摘要：設(shè)計(jì)了一種能無(wú)線遙控的小型攝像頭驅(qū)動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)無(wú)線遙控器上簡(jiǎn)單按鍵的操作既可使遠(yuǎn)處攝像頭瞄準(zhǔn)不同角度的目標(biāo)，又同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)取景。文中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的組成原理和軟硬件設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性好、成本低廉、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線遙控；直流減速電機(jī)；PWM

    在云臺(tái)或攝像頭等微型轉(zhuǎn)臺(tái)的民用或商用系統(tǒng)中，需要根據(jù)被監(jiān)控目標(biāo)的方向?qū)D(zhuǎn)臺(tái)作出快速旋轉(zhuǎn)等操作，并要求其響應(yīng)速度快并且穩(wěn)定。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了Silicon公司的C8051F020單片機(jī)為控制核心，集成功率芯片驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)推動(dòng)小型轉(zhuǎn)臺(tái)，使具有遠(yuǎn)端遙控操作簡(jiǎn)易，體積小，成本低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一款高集成度，小型的伺服系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及原理
    整個(gè)系統(tǒng)南兩部分組成：云臺(tái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和操作控制器，分別如圖1和圖2所示。為了設(shè)計(jì)和調(diào)試統(tǒng)一、簡(jiǎn)單，兩部分都采用了C8051系列單片機(jī)為控制核心，轉(zhuǎn)臺(tái)速度采用旋鈕變位器控制，通過(guò)模擬量采集獲取轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向和速度信號(hào)。轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流減速電機(jī)，通過(guò)12 V電池供電，其他控制電路可由12 V變換為需要的5 V或3．3 V電壓信號(hào)。電機(jī)選用額定電壓為12 V的MAXON直流有刷電機(jī)，自帶減速機(jī)構(gòu)，并且尾部同軸安裝了精密多圈變位器，用于反饋轉(zhuǎn)動(dòng)位置信號(hào)。電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專(zhuān)用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋器件LMD18200。它廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

    無(wú)線遙控裝置用nRF403芯片作為核心收發(fā)器件，利用nRF403芯片和C8051F120單片機(jī)的簡(jiǎn)單接口完成無(wú)線收發(fā)功能。nRF403是一個(gè)單片RF收發(fā)芯片，具有FSK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制。其主要性能指標(biāo)為：
    (1)靈敏度高達(dá)-105 dBm；
    (2)最大發(fā)射功率達(dá)+10 dBm；
    (3)工作頻率范圍：433～315 MHz；
    (4)電源電壓：2．7～3．6 V；
    (5)最大數(shù)據(jù)速率：20 kb／s；
    (6)頻偏：±15 kHz。
    其特性完全能滿足本系統(tǒng)遙控要求。

2 云臺(tái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路設(shè)計(jì)
    整個(gè)電路分為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和無(wú)線接收三個(gè)功能部分。以C8051系列單片機(jī)為控制核心，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用LMD18200，它可以與單片機(jī)、直流電機(jī)和多圈變位器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由12V電池供電，經(jīng)隔離電源轉(zhuǎn)換成5 V和3．3 V電源，為單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)電路供電。控制電路、無(wú)線接收與驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)用光耦隔離，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
    攝像搖臂經(jīng)常在噪聲小的環(huán)境中應(yīng)用，因此云臺(tái)的運(yùn)行噪聲必須盡可能低，選用優(yōu)質(zhì)的直流電機(jī)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，設(shè)計(jì)中采用MAXON公司的有刷直流減速電機(jī)(尺寸：直徑25mm，軸長(zhǎng)22 mm，軸徑3 mm，額定電壓12 V)。攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)控制旋鈕內(nèi)接精密10 K電位器，旋鈕左有旋轉(zhuǎn)與攝像機(jī)左右旋轉(zhuǎn)同步，其實(shí)質(zhì)是用電位器來(lái)控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)和閉環(huán)調(diào)速。

