Система управления поворотным устройством с интерфейсом RS485
Илья Могилевский RA3PCS (г.Новомосковск)
Для эффективного проведения связей на любительских УКВ-диапазонах используют многоэлементные направленные антенны, требующие систем для изменения их направления в сторону местонахождения корреспондента, так называемые поворотные устройства. С развитием использования спутниковых ретрансляторов, предназначенных для проведения дальних радиосвязей на УКВ, потребовались поворотные устройства, обеспечивающие изменение не только азимутального угла направления антенны, но и угла её элевации. Это обусловлено спецификой прохождения спутника-ретранслятора над теми или иными широтами земной поверхности. Поворотное устройство должно постоянно корректировать направление антенн, установленных на нём, в зависимости от положения спутника на небосклоне. Осуществлять эту операцию, управляя поворотным устройством вручную довольно сложно и не эффективно, поэтому в настоящее время она автоматизируется с помощью ЭВМ. Ввиду всего вышеизложенного становится ясно, что для управления таким поворотным устройством необходима система, позволяющая эффективно управлять всеми необходимыми функциями, обеспечивающими комфортную работу оператора УКВ-радиостанции в эфире. Один из вариантов такой системы представлен вниманию читателя в данной статье.
Как правило, система позиционирования антенн состоит из двух частей: 1 - поворотное устройство, позволяющее производить позиционирование антенн по азимутальному углу и углу элевации, содержащее в своём составе необходимые механические узлы и детали, а также электрические, электромеханические и электронные узлы, осуществляющие привод механических частей, их контроль и управление режимами работы; 2 - контроллер управления поворотным устройством, позволяющий осуществлять управление углами поворотного устройства как вручную, так и с помощью ЭВМ. Поворотное устройство располагается непосредственно в антенно-мачтовой системе, т.е. вдали от места оператора радиостанции, а контроллер поворотного устройства всегда расположен на рабочем месте оператора, в месте, обеспечивающем удобный доступ к органам его управления. Соединение между поворотным устройством и контроллером управления осуществляется посредством кабеля, содержащим достаточное количество жил для обеспечения управления и питания всех необходимых узлов и систем поворотного устройства. При традиционном управлении поворотным устройством, как правило, приходится использовать кабели управления с количеством жил 6 и более, поскольку все необходимые для управления сигналы передаются непосредственно к блоку управления, находящемуся на столе оператора, а линии, производящие управление приводами поворотного устройства, наоборот уходят от блока управления к поворотному устройству.
В представленной читателю системе управления передача данных от поворотного устройства его состоянии и текущих углах азимута и элевации, а также управляющие команды от контроллера управления к поворотному устройству осуществляется с помощью интерфейса RS485, требующего для обмена данными одну двухпроводную линию. Питание к поворотному устройству передаётся ещё по двум жилам кабеля управления. В результате для управления поворотным устройством в данной системе используется кабель содержащий четыре жилы. Интерфейс RS485 предназначен для организации последовательного канала для связи между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи с волновым сопротивлением 120 Ом и скоростью передачи данных в несколько десятков мегабит в секунду. В зависимости от скорости передачи данных длина кабеля может достигать 1200 метров. Все устройства, использующие RS485, подключаются к линии передачи данных параллельно и производят обмен данными друг с другом в полудуплексном режиме. Таким образом, для обеспечения контроля и управления посредством интерфейса RS485 на поворотном устройстве устанавливаются два блока, каждый из которых осуществляет контроль угла и управление приводом механизма, осуществляющего изменение соответствующего угла направления антенны. Таким образом, непосредственно на поворотном устройстве устанавливаются блок управления осью азимута и блок управления осью элевации.
На рисунке 1 показана структурная схема системы управления поворотным устройством поясняющая принцип её организации.
Рис. 1.
Структурная схема системы управления поворотным устройством.
Конструкция блоков управления осями
Блоки управления осью азимута и осью элевации поворотного устройства соединяются с кабелем управления и производят обмен данными, а также получают питание от контроллера управления поворотным устройством антенны, располагающимся непосредственно на рабочем месте оператора. Для универсальности конструкции блоки контроля осями являются идентичными конструкциями, работающими в режиме, соответствующем управляемой оси поворотного устройства. Принципиальная схема блока управления одной из осей поворотного устройства изображена на рисунке 2.
Рис. 2.
Принципиальная схема блока контроля и управления одной из осей.
