80C196KC在车载卫星天线系统中对步进电机的控制胡涛，程明霄（南京工业大学自动化学院，南京210009）何实现对步进电动机在车载天线系统中处于找星、跟踪和随动状态下的控制。
1车载卫星天线简介在车载系统（例如：火车、汽车、轮船）的运动过程中收看电视，由于行进方向的变化，或是路况的颠簸，会造成电视接收信号的不精确。目前，在国内交通客运中，电视系统播放的往往是电视录像，不能播放实时新闻或节目。车载卫星天线随动系统，能够随着车体方向和位置的变化而改变，使卫星天线始终指向卫星的方位，接收器和卫星的电信号电磁共振将最强，从而确保接收电视信号的清晰和稳定。
本系统采用两台二相步进电动机分别控制卫星天线的水平位置和垂直位置，以下分别简称方位步进电机和俯仰步进电机。输入信号是卫星天线接收的卫星信号；反馈信号是陀螺仪给出的位置变化信号。80C196KC通过对卫星天线接收信号的采样值和陀螺仪的反馈信号的电压值进行计算、分析，对方位、俯仰步进电机进行控制，从而使卫星天线按照一定的算法进行寻星、跟踪和随动。
以80C196KC单片机为核心的卫星天线随动系统在初始工作时，进行寻找卫星，搜寻出信号最强的方位，随后锁定此方向。随着车体运动的变化，陀螺仪给出变化的反馈信号，据此信号，可计算出方位和俯仰电机需转动的量值，驱动步进电机转动，使天线始终对准卫星。采用80C196KC的嵌入式结构研制该系统，其重要的任务就是对天线实现自动找星、跟踪卫星和随车体运动，实现这些功能最重要的就是对方位和俯仰步进电机的控制。
步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感，即震动感，为了使电机转动顺滑，减小震动，为此在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性或车体颠簸电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。
2硬件设计车载卫星天线的驱动采用的是二相步进电动机，方位控制为旋转步进电机，俯仰控制为直线丝杆步进电机，其驱动波形为二相八拍、16细分方式。80C196KC单片机系统则承担对步进电机运转速度、方向及跟踪、随动的控制。
2.1步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路是被控电路的核心，如何合理地设计出驱动电路，关系到整个卫星天线系统的工作性能，将直接影响寻星、随动以及跟踪卫星的准确性。具体的工作包括：寻找合适的驱动芯片，现在选用的是UC3717步进电机驱动芯片；设计其外围电路，包括其开关时间的调整；设计步进电机二相八拍的波形发生电路；调整波形发生电路与驱动芯片的匹配；设计步进电机的锁定逻辑电路和波形，等等。
步进电机驱动电路由两片3717组成（如），VR端分别接D/A转换的VoutA~VoutB，为3717的电压端，可进行电机细分驱动。7、8、9端子分别接电路的输出。3717按要求输出交变的电流，驱动步进电机的运转。
1输出至电机输出至电机步进电机驱动电路是以74LS194为核心的逻辑电路，为中的3717驱动电路提供所需脉冲和二相八拍的驱动波形，其中输入端的T/R为电机正反控制端；CLK为HOS.4发出的时钟脉冲。PHASE端为步进电机绕组电流的正反向控制端。
系统和最优控制技术；程明霄，副教授，74194逻辑电路74LS194逻辑电路输出的二相八拍驱动波形如。
D/A转换电路的作用是为步进电机的驱动电路提供电压，具体作用有：为步进电机的驱动电路提供电压，74LS194逻辑电路驱动3717的二相八拍波形2.2单片机系统电路系统电路包括CPU扩展RAM、ROM的设计和存储地址空间分配，CPU和其他电路的连接。这部分涉及电路的初始化、数据存取、数据采样、外部中断、定时中断、时钟脉冲、控制信号，等等。
同的时间提供不同的电压，由单片机计算完成，按照要求要提供2路D/A转换。
由于80C196系列单片机可16位寻址，因此地址总线MA0~MA15中的MA0可用作中7528的A\B通道选择信号。外部RAM扩展2片6264，总线MA14、MA15通过逻辑电路用作数据存储器6264的片选信号，此时RAM地址为2.2.1高速输出HSO口中断，产生脉冲序列CLK，为驱动步进电机电路的时间序列，并在其上升沿和下降沿产生软件定时器中断，产生中断嵌套，进行步进电机步进角的细分，使电机转动平滑，避免震动或抖动。细分可用软件设定，本系统采用16步细分。
在电机静止时，HSO.O~3可控制步进电机输入电流的大小用来控制步进电机转轴的锁定。