    該系統(tǒng)電路圖如圖3所示。單片機(jī)P0．2和P3．1兩個(gè)端口分別輸出旋轉(zhuǎn)信號(hào)和PWM波電機(jī)控制信號(hào)。PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦后輸入LMD18200的引腳5，而轉(zhuǎn)向信號(hào)則通過(guò)引腳3輸入。根據(jù)PWM控制信號(hào)的占空比來(lái)決定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。LMD18200提供雙極性驅(qū)動(dòng)方式和單極性驅(qū)動(dòng)方式。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性可逆系統(tǒng)雖然有低速運(yùn)行平穩(wěn)性的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著電流波動(dòng)大，功率損耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開(kāi)關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動(dòng)機(jī)的控制。單極性驅(qū)動(dòng)方式是指存一個(gè)PWM周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞只承受單極性的電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小只與PWM的占空比有關(guān)，占空比越大，轉(zhuǎn)速越大。這里采用單極性驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)PWM的占空比等于0時(shí)，電機(jī)靜止；當(dāng)PWM的占空比大于0時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)改變占空比，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，改變電機(jī)的方向控制信號(hào)(高低電平)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。驅(qū)動(dòng)電路的PWM、方向信號(hào)和報(bào)警信號(hào)，通過(guò)高速光電耦合器HCPL0600的隔離和電壓轉(zhuǎn)換后，輸入或輸出到單片機(jī)。
    圖3表明了采用直流電機(jī)定頻調(diào)寬PWM調(diào)速方式，PWM信號(hào)為單極性工作制。圖3中電位器RP1的中間滑動(dòng)端接到C8051F020單片機(jī)自帶A／D模塊端口AIN0．6，它是電機(jī)尾部同軸向的角度化置反饋信號(hào)，可與控制指令形成閉環(huán)位置反饋，從而達(dá)到精確控制電機(jī)調(diào)速目的，其基準(zhǔn)電壓為3．3 V，從單片機(jī)的VREFD，VREF0，VREF1端口引入。滿幅值對(duì)應(yīng)電機(jī)末端旋轉(zhuǎn)一周。另外驅(qū)動(dòng)過(guò)熱保護(hù)信號(hào)也接入單片機(jī)P2．0端口，隨時(shí)停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)機(jī)構(gòu)。
    遙控部分由nRF403芯片實(shí)現(xiàn)：芯片的9腳及10腳：DIN輸入數(shù)字信號(hào)和DOUT輸出數(shù)字信號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯點(diǎn)頻信號(hào)，需要發(fā)射的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DIN輸入，解調(diào)出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)DOUT輸出。12腳通道選擇：FREQ=“0”為通道#1(433．92 MHz)，F(xiàn)REQ=“1”為通道#2 (315．16 MHz)，接到單片機(jī)P6．7。18腳電源開(kāi)關(guān)：PWR_UP=“1”為工作模式，PWR_UP=“0”為待機(jī)模式，接到單片機(jī)P5．7，而19腳發(fā)射允許，這里設(shè)置TXE N=“0”為接收模式，接到單片機(jī)P6．5，本電路板主要用于接收控制信號(hào)，指令解調(diào)出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)DOUT采入單片機(jī)。
2．2 布板設(shè)計(jì)
    實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控的nRF403芯片采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，由壓控振蕩器輸出的信號(hào)直接送到功率放大器，從功率放大器提供的射頻輸出到天線。單端天線列接到nRF403時(shí)，使用印刷電路板(PCB)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能。為了實(shí)現(xiàn)較好的性能，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，PCB要使用雙面板來(lái)實(shí)現(xiàn)，即元件面和底面。為了防止各個(gè)模塊之間相互影響，無(wú)線接收模塊與控制模塊盡量分開(kāi)布置，控制與驅(qū)動(dòng)兩部分電源隔離。射頻電路的電源要使用高性能的射頻電容去耦，并且所使用的去耦電容要盡可能與nRF403的VDD端靠近，一般還要在大容量面所安裝的電容旁并聯(lián)一個(gè)小電容。為了達(dá)到減少分布參數(shù)的影響，PCB在設(shè)計(jì)時(shí)要避免電源線過(guò)長(zhǎng)，要使各器件緊靠芯片周?chē)?，所有元件地線、VDD連線等圍繞nRF403芯片。除此之外，射頻電路的電源也要與接口電路的電源分離。nRF403的VSS端直接接到接地面(PCB板的兩面最好敷銅接地，將兩層的敷銅用較多的過(guò)孔緊密相連，然后再把VSS引腳連接到敷銅面)。另外，需要注意的是，不要將數(shù)字信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)或者控制信號(hào)經(jīng)過(guò)PLL回路濾波器元件和電感，以保障PLL環(huán)路濾波器電壓的正常。使用中的注意事項(xiàng)：nRF403的工作電壓為3．3 V，因此要在與控制器連接時(shí)應(yīng)注意電平匹配的問(wèn)題。接收模式接收到的數(shù)據(jù)可以直接送到單片機(jī)的接口或者經(jīng)過(guò)點(diǎn)頻轉(zhuǎn)換以后送給處理器。在待機(jī)模式情況下，電路有電流但是不接受和發(fā)射任何數(shù)據(jù)。
2．3 程序設(shè)計(jì)
    云臺(tái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分的控制程序主要流程是：上電初始化nRF403后，接收旋鈕旋轉(zhuǎn)幅度和方向的譯碼指令，以30 ms為周期執(zhí)行指令掃描以及電機(jī)角度信號(hào)采集；角度數(shù)字量化后，折算為旋轉(zhuǎn)目標(biāo)角度和當(dāng)前實(shí)際角度的相對(duì)誤差；計(jì)算需要旋轉(zhuǎn)的速度；驅(qū)動(dòng)執(zhí)行PWM波可以通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器，由I／O產(chǎn)生PWM波，載波頻率為20 kHz，不同速度對(duì)應(yīng)不同的占空比信號(hào)，和另一路I／O產(chǎn)生電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向信號(hào)，寫(xiě)成速度控制函數(shù)；簡(jiǎn)易的位置閉環(huán)算法如圖4所示，實(shí)驗(yàn)證明PID調(diào)節(jié)基本可以快速和穩(wěn)定的完成攝像頭定位功能。

