ARM ve B / S tabanlı gemi uydu haberleşme takip sistemi
Cheng Yuzhu, Pan Lingyun, Xia Xueting
(Otomasyon Okulu, Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Nanjing, Jiangsu 210023)
: Dünyanın toplam alanının yaklaşık% 70'ini kaplayan okyanusta baz istasyonları kurmak imkansızdır, bu nedenle acil olarak sağlam bir gemi uydu haberleşme sistemine ihtiyaç vardır. Gemide uydu iletişim sistemi araştırması temel olarak sistem konfigürasyon tasarımı, kontrol stratejisi, donanım seçimi ve izleme sistemi tasarımını içerir. Teknenin hareketinin üstesinden gelmek için, üç eksenli takip kontrol sistemi, hareket sırasında gövdenin her zaman uyduya nişan almasını sağlamak ve gerçek zamanlı iletişimi gerçekleştirmek için bir dizi yıldız işaretleme stratejisine göre bulanık PID algoritması kullanır. Jiroskop sıcaklık telafisi veri işleme sistemi olarak FPGA yongasını kullanmak, tüm servo sistemini daha doğru ve daha hızlı hale getirebilir. İzleme sistemi, daha geleneksel istemci / sunucu mimarisini atar ve tarayıcı / sunucu mimarisini seçer. Simülasyon testi, gemideki uydu iletişim sisteminin iyi performansa ve dostane uygulanabilirliğe sahip olduğunu doğrular.
: Gemide uydu iletişimi; sıcaklık telafisi; bulanık kontrol; tarayıcı / sunucu modu
: TP27; TP31 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.01.008
Alıntı biçimi : Cheng Yuzhu, Pan Lingyun, Xia Xueting ARM ve B / S J tabanlı gemi uydu iletişim izleme sistemi. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017, 36 (1): 25-28.
0 Önsöz
Denizde sabit haberleşme röle istasyonlarının bulunmaması ve gemide taşınan uydu haberleşme sisteminin sadece bir denizcilik haberleşme röle istasyonu görevi görebilmesi nedeniyle, Çin'in bir deniz gücü haline gelmesi için deniz iletişimi şarttır.Bu nedenle, yüksek performanslı gemi kaynaklı uydu haberleşme ürünlerine acil ihtiyaç vardır. Bu nedenle, yüksek performanslı bir gemiden uydu iletişim izleme sisteminin geliştirilmesi, önemli pratik öneme sahiptir.
Bu amaçla, gemi uydu iletişim sistemi, üç eksenin teorik açısını ölçmek için elektronik bir pusula ve ayrıca Alan Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) tabanlı üç eksenin mutlak coğrafi koordinatlarını elde etmek için GPS kullanır. Sıcaklık dengelemeli üç eksenli jiroskop, hızlı dengeleme amacına ulaşmak için üç eksenin anlık hızını ölçer.Arama algoritması ve izleme algoritmasına göre, tüm servo sistemi, bulanık PID kontrol algoritması altında daha doğru ve hızlı hizalama sağlayabilir. Gemideki uydu iletişim sisteminin performansını izlemek ve gemideki uydu iletişim sisteminin insan operasyonunu gerçekleştirmek için, gemideki uydu iletişim sistemi ve izleme sistemi, kablolu LAN veya kablosuz WiFi aracılığıyla birbirine bağlanır.İzleme sistemi, gömülü bir Web sunucusu tarayıcısı kullanır. / Sunucu (Tarayıcı / Sunucu, B / S) mimarisi [1].
1 Sistem genel yapı tasarımı
1.1 Gemide uydu iletişiminin çalışma süreci
Gemide uydu haberleşme sisteminin çalışma süreci, iletim süreci ve alıcı süreç olmak üzere iki kısma ayrılabilir. İletim sürecinde, iletilecek bilgi anahtar ve uydu modemden geçer ve sinyal, bir yukarı dönüştürme güç amplifikatörü (Blok Yukarı Dönüştürücü, BUC) tarafından kablosuz bir ortamda iletime uygun bir sinyale modüle edilir ve ardından gemi anteni [2] tarafından iletilir. Gemide alım süreci, gönderme işleminin tersidir.Anten tarafından alınan sinyal, Düşük Gürültülü Blok aşağı dönüştürücü (LNB) tarafından filtrelenir ve yükseltilir ve ardından yönlü kuplöre gönderilir. Yönlü kuplör, alınan sinyali ikiye böler. Biri bir uydu modem tarafından demodülasyon için kullanılan bir rota veya birden fazla rota; hedef uydunun sinyal gücünü ölçmek için işaretin sinyal kaynağı olarak bir rota kullanılacaktır.Tabii ki, gemide bulunan uydu iletişim sistemi ile uydu arasındaki iletişim yöntemi Tam dubleks.