В качестве датчика угла поворота оси в блоке использован магнитный угловой энкодер AS5040 [1], обозначенный на принципиальной схеме как DD3. Энкодер представляет собой микросхему с интегрированным массивом элементов Холла, размещённым на кристалле вдоль окружности диаметром 2,2 мм и схемой цифровой обработки сигналов. Датчик оценивает магнитное поле магнита и выдаёт информацию о 1024 положениях магнита в абсолютных величинах по последовательному интерфейсу. Таким образом, учитывая, что окружность содержит 360 градусов, минимальный измеряемый угол составит примерно 0,35 градуса. Размеры корпуса микросхемы составляют 5,3 х 6,2 мм, небольшой поворотный магнит размещается непосредственно над микросхемой, на расстоянии 1-2 мм над поверхностью её корпуса. Ввиду того, что определение угла магнита относительно микросхемы происходит практически без механического контакта, такая конструкция имеет повышенную надёжность и устойчивость к посторонним помехам. Контроллер управления положением антенны по интерфейсу RS485 посылает команды к блокам управления осями азимута и элевации поворотного устройства. Каждый блок настраивается на работу либо в режиме контроля азимута, либо в режиме контроля элевации поворотного устройства. Для каждого режима предусмотрены собственные наборы команд, позволяющие считывать данные об угле и управлять приводами соответствующих осей. Принимая команду, блок определяет - принадлежит ли команда его набору или нет, и если принадлежит, выполняет действия, соответствующие команде и посылает ответ контроллеру управления положением антенны о производимых действиях, если принятая команда блоку неизвестна, он её игнорирует. Считывание данных из энкодера DD3 производит микроконтроллер DD1, данные отправляются по RS485 к контроллеру управления, который принимает данные для обработки. Для организации передачи данных по интерфейсу RS485 в блоке управления одной из осей использован 5-вольтовый малопотребляющий приемопередатчик ADM485 [2], обозначенный на принципиальной схеме DD2. Его подключение к микроконтроллеру осуществляется тремя линиями: к выводам RO и DI, через токоограничивающие резисторы R3 и R4, подключены выводы микроконтроллера, по которым производится передача и приём данных. В конструкции используется скорость передачи данных по интерфейсу RS485 равная 19200 бод. Переключение режимов "приём" и "передача" приёмопередатчика DD2 осуществляется отдельным выводом микроконтроллера, подключенным к контактам RE и DE приёмопередатчика RS485. Выводы приёмопередатчика A и В для линии передачи данных выведены на группы контактов Х1 и Х2, предназначенные для подключения блока контроля и управления одной из осей к линии передачи данных по RS485, а также получения питания. Группы контактов Х1 и Х2 дублируют друг друга. Это сделано для возможности подключения блока между двумя устройствами в линию RS485 и линию питания. Если к Х1 подключена линия от контроллера управления поворотным устройством, к Х2 подключается следующий за ним блок управления одной из осей поворотного устройства. Таким образом, все блоки оказываются подключенными к линии RS485 и линии питания параллельно. Поскольку питание поворотного устройства производится по тому же кабелю, что и передача данных, напряжение питания и мощность источника питания для системы управления поворотным устройством выбирают согласно значению общего потребления двигателей поворотного устройства и потребления системы управления устройством. Для питания блока контроля одной из осей используется микросхема DA1 (LM317) [3], включенная в режиме стабилизатора с выходным напряжением +5В. Исходя из параметров стабилизатора DA1, напряжение, которым возможно производить питание схемы блока, варьируется от 8 до 37 вольт постоянного тока. Таким образом, напряжение питания двигателей поворотного устройства должно находиться в этих же пределах. Для использования двигателей с большим напряжением питания или двигателей переменного тока, следует предусмотреть для питания блока управления одной из осей соответствующие преобразователи, обеспечивающие требуемые для устройства управления параметры электропитания.
В рассматриваемой конструкции используется поворотное устройство с электродвигателями, рассчитанными на напряжение питания 24В постоянного тока.
В цепь сброса MCLR включена микросхема-супервизор сброса микроконтроллера DD4, обеспечивающая сброс микросхемы DD1 при понижении питания последней до 4,65 В. Перемычка JP1, на контактах группы Х7, необходима для возможности внутрисхемного программирования микроконтроллера. При программировании её нужно удалить с контактов, после программирования установить на место. Группа контактов Х3 предназначена для выбора режима работы блока управления осью поворотного устройства. При установке перемычки между контактами 1 и 3 блок работает в режиме контроля и управления осью азимута поворотного устройства, а при установлении перемычки между контактами 2 и 3 блок переходит в режим обслуживания оси элевации поворотного устройства. К контактам группы Х6 подключаются обмотки реле, посредством которых производится управление приводными электродвигателями поворотного устройства. Управление обмотками осуществляется с помощью транзисторов VT1 и VT2, управляемых в свою очередь от выводов микроконтроллера DD1. При необходимости вращения электродвигателя в ту или иную сторону производится включение одного из реле, отвечающего за вращение двигателя в определённую сторону. При необходимости отключения двигателя оба реле отключаются. Схема реверсивного подключения электродвигателя постоянного тока к цепи питания с помощью двух реле приведена на рисунке 3.
Рис. 3.
Принципиальная схема реверсивного управления электродвигателем постоянного тока
В блоке управления осью предусмотрена возможность выбора напряжения питания обмоток реле. Благодаря этой возможности для управления электродвигателями поворотного устройства возможно применение реле, имеющих напряжение переключения контактов, равное 5В постоянного тока, либо имеющих напряжение переключения, равное напряжению источника питающего блок управления осью. В рассматриваемом устройстве применяется источник с выходным напряжением 24В, поэтому для управления электродвигателями используются реле с напряжением переключения контактов равное 24В. Для выбора напряжения управления обмотками реле предназначена группа контактов Х4. При установке перемычки между контактами 1 и 2 напряжение управления обмотками реле составит 24В, а при установлении перемычки между контактами 1 и 3 напряжение составит 5В постоянного тока. Поскольку в рассматриваемой системе применяется источник питания с выходным напряжением 24В и для управления электродвигателями используются реле с напряжением переключения контактов 24В, перемычка установлена между контактами 1 и 2. Для программирования микроконтроллера DD1 предназначается группа контактов Х5, к которой подключается программатор.
Блок управления осью поворотного устройства собран на двухсторонней печатной плате размерами 65х57мм и толщиной 1,5мм, чертежи и топология слоёв которой изображена на рисунках 4 и 5.
