楊明山， 王夢灝， 陳遠港， 顧永剛， 翟 超

(中國科學技術大學 工程科學學院，安徽 合肥 230026)

LAMOST(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope，大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡)，是一架視場為5°、橫臥于南北方向的中星儀式反射施密特望遠鏡，也是我國正在進行的一項大型科學工程項目[1-4]。在LAMOST控制系統(tǒng)中，為了保證4000個驅動板正常工作，需要設計一套控制系統(tǒng)來控制4000個光纖單元都到達指定的位置進行觀測。該控制系統(tǒng)使用ZigBee無線網(wǎng)絡技術，它是一種基于802.15.4物理層協(xié)議，支持自組網(wǎng)、多點中繼，可實現(xiàn)網(wǎng)狀拓撲的復雜的組網(wǎng)協(xié)議，加上其低功耗的特點，使得網(wǎng)絡間的設備必須各司其職，有效地協(xié)同工作。ZigBee技術在LAMOST中的應用，首先解決了LAMOST中有線系統(tǒng)控制線無法空間安裝的問題，其次ZigBee無線通信系統(tǒng)相比藍牙、WiFi等控制系統(tǒng)具有低功耗、高效、低成本、短延時、網(wǎng)絡容量大、安全性能高、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點，使得ZigBee通信成為了該系統(tǒng)高密度通信下的最優(yōu)選擇。為了達到觀測要求，對整個控制系統(tǒng)的無線通信質量提出了較高要求并帶來較大挑戰(zhàn)。

原有的LAMOST控制系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)有的工程需求，主要存在以下幾方面問題：① 原有的LAMOST控制系統(tǒng)采用Freescale所提供的芯片，這些芯片如今已經(jīng)停產(chǎn)，且在性能方面也略有不足；② 原有的LAMOST子節(jié)點控制板的自身功耗較大，長時間通電的情況下，會導致子節(jié)點控制板發(fā)熱，4000個子節(jié)點控制板發(fā)熱，會導致周圍環(huán)境溫度的變化，因此，在子節(jié)點控制板自身功耗方面可以進行進一步的改善優(yōu)化；③ 原有的控制系統(tǒng)的無線性能方面存在不足，使得整個控制系統(tǒng)的更換維修工作量增大，成本增加；④ 原有的控制系統(tǒng)在通信時間方面有待進一步改善。

針對原有控制系統(tǒng)存在的性能不足，對LAMOST無線系統(tǒng)進行了全面的設計和優(yōu)化，解決并改善了上述問題，極大地提高了該系統(tǒng)的通信成功率和通信效率。該控制系統(tǒng)的設計難點在于：① 子節(jié)點控制板在有限寬度的PCB板上面，如何進行阻抗匹配以及各個元器件的布局，才能使得無線信號的質量達到最優(yōu)；② 對于高密度ZigBee通信而言，在通信時間提出更高要求的情況下，如何提高通信的信號質量并降低誤碼率。

1 系統(tǒng)結構及原理

該無線控制系統(tǒng)主要包括上位機、STM32+CC2530主節(jié)點和子節(jié)點，其控制網(wǎng)絡圖如圖1所示。

上位機與主節(jié)點的通信方式可以通過3種方式，分別是CAN總線、以太網(wǎng)和串口[5-7]。該系統(tǒng)現(xiàn)場采用CAN總線通信的方式將所有單元的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給4個主節(jié)點，每個主節(jié)點接收屬于自己控制的數(shù)據(jù)，由主控芯片STM32經(jīng)過一系列的處理，再通過串口發(fā)送給射頻芯片CC2530，CC2530接收到數(shù)據(jù)之后，直接通過ZigBee無線通信發(fā)送給1000個子節(jié)點控制板，子節(jié)點控制板收到數(shù)據(jù)執(zhí)行運轉命令，帶動光纖定位單元到達指定位置，并在主節(jié)點詢問時回復子節(jié)點實時的狀態(tài)。針對LAMOST的現(xiàn)場環(huán)境限制，分別對該控制系統(tǒng)的主節(jié)點與子節(jié)點的硬件部分以及整個控制系統(tǒng)的軟件部分進行了設計。