1.2 Gemideki uydu iletişim sisteminin yapısı
Gemide uydu haberleşme sistemi ile ilgili araştırmanın ana hedefleri, ARM kontrol sistemi, anten durumunu kontrol eden takip sistemi, tesviye kutusu modülü, izleme sistemi ve ağ modülünden oluşmaktadır.Düzleme kutusu modülü, üç eksenli jiroskop sıfır kayma problemini içermektedir. FPGA tabanlı sıcaklık telafisi alt modülü.
Gemiyle taşınan uydu iletişim sistemi, taşıyıcı olarak gemileri kullanır ve taşıyıcı, deniz suyu hareketinin müdahalesi altında yalnızca üç boyutlu olarak hareket etmekle kalmaz, aynı zamanda hareketin yörüngesi de düzensizdir ve ilgili kurallar formüle edilemez. Yüksek verimlilik ve yüksek hassasiyet elde etmek için, gemideki anten her zaman uyduya karşı tutumu korur, normal iletişimi sorunsuz bir şekilde tamamlamak için bir dizi kontrol stratejisi benimsenmelidir. Gemi anteninin uçsuz bucaksız deniz üzerindeki durumunu almak isterseniz gemi izleme sistemi üzerine kurulu olan Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) ile izleme sisteminin enlem ve boylam bilgilerini gerçek zamanlı olarak elde edebilir, hedef uydunun enlem ve boylamı ile hesaplayabilirsiniz. Gemiyle taşınan uydu iletişim sisteminin anteninin uyduyla hizalanması için gereken teorik konumu ve yükseklik açısını alın. Elektronik pusula, gemiyle taşınan antenin yön açısını, eğim açısını ve yuvarlanma açısını toplar. Üç eksenli jiroskop, hızlı elde etmek için üç eksenin anlık hızını ölçer Tazminatın amacı [3]. ARM kontrol sistemi, gemi üstü antenini, elde edilen anten durumuna ve işaret alıcısı tarafından geri beslenen sinyal gücüne bağlı olarak hedef uyduya hizalamak için takip sistemini gerçek zamanlı olarak kontrol edecektir. Gemideki uydu iletişim sisteminin blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir.
2 donanım modülü tasarımı
2.1 Jiroskop sıcaklık dengeleme modülü tasarımı
Sistemin maliyet etkinliğini artırmak için, tasarım pahalı atalet navigasyon sistemini seçmedi ve mikromekanik jiroskop modeli CRS03-02'yi kullanmayı seçti, ancak mikromekanik jiroskopun önceki gemide uydu iletişim sistemi olan ciddi sıfır kayma sorunu var. Yukarıda çözülemeyen zorluklar için sistem, üç eksenli jiroskopun sıcaklık sapması probleminin üstesinden gelmek için sıcaklık telafisi stratejisini benimser. Sıcaklık dengeleme modeli için, teorik olarak malzeme ilkesinden türetmek çok karmaşıksa, hızlı ve etkili olmak için deneysel yöntemi kullanmak daha iyidir. Deney süreci şu şekildedir: Üç eksenli jiroskopu ayarlanabilir bir termostata yerleştirin ve sıfır ofsetini -30 ° C ila + 80 ° C sıcaklık aralığı içinde her 2 ° C'de ölçün; ortalama değeri her 15 dakikada bir örnekleme alın Bu sıcaklıkta üç eksenli jiroskopun sıfır ofseti olarak [4]. Şekil 2'de, ölçülen veriler düz bir daire ile temsil edilir ve düz çizgi, kübik temel uydurma ile elde edilen sıfır ofsetin uygun eğri denklemidir, yani:
-30 T-16 olduğunda,
sapma = -0,52655 + 0,00362t-0,00451t2-0,00003t3;
-16 T + 24 olduğunda,
sapma = -0.72314 + 0.04763t-0.00063t2;
24 T40 olduğunda,
sapma = -2.7473 + 0.12948t-0.00204t2 + 0.00006t3;
