关键词：GPS；电子罗盘；CAN总线；闭环控制

    樊江
男，新疆克拉玛依人，北京交通大学03级硕士研究生，研究方向为移动机器人，人工智能，自动控制。

1     引言

    在车载无线通信系统中，为了提高通信的质量，车上的天线往往采用定向天线。定向天线只有在天线方向图的主瓣方向增益最大。当天线主瓣方向对准目标点时，信号最强，传输质量最好。本系统的设计初衷，就是在汽车的高速行驶过程中，能够控制车载云台的转动，使得天线能够始终自动对中目标点，从而提高无线通信的抗干扰性，保证通信的质量。

2     天线自动对中的控制原理

    本文的研究与设计基于车载云台与目标点都处于同一水平面的假设，即只控制云台的航向角，不涉及天线的仰角。

图1 天线云台控制原理

    这样设计的目的是为了增强使用的通用性和方便性。下位机模板安装在云台底部，当没有上位机时也可以正常工作。上位机可以固定在驾驶室，通过LCD反馈给驾驶员控制信息。

    3.1  Microchip的PIC18F458单片机

    上、下位机的MCU选用了Microchip公司的PIC18F458，其性能指标见表1。   

    测控模板需要处理大量来自传感器反映行车状态的信号，Microchip PIC18F458片上的34个I/O端口能较好的满足需求，且便于今后的功能扩展；片上含有集成的CAN控制器和USART接口，方便与汽车上的其它电子单元进行通讯；PIC18F458工作温度在-40℃-125℃，能够适应环境的要求。

    3.2  CAN通信模块

    上位机和下位机之间的数据传送是通过CAN(Controller Area Network)总线来完成的。CANBUS是德国Bosh公司于80年代初期为解决现代汽车控制系统中众多的数据交换而开发的一种串行通信系统。由于它具有实时性能好、可靠性高、便于扩充等优点，因此在汽车控制领域得到了广泛应用。因此，在云台天线项目的研制中，将CANBUS作为测量控制模板和人机交互模板的数据通信方案。

    仔细研究上、下位机间要传送的数据，定制数据通信的格式和约定，协调上、下位机间的通信。CAN传送的数据经过锁存、光电隔离后，经CAN收发器PCA82C250输出。表2为约定的CAN总线数据传输格式。

    3.3   RS232通信模块

    PIC18F458带有一个USART模块，但是电子罗盘和GPS都要使用RS232串口，所以必须对MCU进行串口的扩展。SP2339是采用低功耗CMOS工艺设计的串口扩展芯片，可将MCU原有的一个串口扩展成为3个全双工串口，子串口的波特率最高可以达到9600bps。

    GPS接收机采用GRAMIN GPS25-LVS OEM板卡设计。该板卡具有12个通道，可以同时跟踪多达12颗卫星，能够满足陆地导航的灵敏度需求与动态需求。GPS25-LVS板卡外接电源和GPS天线后，就可通过RS232串口与MCU通信。在整个控制系统工作之前，先由上位机读取目标点GPS接收机输出信息，将提取出来的经纬度数据保存在EEPROM中。

    数字罗盘由TDCM3二维数字罗盘模块制成。TDCM3采用了低功耗微处理器，具有干扰检测，自动校准功能。航向精度为±3°，分辨率为0.5°，最高数据传输速率19200bps，输出格式为：Status+θMSB+θLSB。当状态位Status=80H时，罗盘工作正常；Status=81H时，罗盘输出错误，航向角θ的计算公式为：θ=(θMSB×256+θLSB)/2。

    3.4   电位器数据采集模块

    天线云台相对于移动车辆的角度是由电位器测量得到的，电位器的满量程对应于云台转过一周(360°)的角度。因此，在确定了电位器的零点之后，可以通过测量电位器的电压值来得到天线云台相对于车辆实际转过的角度。

    将电位器的电压值作为云台实际角位移的反馈量传送给MCU，从而构成一个闭环控制系统，如图3所示：

图3 天线云台角位移控制系统框图

4     系统的软件设计

    上位机的软件完成以下功能：目标点位置坐标的输入、存储(使用EEPROM)和显示；当前车辆的位置更新及显示；通过键盘输入控制命令，进行手动与自动模式的切换；在手动模式下，用键盘实现转动角度的选择。RS232串口和CAN总线数据的传输均采用中断方式(下位机与此相同)，且串口的中断优先级最高，对键盘的输入采用扫描的方式。

    下位机的软件要完成的功能包括：从上位机接收目标点GPS数据，实时采集移动机器人的GPS位置数据和数字罗盘的数据，从而计算出θ的大小；响应手动和自动模式之间的切换；采集电位器的数据；输出脉冲串，驱动电机带动天线云台转动。

5     结束语

    本文设计了全自动车载云台天线控制系统，并用PIC单片机实现了天线自动对中目标点，对于提高车载无线通信系统的工作质量提供了一种可行性方案。

    本系统是建立在GPS、数字罗盘、电位器等传感器测量数据的基础上的，所以传感器的测量精度是系统运行状况的关键。GPS的一个重大问题就是低的更新速率(1秒钟更新一次)，甚至有的时候接收不到卫星信号。磁罗盘由于受到其它磁场的干扰，测量精度也需要进一步提高。但对于一般的应用，本文提供的方案所达到的精度能够符合要求。本系统已安装在清华智能车THMR-V上，用于智能车向指挥站(目标点)传输图像。

参考文献：

    [1]  PIC18FXX8 Data Sheet. Microchip Technology Inc，2003 .

    [2]  GPS 25LP SERIES GPS SENSOR BOARDS TECHNICAL SPECIFICATION. GARMIN Corporation，2000.

    [3]  TDCM3 DIGITAL COMPASS MODULE DATA SHEET. TOPTEAM TECHNOLOGY CO.,LTD，2001.

    [4]  邬宽明. CAN总线原理和应用系统设计[M].  北京航空航天大学出版社，1996.