2 系統(tǒng)硬件設計

該控制系統(tǒng)的硬件設計主要包括主節(jié)點硬件設計與子節(jié)點控制板硬件設計，難點在于子節(jié)點控制板的無線射頻部分的設計。

圖1 系統(tǒng)機構整體框圖

2.1 主節(jié)點的硬件設計

由于主節(jié)點的數(shù)量較少，對主節(jié)點功耗的設計和主節(jié)點版型大小方面沒有嚴格要求，因此在主節(jié)點設計中，采用STM32+CC2530+RXF2401的模式進行設計。主節(jié)點與上位機的通信設計，主要包括3個模塊：串口模塊、CAN總線和以太網(wǎng)。CAN總線模式和以太網(wǎng)模式主要用于現(xiàn)場控制，而設計串口通信的目的是方便在實驗室進行試驗，CAN總線收發(fā)器采用TJA050收發(fā)器，該收發(fā)器將差分電壓轉換為高低電平，中間采用了光耦隔離6N137對輸入輸出信號進行隔離，串口芯片采用UT3232G，該芯片用于RS232電平與單片機串口TTL電平的轉換。主控芯片STM32通過串口將無線數(shù)據(jù)發(fā)送給射頻芯片CC2530，CC2530再通過功率放大RXF2401C將無線信號發(fā)送給子節(jié)點控制板。主節(jié)點無線部分的設計極大提高了主節(jié)點的無線發(fā)送功率和無線接收的靈敏度。

2.2 子節(jié)點的硬件設計

2.2.1 電源模塊設計

子節(jié)點的硬件設計難點在于小型化的版型設計要求，對低功耗設計和阻抗匹配設計都提出了很高的要求，因此在子節(jié)點控制板的設計中，主要考慮其電源和射頻部分的設計。

由于現(xiàn)場需要控制4000根光纖單元，驅動板的數(shù)量巨大，整個控制系統(tǒng)的功耗也必須加以考慮，再考慮到PCB布局，電源部分采用開關電源TPS5430進行設計，TPS5430內部功能框圖如圖2所示。

圖2 TPS5430功能框圖

TPS5430內部集成了一個高性能的電壓誤差放大器，在瞬態(tài)條件下有嚴格的電壓調節(jié)精度，具有欠壓鎖定功能，以防止輸入電壓達到5.5 V時啟動；內置慢啟動電路限制浪涌電流，電壓前反饋電路改善瞬態(tài)響應。還包括了一個靈敏的高電平使能端、過電流保護和熱關斷。其轉換效率高達95%，輸出端的紋波噪聲也滿足設計要求。

開關電源的外圍電路設計中，本系統(tǒng)采用串聯(lián)開關穩(wěn)壓電路設計，簡稱BUCK電路，其電路圖如圖3所示。

圖3 BUCK電路圖

包圍電路設計步驟如下。

① 選擇續(xù)流二極管。續(xù)流二極管選用快恢復二極管B340，其額定工作電流3 A和反向耐壓值40 V均滿足該系統(tǒng)電路的設計要求，并留有一定的余量。

② 確定臨界電感。該功率電感的最小值根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的計算公式進行計算。

式中，KIND為系數(shù)，代表了電感紋波電流相對最大輸出電流，推薦值為0.2～0.3；FSW為TPS5430中開關管的工作頻率，500 kHz；VIN為輸入電壓，12 V；VOUT為輸出電壓，3.3 V。計算得到臨界電感為8 μH,該系統(tǒng)設計中，選用電感值為22 μH。

③ 確定電容。根據(jù)LC諧振頻率要盡可能地接近于內部補償頻率，這里選用的電容是100 μF的陶瓷電容，同時在電源的輸入和輸出端分別加了去耦電容。該系統(tǒng)需要3.3 V的輸出電壓，VSENSE的電壓為1.22 V，因此選擇5.9 kΩ和10 kΩ作為分壓電阻，使得輸出電壓為3.3 V。開關電源的外圍電路設計圖如圖4所示。

圖4 TPS5430外圍電路設計圖

2.2.2 無線射頻設計

由于現(xiàn)場環(huán)境的限制，子節(jié)點控制板寬度在10 mm左右，因此子節(jié)點控制板無線射頻不能采用占用面積較大的PCB天線，而且對天線的布局以及射頻相關的走線都提出了很高的要求。在整個設計的過程中，采用了如下的匹配方案。