Рис. 4.
Сторона ТОР платы блока.
Рис. 5.
Сторона ВОТТОМ платы блока.
Расположение деталей на плате блока управления осью изображены на рисунках 6 и 7.
Рис. 6.
Детали на стороне ТОР платы
Рис. 7.
Детали на стороне ВОТТОМ платы
В основном в конструкции платы блока управления осью применяются радиоэлементы, предназначенные для поверхностного монтажа. Резисторы типоразмера ЧИП1206, конденсаторы С1-С9 керамические с типоразмером корпуса ЧИП1206. Конденсаторы С11, С12 и С13 марки К50-35 на напряжение 50В. Конденсатор С10 танталовый, марки 293D475X9020C2WE3 рассчитанный на 20В.
Микросхема приёмопередатчика марки ADM485ARZ [2] в корпусе SO8 для поверхностного монтажа. Микросхема стабилизатора напряжения питания блока, марки LM317D2T-TR [3] в корпусе D2PAK, предназначенного для поверхностного монтажа. При необходимости возможно применить данную микросхему-стабилизатор и в корпусе ТО220, немного укоротив выводы. От центрального вывода в этом случае придётся избавиться, использовав вместо него основание для охлаждения корпуса микросхемы. Микросхема DD4 и транзисторы VT1 и VT2 в корпусах для поверхностного монтажа марки SOT23, транзисторы марки BC847A, марка микросхемы-супервизора MAX809LEUR [4]. При необходимости её можно заменить на аналог TPS3809I50DBVR. Микроконтроллер DD1 марки PIC16F84A-04/P [5] в корпусе DIP. Кварцевый резонатор на частоту 4 МГц в корпусе HC-49U. Микросхема магнитного энкодера AS5040 [1] в корпусе TSSOP16 для поверхностного монтажа располагается в центре платы. Магнит марки AS5000-MA6H1 [6]. Он устанавливается непосредственно над корпусом микросхемы, как можно точнее к её центру. Для этого магнит закреплен на валу поворотного узла, выполненного из потенциометра подходящих размеров. Узел крепится над микросхемой на трёх медных стойках высотой 12 мм и диаметром 4 мм, закреплённых в отверстиях платы, расположенных вокруг микросхемы-энкодера с помощью пайки. Конструкция крепления магнита к поворотному валу изображёна на рисунках 8 и 9. Расположение магнита над энкодером блока управления осью изображёно на рисунке 10.
Рис. 8.
Крепление магнита к поворотному валу
Рис. 9.
Поворотный вал с магнитом
Рис.10
Блок управления осью поворотного устройства с поворотным узлом магнита.
Настроенный на управление соответствующей осью поворотного устройства вал поворотного магнита блока управления осью соединяется с соответствующей осью поворотного устройства с помощью соединительной муфты. Плата блока крепится к корпусу поворотного устройства на стойках. В результате при вращении соответствующей оси поворотного устройства происходит вращение вала с магнитом, и энкодер оценивает угол поворота вала и, соответственно, всего поворотного устройства. Рассматриваемая конструкция применяется автором для управления промышленным поворотным устройством УН16. Установка блоков управления осями изображены на рисунках 11 и 12.
Рис. 11.
Установка блока контроля элевации поворотного устройства УН16.
Рис. 12.
Установка блока контроля азимута поворотного устройства УН16.
Внутри корпуса поворотного устройства блоки управления осями подключаются друг к другу с помощью четырёхжильного экранированного кабеля, две жилы которого используются для организации линии интерфейса RS485, и две жилы - для организации питания блоков управления, и выводятся на разъём для подключения кабеля управления от контроллера поворотного устройства. Объединяющий кабель и внешний разъём поворотного устройства показаны на рисунке 13. Реле, управляющие электродвигателями приводов поворотного устройства, расположены на отдельной плате, установленной внутри поворотного устройства. Диоды VD1 и VD2 предназначены для защиты транзисторов VT1 и VT2 от выбросов напряжения самоиндукции на обмотках реле. Обмотки реле подключаются к блоками управления осями отрезками провода МГТФ 1 х 0,5.
Рис. 13.
Разъём с подключенным кабелем контроллера управления (слева) и кабель соединения между блоками управления осями (справа).
Конструкция контроллера управления поворотным устройством
Контроллер управления поворотным устройством реализован на микроконтроллере PIC18F452-I/P [7], обозначенном на принципиальной схеме контроллера DD1. Принципиальная электрическая схема контроллера управления поворотным устройством изображена на рисунке 14 .
Рис.14.
Принципиальная электрическая схема контроллера управления поворотным устройством.
Информация о положении и состоянии поворотного устройства выводится на жикдкокристаллический двухстрочный знакосинтезирующий дисплей HG1, подключенный к микроконтроллеру по семипроводной схеме управления. Потенциометром R6 производится регулировка контрастности изображения на дисплее. Резистор R37 токоограничивающий предназначен для снижения токопотребления устройства за счёт снижения яркости свечения подсветки дисплея. При необходимости возможно изменение яркости свечения подсветки путём изменения номинала резистора.