3 操作控制器設(shè)計(jì)
3．1 硬件電路設(shè)計(jì)
    遙控操作控制端，同樣采用Silicon公司的C8051F020單片機(jī)作為微控制器，原理圖如圖5所示，旋鈕操作采集需要轉(zhuǎn)動(dòng)指令信號(hào)讀入單片機(jī)A／D接口，由端口AIN0．0的A／D采樣，轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)幅度值，單片機(jī)掃描到該控制量后，將其編碼，以30ms周期發(fā)送數(shù)據(jù)，送至nRF403模塊DOUT，這樣指令就經(jīng)過(guò)模塊nRF403無(wú)線調(diào)制發(fā)射出去。單片機(jī)P6．6端口的控制信號(hào)TXEN端口的值設(shè)置TXEN=“1”時(shí)為發(fā)射狀態(tài)。在工作過(guò)程中，C8051F020單片機(jī)的P0．0與nRF403的DIN端口相連接，P0．1與nRF403的DOUT相連接。FREQ、F_PWR和TXEN分別由C8051F020單片機(jī)的其他管腳控制。接口關(guān)系如圖5。進(jìn)行遙控操作時(shí)，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)C8051F020單片機(jī)的P0．1也就是TXD端到達(dá)nRF403芯片的DIN端。協(xié)議與驅(qū)動(dòng)云臺(tái)端互為編碼解碼方式。

3．2 程序設(shè)計(jì)
    遙控端的程序功能，主要是采集旋鈕旋轉(zhuǎn)幅度和方向，通過(guò)端口AIN0．0的A／D采樣，應(yīng)用系統(tǒng)自帶的A／D設(shè)置模塊，計(jì)算實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)量，相對(duì)滿幅值進(jìn)行量化，滿幅值對(duì)應(yīng)鏡頭旋轉(zhuǎn)360度。通過(guò)P0．0和P0．1模擬通信數(shù)據(jù)時(shí)序，發(fā)送數(shù)據(jù)到nRF403的DIN端，經(jīng)過(guò)調(diào)制發(fā)送給驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此其程序主要任務(wù)是對(duì)旋鈕旋轉(zhuǎn)幅度數(shù)字量化，然后并按協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)線調(diào)制發(fā)射信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文論述了搭建單片機(jī)和LMD18200的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片nRF403完成了遙控攝像機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制功能。結(jié)果表明系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性都較好，完全能滿足商用的基本要求。