40 T80 olduğunda,
sapma = -12.8437 + 0.429476t-0.002035t2 + 0.00003t3
Jiroskop sıcaklık dengeleme modülü, analogdan dijitale dönüştürmeyi tamamlamak için MAX125AEAX çipini kullanır.Analogdan dijitale dönüştürme, iki gruba ayrılmış 8 giriş kanalına sahiptir ve her gruptaki 4 kanal, dönüştürme görevini aynı anda tamamlayabilir. Bir set üç eksenli jiroskop kullanılabilir ve diğer set analog sinyaller veren diğer sensörler için ayrılmıştır. Sıcaklık sensörü, üç eksenli mikromekanik jiroskopun bulunduğu ortamın sıcaklık ölçümünü tamamlamak için dijital çıkışlı DS18B20'yi seçer. FPGA yongası, analogdan dijitale dönüştürme ve sıcaklık sensörünün birlikte çalışmasını kontrol eden bu alt modülün çekirdeğidir. Deneyde elde edilen dört segmentli jiroskop sıcaklık telafisi uydurma eğrisine göre, karşılık gelen kompanzasyon programı, üç eksenli mikro işlenmiş jiroskobun farklı sıcaklıklarda sıcaklık ofset kompanzasyon değerini hesaplamak için FPGA çipine yazılabilir; jiroskobun dijital değerini çıkarın Dengelenmiş jiroskop sinyalinin dijital değeri, FPGA seri portu aracılığıyla ARM kontrol sistemine iletilebilir, böylece servo sistem, uyduyu gerçek zamanlı olarak izlemek için anteni kontrol edebilir [4-5]. Üç eksenli jiroskopun sıcaklık dengeleme alt modülünün donanım blok diyagramı Şekil 3'te gösterilmektedir.
2.2 Ağ modülü
İstemci / sunucu (İstemci / Sunucu, C / S) modunu benimseyen izleme sistemi, yerel izleme ve belirli belirli uygulamaları yükleme ihtiyacı gibi dezavantajlara sahiptir; gömülü Web tabanlı B / S mimari izleme çözümü ise Kablosuz (WiFi) veya kablolu (TCP / IP), gömülü sistem ile diğer cihazlar (PC, Pad, Telefon vb.) Arasındaki bağlantıyı gerçekleştirir. B / S mimarisi, istemci / sunucu mimarisinin eksikliklerini etkin bir şekilde çözebilir.
B / S modunu gerçekleştirmek için ağ modülü iki yöntem kullanır: kablosuz ağ ve kablolu ağ, birbirlerinin eksikliklerini iyi bir şekilde tamamlayabilirler. Kablolu devre, veri iletimi için RJ45 arayüzü ile diğer cihazlara bağlanır, DM9161BIEP çipi tarafından işlenir ve daha sonra ARM kontrol sistemine gönderilir; izleme sisteminin bir el terminalinde kullanılacağı düşünülerek, bir WiFi kablosuz modülünün yapılandırılması gerekir.Tasarım sürecini iyileştirmek için kablosuz iletişim Yöntemin donanımı, 802.11a / b / g standart VIA takılabilir USB arabirimini destekleyen ve USB arabirimi aracılığıyla ARM kontrol sistemine doğrudan bağlanan kablosuz modülü seçer. Donanım uygulaması ayrıca, kablosuz ağ aygıt sürücüsünün temel yapılandırmasını ve gömülü sistemdeki ağ ara bağlantısını da aktarmalıdır. Bu tasarımlara dayanarak, sistem izlemenin yalnızca istemci cihaza tarayıcı yazılımı yüklemesi gerekir.
2.3 Takip sistemi
2.3.1 Servo sistemin bulanık PID algoritması
ARM kontrol sistemine geri beslenen anten durumuna göre, kontrol sistemi adım motorlarının kontrolünü gerçekleştirmek için 5 adımlı motorun sürücülerini kontrol edecektir.Servo sistemin kontrol hızını ve doğruluğunu iyileştirmek için sistem bulanık PID algoritmasını kullanır.