Управление поворотным устройством возможно в двух режимах: ручном и автоматическом. Переключение между режимами производится с помощью тумблера S1. Находясь в разомкнутом состоянии, тумблер включает ручной режим управления, а в замкнутом - автоматический режим управления поворотным устройством. В ручном режиме оператор радиостанции производит управление поворотным устройством посредством кнопок SB1 - SB4. При нажатии оператора на одну из кнопок управления микроконтроллер формирует команду для поворотного устройства и передаёт её через каналы мультиплексора DD2 к приёмопередатчику RS485, который, преобразуя полученный пакет, передаёт его по двухпроводной линии к поворотному устройству. Приняв пакет и выполнив команду, блок управления осью, которому предназначался пакет с командой, возвращает ответ контроллеру управления поворотным устройством по линии интерфейса через приёмопередатчик RS485 и каналы мультиплексора к микроконтроллеру. Приняв пакет с ответом, микроконтроллер анализирует его и выводит на дисплей соответствующую информацию о состоянии и текущем угле поворотного устройства. Кнопки "R" - right и "L" - left осуществляют вращение поворотного устройства вокруг оси азимута: по часовой стрелке - "R", и против часовой стрелки - "L". Кнопки "U" - up и "D" - down осуществляют изменение угла элевации поворотного устройства: "U" - увеличение угла, т.е. производится подъём антенны, "D" - уменьшение угла, т.е. производится опускание антенны. При ручном управлении в программе контроллера предусмотрены ограничения вращения по оси азимута и элевации, устанавливаемые через меню контроллера управления поворотным устройством. Во избежание перекрута кабеля устанавливается максимальный возможный угол перекрута по оси азимута в обе стороны после прохождения точки с нулевым значением азимута. После достижения максимального значения перекрута контроллер управления останавливает вращение поворотного устройства в соответствующем направлении. Для ограничения угла подъёма антенны вращение по оси элевации также прекращается при достижении соответствующего угла подъёма антенны. Угол опускания антенны ограничивается нулевым значением угла элевации, при достижении которого опускание антенны прекращается. Для индикации момента перекрута поворотного устройства по оси азимута и при достижении максимального угла элевации предусмотрены светодиоды HL1 и HL2, управляемые микроконтроллером посредством транзисторов VT2 и VT3. При перекруте по оси азимута зажигается светодиод HL2, при достижении максимального угла элевации зажигается светодиод HL1. Кнопками SB5, SB6 осуществляется управление меню контроллера поворотного устройства. Кнопка "MENU/OK" осуществляет вход в меню настроек контроллера и подтверждение выбранного режима или установленного в соответствующем меню значения параметра. Кнопка "ESC" осуществляет выход из меню настроек контроллера управления.
В автоматическом режиме управление поворотным устройством осуществляется через контроллер управления посредством персонального компьютера. Контроллер подключается к компьютеру через COM-порт и обменивается данными с программным обеспечением. Для осуществления автоматического слежения поворотного устройства за радиолюбительскими искусственными спутниками Земли, а также за Луной используется известная программа Себастьяна Стоффа Orbitron [8]. Контроллер управления поворотным устройством в автоматическом режиме работает именно с этой программой и драйвером для передачи данных WiSP DDE [9]. Скорость передачи данных составляет 19200 бод. Микроконтроллер DD1 через драйвер COM-порта DD4 и каналы мультиплексора DD2, переключенные на работу с микросхемой DD4 посредством входов управления мультиплексора А и В, подключенных к управляющим выводам микроконтроллера DD1, поддерживает связь с программным обеспечением Orbitron и, получив текущие показания угла азимута и элевации от программы, переключает каналы мультиплексора для установления связи с поворотным устройством по RS485. Микроконтроллер считывает текущие значения углов поворотного устройства, сравнивает их со значениями углов, принятых посредством COM-порта от программы Orbitron, и принимает решение о необходимости вращения поворотного устройства по или против часовой стрелки для установки указанных в пакете, принятом от программного обеспечения, углов азимута и элевации. Затем формируются и передаются соответствующие команды управления для блоков управления осями, и производится вращение поворотного устройства до достижения необходимого значения углов. Для плавного ведения поворотного устройства за спутником в контроллере управления поворотным устройством предусмотрены шаговые режимы подстройки углов азимута и элевации, настраиваемые через меню контроллера управления. При необходимости подстроить углы на небольшие значения контроллер выполняет подстройку угла в шаговом режиме, выполняя шаг по заданным параметрам. Продолжительность шага определяет время работы электропривода поворотного устройства для осуществления поворота оси на заданную величину шага и устанавливается в меню контроллера. Для каждой конкретной конструкции поворотного устройства величина шага определяется экспериментально. Для перехода поворотного устройства в шаговый режим в контроллере управления предусмотрено меню настройки зоны перехода поворотного устройства в шаговый режим, при достижении которой подстройка угла азимута или элевации происходит только в шаговом режиме. В конструкции контроллера управления предусмотрена возможность использования в качестве интерфейсов связи с персональным компьютером таких шин как USB и Bluetooth. Для этого соответствующие каналы мультиплексора DD2 выведены через токоограничивающие резисторы на контактные группы X4 и X5, к которым возможно подключить соответствующие переходники RS232 - USB или RS232 - Bluetooth. Выбор интерфейса для связи с персональным компьютером осуществляется в меню контроллера управления. При этом обмен данными через драйвер COM-порта DD4 прекращается, и производится обмен через выбранный интерфейсный порт, подключенный к контактным группам X4 или X5. В меню контроллера группа X4 соответствует подключению через переходник RS232 - USB, а группа X5 соответствует подключению через переходник RS232 - Bluetooth. Контактная группа X6 предназначена для внутрисхемного программирования контроллера управления поворотным устройством.