(1) 對于差分線以及單端線的設計計算，采用SI9000[8-9]對差分線進行69 Ω匹配和對單端線進行50 Ω阻抗匹配，如圖5和圖6所示。

圖5 單端信號線阻抗匹配

圖6 雙端信號線阻抗匹配

在PCB設計中，傳輸線的特征阻抗與介質層的厚度、介電常數(shù)、銅箔厚度、線寬、線距、油墨厚度等有關，因此，在設計過程中，這些因素都要考慮。通常按照下面的公式對其阻抗進行分析計算：

式中，Z為傳輸線的特征阻抗；εr為介電常數(shù)；H為參考層厚度；W為走線寬度；T為銅箔厚度。在1.6 mm板厚設計中，如采用第二層為參考層，會使單端線的走線寬度非常小，對無線信號影響很大，若采用第三層為參考層，會使走線寬度很寬，無法走線。故在最終的設計中，采用0.6 mm板厚，以第三層為參考層設計，最終使阻抗達到匹配[10]，射頻信號在傳輸過程中產(chǎn)生的反射最小，再通過電容電阻的微調，從而使無線信號的質量達到最佳。

(2) 雙端信號與單端信號之間的匹配由于空間限制采用集成器件CC2530專用BALUN，其雙端阻抗為69 Ω，單端阻抗為50 Ω，BALUN的作用是進行阻抗轉換，將雙端69 Ω的阻抗轉換為單端50 Ω的阻抗并實現(xiàn)單端信號與雙端信號的轉換。

(3) 選用了性能更好的AT7020-E3R0HBAT天線，特征阻抗為50 Ω，其布局注意了以下幾點：① 對天線的布局進行凈空處理；② 將天線布局在PCB板邊緣，使無線信號更有效率地發(fā)射出去；③ 陶瓷天線嚴格按照數(shù)據(jù)手冊進行布局。

(4) 利用高品質的電容電感對無線部分的阻抗進行修正，使得阻抗匹配達到最佳，反射最小，信號質量最好。其匹配方法如下。

① 串聯(lián)一個電容，并聯(lián)一個電感調諧。

先將電容調到最小，然后調節(jié)電感(先粗調，再細調)使得信號強度達到最優(yōu)，再調節(jié)電容使得信號強度達到最優(yōu)。

② 分別串聯(lián)和并聯(lián)一個電感進行調節(jié)。

電容電感的作用：串聯(lián)電感L，使阻抗點從容性阻抗沿著Smith圖中的等電阻圓向右轉，減小容性阻抗；串聯(lián)電容C，使阻抗點從感性阻抗沿著Smith圖向左轉，減小感性阻抗；并聯(lián)電感L，使阻抗點從沿著Smith圖中的等電導圓向左轉；并聯(lián)電容C，使阻抗點從沿著Smith圖中的等電導圓向右轉[11]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計思路和編程方法

該控制系統(tǒng)軟件的設計主要包括以下3個部分。

① 上位機讀取所有單元的運行數(shù)據(jù)，通過CAN總線的通信方式或串口發(fā)送給主節(jié)點，數(shù)據(jù)格式的設計需要盡可能地利用每一個字節(jié)的每一位，以保證整個傳輸數(shù)據(jù)長度足夠短，從而減少后續(xù)的通信時間。其協(xié)議定義為時間標志+控制命令+數(shù)據(jù)命令+校驗+結束符。控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議如圖7所示，每個主節(jié)點控制1024個子節(jié)點控制板，定義數(shù)組大小為data[1024×6+10],發(fā)送數(shù)組的前4位為時間標志位，時間標志位的設計用于實時詢問子節(jié)點狀態(tài)，當上位機長時間沒有接收到主節(jié)點所反饋的子節(jié)點控制板狀態(tài)時，上位機帶著時間標志去詢問主節(jié)點該時間標志下的運行結果；數(shù)組第5位為控制命令，包括運轉命令、測試命令、詢問命令、停止命令等；數(shù)組第5位與數(shù)組第6位為運轉單元的數(shù)目，一般為每個主節(jié)點控制1024個子節(jié)點控制板；接下來為每個子節(jié)點單元數(shù)據(jù)，每個單元由6位數(shù)據(jù)構成，中心軸和偏心軸控制分別占3位，數(shù)據(jù)包括控制命令、步數(shù)和校驗位。校驗采用奇偶校驗，存儲在每個單元運轉數(shù)據(jù)的第1字節(jié)的第3位。該協(xié)議的優(yōu)勢在于將每個單元運轉所占據(jù)的字節(jié)數(shù)降到了最小，有利于減少通信時間，使得控制系統(tǒng)更加高效，也確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c準確性。