Geleneksel PID'nin üç parametresi Ki, Kp ve Kd hata ile ayarlanır ve yapı ve algoritma nispeten basittir, ancak, okyanustaki taşıyıcının işini geleneksel PID ile karşılamak zordur. Fuzzy PID, değişimin sapma ve sapma oranına göre 3 PID parametresini otomatik olarak ayarlayabilir. Parametre ayarlaması şu deneyime sahiptir: sapma büyük olduğunda, sistemin daha iyi izleme performansına sahip olması için daha büyük Kp, Ki = 0 alın; sapma ve sapma değişim oranı orta boyutta olduğunda, sistem yanıtının küçük olmasını sağlamak için Aşma için Kp daha küçük olmalı, Kd'nin değeri sistem tepkisi üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olmalı, Ki'nin değeri uygun olmalı; sapma küçük olduğunda, sistemin daha iyi kararlı performansa sahip olmasını sağlamak için hem Kp hem de Ki Daha büyük bir değer elde etmek için, ayarlanan değere yakın sistem salınımlarını önlemek için Kd değeri çok önemlidir.Genel olarak, değişimin sapma oranı küçük olduğunda, Kd'nin değeri daha büyük olmalıdır ve bunun tersi de geçerlidir. Sistem çalışırken, sapmanın gerçek zamanlı tespiti ve değişim değerlerinin sapma oranı, PID'nin üç parametresinin bulanık kurallarına göre çevrimiçi modifikasyonu, böylece PID parametreleri, kontrol parametrelerinin farklı sapmalarının ve sapma oranlarının gereksinimlerini karşılamak için kendi kendini ayarlayabilir [6].
2.3.2 Gemiden taşınan antenin arama algoritması ve izleme algoritması
Elektronik pusula ve çift GPS durum ölçer, taşıyıcının azimut açısını doğrudan bulabilir, böylece gemi üzerindeki anten doğrudan veya dolaylı olarak teorik azimuta gidebilir. Arama modu çerçeve modunu benimser, yani çerçeve merkez olarak teorik konumla dışa doğru çizilir ve arama ilerledikçe çizimin çerçevesi büyür ve büyür. Çerçeveyi çizerken, Analog Kazanç Kontrolünün (AGC) değişikliklerini izleyin. Eşik aşılırsa, çerçeveyi hemen durdurun ve izleme moduna girin. Ayarlanan tur sayısı için çerçeve aramasından sonra uydu bulunamazsa, teorik konuma tekrar gidin ve çerçeve aramasını tekrar gerçekleştirin. Uygulama personeli ayrıca izleme sistemindeki azimutu, adım adım açısını ve çerçeve daire numarasını gerçek duruma göre ayarlayabilir. Çerçeve arama algoritmasının gemiden taşınan anten ışınının hareket yörüngesi Şekil 4'te gösterilmektedir.
Çerçeve arama, hedef uydunun AGC'sinin eşiği aştığını izlediğinde, hemen koni izleme durumuna girer. Koni izleme durumu, iletişim sırasında gemiyle taşınan antenin sürdürdüğü durumdur.Bu durumda, program, dairesel bir dairesel hareket yapmak için anteni kontrol edecek ve AGC'nin farkına bağlı olarak antenin ayarlaması gereken açıyı hesaplayacaktır. Birlikte, eşiği aşan yönlü modelin ikinci dereceden bir eğri haline geldiği bulunmuştur. İki noktanın merkez mesafe yön diyagramında AGC'nin en büyük noktasının dağılımına sabit bir açı farkı olan iki noktalı AGC takılarak doğrusallığın çok yüksek olduğu, R2 = 0.9493 olduğu bulunmuştur. Bu nedenle, sol ve sağ AGC arasındaki farkın bir katsayı ile çarpılması ayar açısı olarak kullanılabilir. Sonuç olarak, gemideki anten her zaman hedef uyduya doğrultulur. Koni arama algoritmasının gemiden taşınan anten ışınının hareket yörüngesi Şekil 5'te gösterilmektedir.
3 İzleme sistemi tasarımı
Önceki makale, izleme sistemini desteklemek için gereken donanım yapılandırmasını açıkladı ve işte izleme sisteminin açıklaması. Gömülü Linux işletim sistemi, özellikle özelleştirme, çok kullanıcılı, çoklu görev, ekipman dokümantasyonu ve küçük gömülü sistemler için uygun olması gibi avantajları göz önünde bulundurularak AT91SAM9263 olarak seçilen ARM yongasına aktarılabilir. Gömülü Linux işletim sisteminin ağ işlevini kullanın, ancak aynı zamanda Web sunucusu Boa'yı ARM yongasına aktarın, Boa çok küçük bir web sunucusudur [7]. Gömülü sistemin kendisi veri depolama ve program çalıştırma alanı üzerinde nispeten büyük kısıtlamalara sahip olduğundan, gömülü bir SQLite veritabanı benimsenmiştir. İstemci tarayıcısı ve web sunucusu arasındaki bilgi aktarımı özelliği, Ortak Ağ Geçidi Arayüzünü (CGI) benimser. Ana işlevi, tarayıcı formundan yararlı bileşenleri ayrıştırmak ve ardından ayrıştırılan sonuçları sunucu verileriyle birleştirmektir. Birlikte, düzgün bir şekilde düzenlenmiş bir web sayfasında kullanıcılara sunulurlar.