С помощью реле К1, управляемого микроконтроллером DD1 с помощью транзистора VT1, производится включение питания поворотного устройства. В момент включения питания контроллер инициализируется и включает питание поворотного устройства. Затем он проверяет наличие связи по интерфейсу RS485 с поворотным устройством и при наличии связи с блоками начинает выполнение программы управления. При отсутствии связи с одним или обоими блоками управления осями, контроллер прекращает выполнение программы до возобновления связи с обоими блоками управления осью и выводит соответствующие сообщения на дисплей. В процессе управления поворотным устройством контроллер управления также проверяет наличие связи по RS485 с блоками управления осями поворотного устройства, и при её отсутствии хотя бы с одним из блоков контроллер выключает питание поворотного устройства с помощью реле К1 на время, достаточное для сброса контроллеров управления осями. При этом поворотное устройство останавливается и, получив питание от контроллера, переходит в режим ожидания команды управления. При нарушенной линии передачи данных RS485, поломке контроллера управления или блоков управления осями дальнейшее управление поворотным устройством невозможно. Не принимая никаких команд, блоки управления осями блокируют вращение поворотного устройства.
Для питания схемы контроллера управления поворотного устройства используется микросхема DA1, включенная в режиме стабилизатора напряжения с выходным напряжением 5 В постоянного тока. Группа контактов Х1 предназначена для подключения источника питания, напряжение которого может находиться в пределах от 8 до 37 В постоянного тока. Следует учитывать, что этот же блок питания будет использоваться и для питания систем поворотного устройства, подключенного к контроллеру управления через разъём на корпусе поворотного устройства и группу контактов Х2, на которую выведены линии передачи данных с приёмопередатчика DD3 и линии питания поворотного устройства через контакт реле К1. Поэтому следует выбирать источник питания, мощность которого будет соответствовать потреблению контроллера управления и поворотного устройства.
Контроллер управления поворотным устройством собран в пластиковом корпусе размерами 190х140х60 мм на печатной плате размерами 99х73 мм из фольгированного с двух сторон текстолита. Чертежи основной платы изображены на рисунках 15 и 16.
Рис. 15.
Сторона ТОР платы контроллера управления.
Рис. 16.
Сторона ВОТТОМ платы контроллера управления.
Расположение деталей на плате блока управления поворотным устройством изображены на рисунках 17 и 18.
Рис. 17.
Расположение деталей со стороны ТОР платы блока управления поворотным устройством.
Рис. 18.
Расположение деталей со стороны ВОТТОМ платы блока управления поворотным устройством.
Резисторы, кроме R6 и R37, типоразмера ЧИП1206 для поверхностного монтажа на печатную плату. Резистор R37 марки МЛТ 0,25, резистор R6 марки СП3-19а. Конденсаторы C14 и C16 макри К50-35 на напряжение 50В, остальные конденсаторы керамические с типоразмером корпуса ЧИП1206. Микроконтроллер DD1 марки PIC18F452-I/P [7] в корпусе DIP, микросхема мультиплексора DD2 марки К561КП1 в корпусе DIP, её возможно заменить аналогом CD4052, микросхема приёмопередатчика RS485 DD3 марки ADM485ANZ [2] в корпусе DIP, микросхема драйвера COM-порта DD4 марки MAX232AEPE [10] в корпусе DIP. Стабилизатор напряжения DA1 марки LM317D2T-TR [3] в корпусе D2PAK, предназначенном для поверхностного монтажа. При необходимости возможно применить данную микросхему-стабилизатор и в корпусе ТО220, немного укоротив выводы. От центрального вывода в этом случае придётся избавиться, использовав вместо него основание для охлаждения корпуса микросхемы. Индикатор HG1 жидкокристаллический двухстрочный знакосинтезирующий марки DV1602 [11] или аналогичный, транзисторы VT1 - VT3 марки BC847A в корпусах для поверхностного монтажа марки SOT23. Диод VD1 марки 1N4148 устанавливается непосредственно на выводах обмотки реле. Кварцевый резонатор на частоту 10 МГц в корпусе HC-49U. Реле К1 выбирается с подходящим током контактов и напряжением обмотки, соответствующим напряжению блока питания. В данной конструкции применено реле марки Finder 44.62s. с напряжением обмотки 24В постоянного тока. Светодиоды HL1 и HL2 марки 204RD. Кнопки управления SB1-SB6 марки PB-02R-G. Тумблер S1 марки MTS102. Плата контроллера управления установлена внутри корпуса контроллера на четырёх стойках высотой 10 мм. В рассматриваемой конструкции контроллера управления плата контроллера установлена на корпус блока питания системы управления, также расположенного внутри корпуса. Расположение платы контроллера и его внутренняя компоновка изображена на рисунке 19.
Рис. 19.
Внутренняя компоновка контроллера управления поворотным устройством.