圖7 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)議

② 當主節(jié)點接收到上位機通過串口或者CAN傳來的單元數(shù)據(jù)后，主節(jié)點對單元數(shù)據(jù)進行校驗和分析處理，并對單元數(shù)據(jù)進行分組。針對ZigBee協(xié)議傳輸，每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)最多為128個字節(jié)，除去幀頭幀尾的11個字節(jié)，還有117個字節(jié)用于存放子節(jié)點控制板數(shù)據(jù)，因此成組設計中，每組包含17個單元的數(shù)據(jù)，每個單元6個字節(jié)，一共112個字節(jié)。然后通過串口發(fā)送給射頻芯片進行無線發(fā)送，每次無線發(fā)送時，首先打開功率放大器件RXF2401C，分組發(fā)送完成結束，子節(jié)點收到數(shù)據(jù)便開始運轉，然后主節(jié)點進行逐一輪詢子節(jié)點狀態(tài)，詢問時，主節(jié)點需要帶著當前子節(jié)點的運轉數(shù)據(jù)，如果該子節(jié)點核驗數(shù)據(jù)正確并正在運轉則回復當前狀態(tài)即可，如果有誤，再重新接收數(shù)據(jù)并運轉，直至所有單元運轉完成并反饋子節(jié)點控制板狀態(tài)給上位機，極大地提高了無線控制系統(tǒng)的效率及可靠性。

③ 當子節(jié)點控制板收到成組數(shù)據(jù)時，對這些數(shù)據(jù)進行篩選，選擇屬于自己的運轉數(shù)據(jù)進行分析處理，校驗數(shù)據(jù)的正確與否，然后控制A3988驅動單元進行運轉，并在主節(jié)點進行詢問時將字節(jié)的狀態(tài)返回給主節(jié)點。

3.2 軟件實現(xiàn)流程圖

該無線控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)流程框圖如圖8所示。上位機通過CAN總線或者串口發(fā)送數(shù)據(jù)給主節(jié)點，主節(jié)點校驗數(shù)據(jù)，若錯誤則返回錯誤類型，上位機重發(fā)，若正確則對數(shù)據(jù)進行整理，通過ZigBee成組發(fā)送單元運轉命令給子節(jié)點，子節(jié)點接收到成組命令開始運轉，接著主節(jié)點開始逐一查詢子節(jié)點狀態(tài)，并根據(jù)子節(jié)點狀態(tài)進行下一步操作。

圖8 軟件實現(xiàn)流程圖

逐一問詢時，需要在主節(jié)點發(fā)送無線命令后，等待子節(jié)點回復主節(jié)點指令，以便知道子節(jié)點的狀態(tài)和防止多個子節(jié)點控制板同時回復指令造成的信道阻塞。采用成組發(fā)送的方式，不需要子節(jié)點回復，子節(jié)點只需要在被詢問時回復即可，而詢問的動作發(fā)生在子節(jié)點控制板控制電機運行的過程中。而原有LAMOST控制系統(tǒng)中，采用逐一向子節(jié)點控制板發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，逐一確認數(shù)據(jù)是否正確，而在詢問時并未帶單元數(shù)據(jù)，增加了發(fā)送單元數(shù)據(jù)的通信時間。因此，成組發(fā)送、逐一詢問的控制方式在很大程度上減少了整個控制系統(tǒng)的通信時間。經(jīng)實驗測試，成組發(fā)送的通信方式很大程度上減少了整個控制系統(tǒng)的通信時間，尤其當子節(jié)點控制板出現(xiàn)損壞時，減少的時間更為顯著。

4 實驗結果與分析

為了測試該控制系統(tǒng)的性能，將該控制系統(tǒng)的性能與原有的LAMOST控制系統(tǒng)的性能分別從自身靜態(tài)功耗、子節(jié)點控制板信號強度和高密度的通信性能等方面進行了對比實驗，實驗結果如下。

4.1 自身功耗對比實驗

對該控制板與原控制板進行自身功耗對比，實驗裝置如圖9所示。

圖9 子節(jié)點控制版功耗測試裝置

采用12 V電源供電，分別以25個和50個子節(jié)點控制板為一組進行對比試驗，用電流表讀取總電流值，結果如表1所示。

表1 本文控制板與原有控制板總電流值對比 單位：A

由表1可得，原控制板靜態(tài)電流單個約為30 mA，該控制板靜態(tài)電流單個約為20 mA，兩者是在相同電壓12 V供電的情況下測得的電流，所以根據(jù)功率公式P=UI可得，原控制板的靜態(tài)功耗為360 mW，本文控制板的靜態(tài)功耗為240 mW，在靜態(tài)功耗方面降低了約33%。