İstemci kullanıcı, tarayıcının adres çubuğuna Web sunucusunun IP adresini girer ve tarayıcı ile sunucu arasında HTTP protokolü [8] aracılığıyla bir bağlantı kurulur. Bağlantı kurulduktan sonra, tarayıcı form talebini gönderebilir.Sunucu talebi aldığında, sunucu Boa, talebi işlemek için yeni bir CGI süreci yaratacaktır. Bir yandan, CGI programı sunucudan veri alabilir, diğer yandan CGI programı tarafından üretilen veriler, standart giriş ve standart çıktı yoluyla sunucuya geri gönderilebilir. Sunucu tarafındaki CGI programı ayrıca mesaj ara bellek kuyruğu aracılığıyla kontrol sistemi ile etkileşime girebilir ve kullanıcı gereksinimlerini kontrol programına gönderebilir Kontrol programı, kullanıcının talebine göre yıldız işaretleme işlemini tamamlamak için motoru çalıştırır.
İzleme sistemi, kullanıcılara Ajax teknolojisi ve CGI aracılığıyla iyi bir kullanıcı deneyimi sağlar. İzleme sistemini farklı istemci cihazlarına uyarlamak için, web sayfası tasarımında farklı web sayfası çözünürlüklerinin uyarlanabilir teknolojilerinin benimsenmesi gerekir.
4. Sonuç
Bu makale ağırlıklı olarak gemiden uydu haberleşme sisteminin donanımını, servo sistemin kontrol stratejisini ve hedef uydunun arama ve izleme algoritmasını araştırır ve tasarlar. Sallanan platform üzerinde tekrarlanan testler yapılmıştır Gemi anteni hedef uyduyu yaklaşık 2 dakika içinde takip edebilir ve tespit edilen hedef uydu AGC sinyal dalgalanma aralığı 0.5 dB'den azdır. Jiroskobun sıfır kaymasının neden olduğu yıldız kaybetme fenomeni de etkili bir şekilde iyileştirildi ve tarayıcı izleme sistemi daha iyi bir kullanıcı deneyimine sahip olmasını sağlıyor.
Referanslar
[1] Li Zhongjun. Gömülü Web sunucusuna (D) dayalı bir taşınabilir uydu iletişim yer istasyonu izleme sisteminin tasarımı ve uygulaması. Nanjing: Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, 2012.
2 Guo Qing, Wang Zhenyong, Gu Xuemai. Uydu İletişim Sistemi M Beijing. Pekin: Elektronik Endüstrisi Yayınevi, 2010.
[3] Zhao Jianming. Araca monteli "hareket halinde iletişim" servo kontrol sisteminin tasarımı ve gerçekleştirilmesi D Lanzhou: Lanzhou Teknoloji Üniversitesi, 2009.
[4] Wang Yuliang, Xia Dunzhu Silikon mikro jiroskoplar için FPGA tabanlı sıfır önyargı sıcaklık dengeleme sistemi üzerine araştırma J Bilgisayar ve Dijital Mühendislik, 2009, 37 (6): 181-184.
5 Kong Xiangqi. Strapdown Ataletsel Navigasyon Sisteminde Gyro Sıcaklık Kompanzasyon Teknolojisinin Uygulanması J. Modern Navigasyon, 2014, 5 (1): 2932.
6 Tan Baocheng, Cao Yanzhe Çizim makinesinin kontrol sisteminde bulanık PID uygulaması J Elektronik Tasarım Mühendisliği, 2011,19 (22): 6265.
[7] Cui Deyou, ARM-Linux J tabanlı kablosuz video gözetim sistemi tasarımı. China New Communications, 2012, 34 (3): 109-104.
[8] Yang Qing Ağ bağlantılı kontrol için gömülü erişim ve hizmet sistemi D Nanjing: Southeast Üniversitesi, 2004.
