收发功能。nRF403是一个单片RF收发芯片，具有FSK调制和解调能力，抗干扰能力强，适合工业控制。其主要性能指标为：
    (1)灵敏度高达-105 dBm；
    (2)最大发射功率达+10 dBm；
    (3)工作频率范围：433～315 MHz；
    (4)电源电压：2．7～3．6 V；
    (5)最大数据速率：20 kb／s；
    (6)频偏：±15 kHz。
    其特性完全能满足本系统遥控要求。

2 云台驱动执行机构设计
2．1 硬件电路设计
    整个电路分为控制电路、驱动电路和无线接收三个功能部分。以C8051系列单片机为控制核心，而电机驱动部分采用LMD18200，它可以与单片机、直流电机和多圈变位器构成一个完整的运动控制系统。整个驱动执行机构由12V电池供电，经隔离电源转换成5 V和3．3 V电源，为单片机和无线收发电路供电。控制电路、无线接收与驱动电路的信号用光耦隔离，保证了系统的稳定性和可靠性。
    摄像摇臂经常在噪声小的环境中应用，因此云台的运行噪声必须尽可能低，选用优质的直流电机是设计的关键。根据市场调研，设计中采用MAXON公司的有刷直流减速电机(尺寸：直径25mm，轴长22 mm，轴径3 mm，额定电压12 V)。摄像头转动控制旋钮内接精密10 K电位器，旋钮左有旋转与摄像机左右旋转同步，其实质是用电位器来控制直流电机正反转和闭环调速。

    该系统电路图如图3所示。单片机P0．2和P3．1两个端口分别输出旋转信号和PWM波电机控制信号。PWM控制信号经过光耦后输入LMD18200的引脚5，而转向信号则通过引脚3输入。根据PWM控制信号的占空比来决定直流电机的转速。LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。单极性驱动方式是指存一个PWM周期内，电动机电枢只承受单极性的电压，电机的转速大小只与PWM的占空比有关，占空比越大，转速越大。这里采用单极性驱动方式，当PWM的占空比等于0时，电机静止；当PWM的占空比大于0时，电机转动。通过改变占空比，可以实现电机的调速，改变电机的方向控制信号(高低电平)来控制电机的转向。驱动电路的PWM、方向信号和报警信号，通过高速光电耦合器HCPL0600的隔离和电压转换后，输入或输出到单片机。
    图3表明了采用直流电机定频调宽PWM调速方式，PWM信号为单极性工作制。图3中电位器RP1的中间滑动端接到C8051F020单片机自带A／D模块端口AIN0．6，它是电机尾部同轴向的角度化置反馈信号，可与控制指令形成闭环位置反馈，从而达到精确控制电机调速目的，其基准电压为3．3 V，从单片机的VREFD，VREF0，VREF1端口引入。满幅值对应电机末端旋转一周。另外驱动过热保护信号也接入单片机P2．0端口，随时停止电机运转保护机构。
    遥控部分由nRF403芯片实现：芯片的9脚及10脚：DIN输入数字信号和DOUT输出数字信号均为标准的逻辑点频信号，需要发射的数字信号通过DIN输入，解调出来的信号经过DOUT输出。12脚通道选择：FREQ=“0”为通道#1(433．92 MHz)，FREQ=“1”为通道#2 (315．16 MHz)，接到单片机P6．7。18脚电源开关：PWR_UP=“1”为工作模式，PWR_UP=“0”为待机模式，接到单片机P5．7，而19脚发射允许，这里设置TXE N=“0”为接收模式，接到单片机P6．5，本电路板主要用于接收控制信号，指令解调出来的信号经过DOUT采入单片机。
2．2 布板设计
    实现无线遥控的nRF403芯片采用了晶体振荡和PLL合成技术，由压控振荡器输出的信号直接送到功率放大器，从功率放大器提供的射频输出到天线。单端天线列接到nRF403时，使用印刷电路板(PCB)的设计直接关系到射频性能。为了实现较好的性能，使系统达到预期的结果，PCB要使用双面板来实现，即元件面和底面。为了防止各个模块之间相互影响，无线接收模块与控制模块尽量分开布置，控制与驱动两部分电源隔离。射频电路的电源要使用高性能的射频电容去耦，并且所使用的去耦电容要尽可能与nRF403的VDD端靠近，一般还要在大容量面所安装的电容旁并联一个小电容。为了达到减少分布参数的影响，PCB在设计时要避免电源线过长，要使各器件紧靠芯片周围，所有元件地线、VDD连线等围绕nRF403芯片。除此之外，射频电路的电源也要与接口电路的电源分离。nRF403的VSS端直接接到接地面(PCB板的两面最好敷铜接地，将两层的敷铜用较多的过孔紧密相连，然后再把VSS引脚连接到敷铜面)。另外，需要注意的是，不要将数字信号、开关信号或者控制信号经过PLL回路滤波器元件和电感，以保障PLL环路滤波器电压的正常。使用中的注意事项：nRF403的工作电压为3．3 V，因此要在与控制器连接时应注意电平匹配的问题。接收模式接收到的数据可以直接送到单片机的接口或者经过点频转换以后送给处理器。在待机模式情况下，电路有电流但是不接受和发射任何数据。
2．3 程序设计
    云台驱动执行机构部分的控制程序主要流程是：上电初始化nRF403后，接收旋钮旋转幅度和方向的译码指令，以30 ms为周期执行指令扫描以及电机角度信号采集；角度数字量化后，折算为旋转目标角度和当前实际角度的相对误差；计算需要旋转的速度；驱动执行PWM波可以通过内部定时器，由I／O产生PWM波，载波频率为20 kHz，不同速度对应不同的占空比信号，和另一路I／O产生电机旋转的方向信号，写成速度控制函数；简易的位置闭环算法如图4所示，实验证明PID调节基本可以快速和稳定的完成摄像头定位功能。

3 操作控制器设计
3．1 硬件电路设计
    遥控操作控制端，同样采用Silicon公司的C8051F020单片机作为微控制器，原理图如图5所示，旋钮操作采集需要转动指令信号读入单片机A／D接口，由端口AIN0．0的A／D采样，转化为转动幅度值，单片机扫描到该控制量后，将其编码，以30ms周期发送数据，送至nRF403模块DOUT，这样指令就经过模块nRF403无线调制发射出去。单片机P6．6端口的控制信号TXEN端口的值设置TXEN=“1”时为发射状态。在工作过程中，C8051F020单片机的P0．0与nRF403的DIN端口相连接，P0．1与nRF403的DOUT相连接。FREQ、F_PWR和TXEN分别由C8051F020单片机的其他管脚控制。接口关系如图5。进行遥控操作时，需要发送的数据经过C8051F020单片机的P0．1也就是TXD端到达nRF403芯片的DIN端。协议与驱动云台端互为编码解码方式。

3．2 程序设计
    遥控端的程序功能，主要是采集旋钮旋转幅度和方向，通过端口AIN0．0的A／D采样，应用系统自带的A／D设置模块，计算实时旋转量，相对满幅值进行量化，满幅值对应镜头旋转360度。通过P0．0和P0．1模拟通信数据时序，发送数据到nRF403的DIN端，经过调制发送给驱动执行机构。因此其程序主要任务是对旋钮旋转幅度数字量化，然后并按协议发送数据，无线调制发射信号。

4 结束语
    本文论述了搭建单片机和LMD18200的运动控制平台，并通过无线收发芯片nRF403完成了遥控摄像机转台的控制功能。结果表明系统的快速性和稳定性都较好，完全能满足商用的基本要求。