4.2 無線信號質量對比實驗

該實驗用于測量單個子節(jié)點控制板的信號質量強度，分別通過頻譜儀和TI所提供的抓包軟件Packet Sniffer進行測試，頻譜儀在貼近狀態(tài)以及5 m遠的地方進行測試，其無線信號的強度值可以直接在頻譜儀右下角的頻道功率處讀得數(shù)值；Packet Sniffer在15 m遠的地方進行抓包測試，其無線信號的強度值在抓包界面的右側處讀取LQI(Link Quality Indicator)值，LQI值反映信號的連接質量，最大為255，其值越大，表示信號連接質量越好，它與RSSI(Received Signal Strength Indication)有如下的轉換關系：

接收功率P與RSSI值得轉換公式為

P=RSSI+RSSI_OFFSET

式中，RSSI_OFFSET為經(jīng)驗值，一般取-45 dBm，實驗裝置如圖10所示。

圖10 無線信號質量測試裝置

-49.26(dBm)=1.1857×10-5(mW)
-42.12(dBm)=6.137×10-5(mW)
-26.085(dBm)=2.463×10-3(mW)
-32.309(dBm)=5.876×10-4(mW)

4.2.1 頻譜儀測試無線信號

分別選取10個控制板進行測試，用頻譜儀分別在靠近控制板和距離控制板5 m處進行測量，取平均值，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 頻譜儀測試無線信號強度比較 單位：dBm

表2的計算數(shù)據(jù)可以轉換為接收功率，計算公式如下：

無線信號的發(fā)送強度均提高了。

4.2.2 Packet Sniffer測試無線信號

信號接收距離在15 m的距離下，用TI所提供的抓包軟件Packet Sniffer進行抓包測試，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 Packet Sniffer抓包數(shù)據(jù)比較

由表3結果可知，無線信號發(fā)射強度提高了。

-74.61(dBm)=3.456×10-8(mW)
-69.19(dBm)=1.205×10-7(mW)

該實驗結果表明，本文所設計的子節(jié)點控制板相比原有控制板，在無線信號的發(fā)射功率方面至少提高了5 dB。

4.3 高密度下通信性能測試實驗

在實驗室與現(xiàn)場進行高密度下的性能測試，將子節(jié)點控制板是否收到數(shù)據(jù)信息和子節(jié)點單元運轉的情況反饋給上位機，由上位機顯示整個控制系統(tǒng)的通信質量和通信成功率。實驗中子節(jié)點的布置如圖11所示。

圖11 高密度通信實驗現(xiàn)場

分別對原控制系統(tǒng)與本文控制系統(tǒng)做50個子節(jié)點和100子節(jié)點高密度通信實驗。通過對比實驗，在高密度通信的情況下，該控制系統(tǒng)的通信性能較原控制系統(tǒng)大幅提高，無論是誤碼率還是通信成功率方面，該控制系統(tǒng)都有較大的通信優(yōu)勢，實驗結果滿足預期的要求，為LAMOST數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠的控制系統(tǒng)。

5 結束語

在實際工程需求的基礎上，對整個控制系統(tǒng)進行了設計。在版型限制的條件下，通過SI9000分別對雙端信號線和單端信號線進行了阻抗匹配；采用電阻電容對射頻電路走線的阻抗進行微調；使用專用BALUN進行雙端信號與單端信號的轉換，使得整個無線控制系統(tǒng)的通信質量更加的可靠穩(wěn)定；通過成組發(fā)送、逐一輪詢以及通信協(xié)議和校驗位的巧妙設計，使得整個控制系統(tǒng)在保證通信質量的前提下，降低了通信時間，保證了數(shù)據(jù)的準確性；通過對電源模塊的重新設計，降低了控制板自身的功耗。

實驗證明該系統(tǒng)的性能完全滿足LAMOST控制系統(tǒng)的需求，為LAMOST提供了一套低功耗、高效率、可靠性高的無線控制系統(tǒng)。在今后的工作中，將進一步增加子節(jié)點控制版的密度，減小控制板的尺寸，增加板厚，提高子節(jié)點控制板的強度和高密度下通信的性能。