Органы управления и индикации контроллера поворотного устройства расположены на передней панели корпуса. Расположение органов управления на передней панели контроллера изображено на рисунке 20. Дисплей HG1 подключен к контактной группе на плате контроллера, предназначенной для подключения дисплея, многожильным плоским кабелем, содержащим 10 жил. Подсветка дисплея подключена к плате контроллера отрезками проводов МГТФ 1 х 0,5. Кнопки управления, тумблер переключения режимов и светодиоды, расположенные на передней панели, подключаются к соответствующим контактам на плате контроллера отрезками проводов МГТФ 1 х 0,5 и собираются в жгут, который для удобства обслуживания платы, уложен по её периметру. На задней панели корпуса контроллера поворотного устройства расположены: разъём для подключения кабеля управления поворотным устройством, разъём COM-порта для подключения контроллера к COM-порту компьютера, разъём для подключения контроллера к сети переменного тока, поскольку в данной конструкции блок питания находится внутри корпуса контроллера. На задней панели также расположены патрон предохранителя блока питания, винтовая клемма для подключения корпуса контроллера и блока питания к заземлению. Расположение разъёмов на задней панели корпуса поворотного устройства изображены на рисунке 21.
Рис. 20.
Передняя панель с органами управления контроллером поворотного устройства.
Рис. 21.
Задняя панель с разъёмами для подключения поворотного устройства, кабеля COM-порта, питания и заземления контроллера, предохранителя.
С левой стороны передней панели расположены кнопки управления вращением поворотного устройства в ручном режиме "L", "R", "U", "D". Под жидкокристаллическим индикатором, расположенным справа сверху передней панели, располагаются кнопки управления входом и выходом меню настроек контроллера управления "MENU/OK" и "ESC". Слева от них на панели установлены светодиоды индикации перекрута кабеля "OR" (Overrotate) и максимального угла элевации поворотного устройства "UL" (Uplimit). Справа внизу передней панели расположены кнопка включения питания контроллера и тумблер переключения ручного и автоматического режимов управления поворотным устройством.
На жидкокристаллический дисплей контроллера выводится информация о текущих углах и состоянии поворотного устройства. В ручном режиме в верхней строчке дисплея отображается информация о текущих углах. Дисплей контроллера в ручном режиме показан на рисунке 22.
Рис. 22.
Вид дисплея контроллера в ручном режиме управления
Значком "А:" обозначаются текущие показания азимута поворотного устройства в градусах, значком "Е:" показания угла элевации. При перекруте антенного кабеля в правом верхнем углу дисплея выводится значок "R", при устранении перекрута этот значок пропадает. В нижней строке дисплея отображается информация о состоянии поворотного устройства. Под показаниями угла азимута и угла элевации отображаются надписи означающие поведение поворотного устройства в данный момент. При осуществлении вращения поворотного устройства по или против часовой стрелки по оси азимута под значением угла азимута отображается надпись "R" (right) - вращение по часовой стрелке или "L" (left) - вращение против часовой стрелки. При остановке вращения поворотного устройства по оси азимута под значением угла азимута отображается надпись "STOP" - вращение по оси не происходит. При изменении оператором угла элевации поворотного устройства под значением текущего угла элевации отображается надпись "U" (up) - увеличение угла элевации поворотного устройства, или "D" (down) - уменьшение угла элевации поворотного устройства. При остановке изменения угла элевации под значением текущего угла элевации отображается надпись "STOP". Кроме того, на дисплее контроллера под обозначениями показателей углов азимута и элевации отображаются значки контроля связи с блоками управления осями, установленными на поворотном устройстве. Под обозначением "А:" отображается значок состояния связи с блоком управления осью азимута, под обозначением "Е:" отображается значок состояния связи с блоком управления осью элевации. Значки состояния связи могут принимать два значения: "*" - связь с блоком установлена, "!" - связь с блоком отсутствует. В нижнем правом углу дисплея отображается символ, обозначающий режим работы контроллера поворотного устройства. Символ "Н" (Hand) - обозначает ручной режим работы, символ "А" (Auto) - обозначает автоматический режим работы.
В автоматическом режиме в верхней строчке дисплея также отображается информация о текущих углах поворотного устройства, а в нижней строчке, в скобках, отображаются значения углов принятых от программы Orbitron из персонального компьютера и значки состояния поворотного устройства. При переключении устройства в автоматический режим управления никаких данных об углах положения из компьютера ещё не принято, поэтому на дисплее в скобках отображаются прочерки, т.е. никаких данных не принято. При установлении связи с программой Orbitron и получении контроллером данных об углах в скобках появляются значения углов для поворотного устройства. Дисплей контроллера в автоматическом режиме без принятых данных показан на рисунке 23, с принятыми от компьютера данными на рисунке 24.
Рис. 23.
Вид дисплея контроллера в автоматическом режиме управления до принятия данных от компьютера.
Рис. 24.
Вид дисплея контроллера в автоматическом режиме управления с принятыми данными от компьютера.
Значки о состоянии связи с блоками управления осями также расположены под соответствующими символами текущих углов азимута и элевации. Под обозначением "А:" отображается значок состояния связи с блоком управления осью азимута, под обозначением "Е:" отображается значок состояния связи с блоком управления осью элевации. Значки состояния связи могут принимать два значения: "*" - связь с блоком установлена, "!" - связь с блоком отсутствует. Справа от значений, принятых от компьютера, отображаются значки состояния поворотного устройства. При вращении поворотного устройства по оси азимута справа от значения угла азимута, принятого от компьютера, отображается символ "R" - при вращении по часовой стрелке, а символ "L" - при вращении против часовой стрелки. При изменении угла элевации поворотного устройства справа от значения угла элевации, принятого от компьютера, отображается символ "U" - при увеличении угла элевации, а символ "D" - при уменьшении угла элевации. При остановке поворотного устройства и фиксировании положения антенны для обоих осей отображаются символы "S". В последнем знакоместе нижней строки дисплея отображается значок "А", означающий автоматический режим.