P1口的数值主要用来作为步进电机运行方式控制的输出位。由逻辑电路可以软件控制方位、俯仰步进电机的复位、正反转以及锁定。其中，分别控制俯仰和方位限位的P1.5、P1.6口的信号，经逻辑电路接到P2.2位，P2.2为外部中断位，中断时，判断出是方位或俯仰步进电机限位，进而使方位或俯仰电机停转或执行限位中断服务程序。
2.2.3模拟信号采样本系统有多路模拟量的采样。监视车体运动变化的器件是陀螺仪，陀螺仪会随着车体位置变化，产生强弱变化的模拟电压信号，经过调整电路，得到〃方位“、〃俯仰〃两路模拟信号，经80C196KC的P0口，送入其内部A/D转换器。因为芯片内部的A/D转换器是单极性的，所以此两路模拟输入信号需大于零，这可以通过输入前的调整电路调整获得；否则为了得到输入信号的极性，采用一过零比较器来获得。
〃方位“、〃俯仰〃分别是指天线水平方向和垂直方向的位置。通过A/D转换，对转换结果进行运算，得到水平方向和垂直方向步进电机所需转动的数值。
此外，控制水平和垂直方向的两台步进电机都有最大转动角度的限位开关，“俯仰〃限位为0~68°，”方位〃限位为0~360°，可自行设定。
口输入，应外接上拉电阻，以保护芯片。
0000只~丑尸尸尸而。000只~尸尸尸尸只的地址被D/A占用，用来给出D/A的数字量值，输出VoutA~VoutB的模拟量电压值接入步进电机驱动电路，作为电压和进行细分。
2.4步进电机的锁定在机车的运行过程中，由于颠簸、冲撞和惯性，在电机停转时，步进电机转轴会因为上述因素而发生扭动或偏转，从而影响找星的准确性，因此，在电机停转时，要给电机转轴一个锁定力矩，锁定电机主轴。
电机静止时，电路的1、2端为高电平；3717的7、9脚为控制输出驱动电流端，当7、9脚都为0时，3717的AO、B0端输出最大平均电流，为1时，输出电流为0.如所示，在电机静止时，HSO.0和HSO.1可控制步进电机（方位）输入电流的大小（HSO.2和HSO.3控制俯仰电机）。
根据步进电机的结构和工作原理（如），A相绕组首先通电产生AA'轴线上的磁通，并通过转子形成闭合回路，这A、A'极就成为电磁的N、S极，在磁场作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是1、3对齐A、A'的位置，接着B相通电（A相不通），转子便顺时针转动90与B、B'极对齐，这样循环通电，电机便转动起来。如果A、B相都通电，转子转到两个磁拉力平衡时，锁定不动。以上是简单原理。实际上，转子齿数很多，如果A相主通电，既通电时间长，平均电流大磁力大，B相辅通电，即通电时间短，磁力小，而且转子齿数多，B相附近也有接近对齐的转子齿，因此锁定时，转子转到磁拉力平衡时，转动极小，从而保证了控制方位和俯仰的精确性。A、B相都通电，并且A相主锁定，比A相单独通电的锁定磁力大。
在实际设计中，在电流大小安全的范围内，调整出步进电机转子合适的HSO.0和HSO.1的波形。
3软件设计在软件设计方面，主要是车载卫星天线系统的初始化、寻星、跟踪和随动。初始化是指系统启动后各参数的设定，包括：卫星的初始角度；中断的设置；定时器的设置；记录初始环境噪声电平V0；驱动电路所需各种波形的初始值；各个寄存器标志的设定；寄存器窗口的选择，等等。
寻星部分的软件设计主要是按照一定方式寻找到卫星，在采样信号电压值大于2倍的初始环境噪声电平后，就认为找到卫星了。其中包括：2度俯仰寻星；水平方位寻星。
跟踪卫星部分是指找到卫星后的精确定位。由于在寻星后，只是大致寻找到卫星的方向，在正确方向上有1的误差，卫星天线将在1范围内做圆锥扫描，最终找星定位。这里的任务主要有：水平方位步进电机的跟踪；垂直俯仰步进电机的跟踪。
卫星天线的随动是指卫星天线能够随着运动物体位置和方向的变化而改变，始终指向卫星的方向，从而确保接收的卫星信号最强，使得接收效果最佳。
本系统监视车体运动变化的器件是陀螺仪，陀螺仪会随着车体变化，产生强弱变化的模拟信号，通过A/D转换，单片机对转换结果进行运算，得到水平方向和垂直方向步进电机所需转动的数值。
在本系统中的主程序框图和中断程序框图如。
中断处理判断俯仰限制|俯仰限制中断返回-中断返回主程序流程步进电机运转及锁定程序设计利用80C196KC的HISO的功能特性，其功能的实现不占用CPU的开销。以下为实现该电机锁定HSO波形代码：4结束语系统采用Intel 16位单片机80C196KC，充分运用其高速输出器HSO的不占用CPU开销的特色，产生信号波形精确，对步进电机运转和锁定进行有效地控制，从而使天线找星准确，适合用于火车、汽车、轮船等交通运输工具中的电视节目接收，具有很高的投资价值和实用价值。