Вход в меню настроек контроллера поворотного устройства осуществляется с помощью кнопки "MENU/OK". После её нажатия на дисплее появится первое меню настройки в дереве меню настроек контроллера. Перемещение по дереву меню контроллера осуществляется кнопками "D" и "U". В первом меню осуществляется калибровка угла азимута в соответствии с установкой поворотного устройства, т.е. калибровка нулевого направления. В верхней строке дисплея находится надпись "Calib.Zeropoint", обозначающая, что пользователь находится в меню калибровки угла. Меню настройки угла азимута показано на рисунке 25.
Рис. 25.
Меню калибровки азимута поворотного устройства.
Для проведения калибровки, находясь в меню калибровки азимута поворотного устройства, кнопками "R" и "L" выполняется вращение поворотного устройства вокруг оси азимута. Во второй строке дисплея отображается значение текущего угла поворотного устройства, после него отображается значок состояния поворотного устройства "L", "R" или "S". В начале строки отображается значок состояния связи с блоком управления осью азимута "*" или "!". Выполняя вращение поворотного устройства, визуально добиваются максимально точного направления антенны на север. После нажатия на кнопку "MENU/OK" текущее значение угла устанавливается как нулевое, т.е. направление антенны на север, и показания текущего угла азимута становятся нулевыми.
Следующее меню настроек контроллера предназначено для калибровки угла элевации антенны. Кнопками "R" и "L" выполняется изменение угла элевации. Визуально устанавливается горизонтальное положение антенны и кнопкой "MENU/OK" показания текущего угла элевации принимаются как нулевые. Значения текущего угла элевации, отображающиеся в нижней строке дисплея также становятся нулевыми. Меню калибровки угла элевации мало отличается от меню калибровки угла азимута, оно изображено на рисунке 26.
Рис. 26.
Меню калибровки элевации поворотного устройства.
Меню, следующее за настройками угла элевации поворотного устройства, выполняет установку значения угла перекрутов поворотного устройства при его вращении по часовой или против часовой стрелки. В верхней строчке дисплея отображается название меню "Set overrotate". При достижении поворотным устройством нулевого угла происходит его переход к максимально возможному углу установки при вращении против часовой стрелки или к минимальному углу при вращении по часовой стрелке. В результате такого перехода поворотное устройство будет продолжать вращаться в заданную сторону до значения угла, устанавливаемого в меню установки угла перекрутов. Это необходимо для предотвращения повреждения коаксиальных кабелей, питающих антенну, при вращении поворотного устройства. Меню установки угла перекрутов изображено на рисунке 30.
Рис. 27.
Меню установки угла перекрутов поворотного устройства.
В нижней строчке отображается текущий установленный угол перекрутов антенны по часовой и против часовой стрелки. Изменение значения угла производится кнопками "R" и "L". После установки желаемого значения угла необходимо ввести это значение, нажатием кнопки "MENU/OK" в память контроллера. После её нажатия справа от установленного значения угла перекрутов появится надпись "MEM", которая означает, что данные успешно введены в память контроллера. Следует отметить, что устанавливаемое значение угла перекрутов не может превышать 180 градусов.
Следующее меню выполняет установку максимального разрешённого угла элевации антенны. В верхней строчке дисплея отображается название меню "Set uplimit". Поскольку угол элевации не может превышать 90 градусов, контроллер по умолчанию ограничивает угол подъёма антенны этим значением. Но в различных условиях эксплуатации антенн требуется ограничить угол элевации значением, меньшим, чем 90 градусов. Изменение значения угла производится кнопками "R" и "D". После установки желаемого значения угла необходимо ввести это значение нажатием кнопки "MENU/OK". После её нажатия справа от установленного значения угла элевации появится надпись "MEM", которая означает, что данные успешно введены в память контроллера. Меню установки максимального угла элевации изображено на рисунке 28.
Рис. 28.
Меню установки угла максимальной элевации поворотного устройства.
Следующее меню позволяет установить зону перехода поворотного устройства в импульсный режим подстройки угла азимута в автоматическом режиме работы поворотного устройства. В нём устанавливается значение угла, который является разницей между текущим углом азимута поворотного устройства и углом, который устанавливается в данный момент, в соответствии с данными, полученными от компьютера. То есть при достижении поворотным устройством такого угла, который отличается от целевого на значение, устанавливаемое в меню, подстройка устройства до целевого угла будет производиться исключительно в импульсном режиме. Меню установки зоны перехода в импульсный режим подстройки угла азимута изображено на рисунке 29.
Рис. 29.
Меню установки зоны перехода поворотного устройства в шаговый режим подстройки угла азимута.
В верхней строчке отображается название меню "Set pulse zone". В нижней строчке отображается значение угла разности между текущим углом азимута и целевым углом, при котором произойдёт переключение в шаговый режим подстройки. Изменение значения зоны производится кнопками "R" и "L". После установки необходимого значения и нажатия кнопки "MENU/OK" значение будет записано в память контроллера, о чём просигнализирует сообщение "МЕМ" справа от значения установленного угла.
Следующее меню предназначено для установки зоны перехода поворотного устройства в импульсный режим при подстройке угла элевации. Оно мало чем отличается от предыдущего меню и имеет схожую функциональность. В верхней строчке дисплея отображается название меню "Set pulse zone". В нижней строчке значение угла разности между текущим углом элевации и целевым углом. Достигнув такого угла элевации, при котором разница достигнет установленного значения, поворотное устройство перейдёт в импульсный режим подстройки угла элевации до целевого значения. Меню установки зоны перехода в шаговый режим подстройки угла элевации изображено на рисунке 30.
Рис. 30.
Меню установки зоны перехода поворотного устройства в шаговый режим подстройки угла элевации.
Следующее меню позволяет установить длину импульса подстройки угла азимута. Поскольку система управления может быть установлена на различные системы поворотных устройств, имеющие разные механические характеристики, скорость вращения и приводятся в движение различными электроприводами, то установка длительности импульса подстройки углов позволит оптимально настроить импульсный режим подстройки поворотного устройства. В меню настройки длительности импульса подстройки азимута устанавливается время работы электропривода, определяющее угол, на который повернётся поворотное устройство за один импульс. Меню установки импульса подстройки азимута изображено на рисунке 31.
Рис. 31.
Меню установки длительности импульса подстройки азимута.
В верхней строчке дисплея отображается название меню "Pulse lenght", в нижней строчке отображается значение длительности импульса подстройки азимута поворотного устройства в миллисекундах. Изменение значения длительности импульса осуществляется кнопками "R" и "L". Оптимальное значение длительности импульса подстройки азимута подбирается экспериментально после установки системы управления на поворотное устройство. После установки необходимого значения и нажатия кнопки "MENU/OK", значение будет записано в память контроллера, о чём просигнализирует сообщение "МЕМ".
Следующее меню позволяет установить длину импульса подстройки угла элевации. Оно не сильно отличается от предыдущего меню. В верхней строчке отображается название меню идентичное предыдущему, а во второй строчке отображается значение длительности импульса подстройки элевации поворотного устройства. Изменение длительности импульса и запись его значения в память контроллера производится как в предыдущем меню.
Рис. 32.
Меню установки длины шага подстройки элевации.
Последнее меню контроллера предназначено для выбора интерфейса связи с персональным компьютером. По умолчанию выбран интерфейс RS232, использующий для связи COM-порт компьютера. Меню выбора интерфейса связи изображено на рисунке 33.
Рис. 33
Меню установки интерфейса связи с компьютером
В верхней строке дисплея отображается название меню "Set COM-port", в нижней - номер порта и название интерфейса, включенного в данный момент. Port-1 соответствует интерфейсу RS232, интегрированному в контроллер, Port-2 соответствует интерфейсу USB, который реализуется в контроллере путём подключения переходника RS232 - USB к соответствующим контактам группы Х4. Port-3 соответствует интерфейсу Bluetooth, который возможно реализовать в устройстве, подключив модуль RS232-Bluetooth к соответствующим выводам контактной группы Х5. Выбор порта связи в меню осуществляется с помощью клавиш управления "R" и "L". При выборе соответствующего порта в нижней строке меню отображается номер порта с соответствующим названием интерфейса: "Port-1-RS232", "Port-2-USB" или "Port-3-Bth". Ввод выбранного значения порта связи в память контроллера производится также, как и в предыдущих меню. После выполнения соответствующих настроек контроллера поворотного устройства системой управления можно пользоваться. Практика показала, что в ручном режиме система чётко и без ошибок выполняет команды пользователя и контролирует углы антенны согласно установленным параметрам. В автоматическом режиме система контроля и управления, совместно с программой Orbitron, плавно следит за выбранным спутником или Луной и позволяет оператору комфортно работать в эфире.
Подборка фотографий системы управления поворотным устройством в сборе и её отдельных узлов.
Литература:
1. ADM485 +5V Low power EIA RS-485 Tranceiver Analog Devices. - URL: http://www.chipfind.ru/datasheet/ad/adm485.htm (20.03.2014 г.)
2. LM217, LM317 1,2 to 37V adjustable voltage regulators. - URL: http://www.st.com/web/catalog/sense_power/FM142/CL1015/SC315/PF63704?referrer=70032480 (20.03.2014 г.)
3. MAX803/MAX809/MAX810 3-pin microprocessors reset circuits. - URL : http://www.digchip.com/datasheets/parts/datasheet/280/MAX803L-pdf.php (20.03.2014 г.)
4. PIC16F84A Data Sheet 18-pin Enhanced FLASH/EEPROM 8-bit Microcontroller. - URL: http://datasheet.su/datasheet/Microchip/PIC16F84A-20I/P (20.03.2014 г.)
5. PIC18FXX2 High Performance, Enhanced FLASH Microcontrollers with 10-Bit A/D. - URL: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/P/I/C/1/PIC18F452.shtml (20.03.2014 г.)
6. Stoff S. Orbitron - Satellite Tracking System. - URL: http://www.stoff.pl
7. WispDDE. - URL: http://www.g6lvb.com/wispdde_info.htm (20.03.2014 г.)
8. MAX232 +5V powered, multichanel RS232 drivers/recievers. - URL: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/73047/MAXIM/MAX232.html (20.03.2014 г.)
9. Дисплей DV1602D YGH-CTK. - URL: http://www.compel.ru/infosheet/WINSTAR/WH1602A-YGH-CTK/ (20.03.2014 г.)
Полный архив документации, схем и рисунков, исходников и прошивки контролеров, справочников и литературы используемых при разработке контролера поворотного устройства для антенн можно скачать с https://disk.yandex.ru/d/sh0U9P1V4KgV3A ( ~58 MB, для скачивания использовать OPERA, MOZILLA или IE v.10 и выше )
