Luận văn Tự động điều chỉnh anten thu vệ tinh

llite (Vệ tinh). Ground Repeater (Trạm lặp mặt đất). Radio Receiver (Trạm nhận). Truyền tin qua vệ tinh có thể xem như một bước phát triển nhảy vọt của thông tin vô tuyến chuyển tiếp. Ý tưởng về các trạm chuyển tiếp vô tuyến đặt trên độ cao lớn để tăng tầm chuyển tiếp đã có từ trước khi các vệ tinh nhân 2 tạo ra đời. Năm 1945, Athur C. Clark đã công bố các ý tưởng về một trạm chuyển tiếp vô tuyến nằm ngoài trái đất, bay quanh trái đất theo quỹ đạo đồng bộ với chuyển động quay của trái đất, t c là các vệ tinh địa tĩnh. Năm 1955, J. R. Pierce đã đề xuất các ý tưởng cụ thể về thông tin vệ tinh và vệ tinh viễn thông. Các tiến bộ vượt bậc trong kỹ thuật không gian trong giai đoạn đó đã cho phép các ý tưởng này sớm trở thành hiện thực. Thông tin vệ tinh đặc biệt có ưu thế trong các trường hợp: - Cự ly liên lạc lớn; - Liên lạc điểm đến đa điểm trên phạm vi rộng cũng như phạm vi toàn cầu; - Liên lạc đến các trạm di động trên phạm vi rộng (tàu viễn dương, máy bay, các đoàn thám hiểm...). Vệ tinh thông tin là vệ tinh ng dụng của thông tin vô tuyến dùng vào điện báo, điện thoại, fax, truyền phát thanh, truyền hình. Nó có thiết bị thông tin chuyên dụng - thiết bị thu phát anten và thiết chị chuyển phát. Vệ tinh thông tin phải phóng lên quỹ đạo cùng bước hình tròn trên bầu trời của quỹ đạo cách đất 35.860km. Chùm sóng của một vệ tinh thông tin có thể phù sóng trên 1/3 bề mặt trái đất. Do đó, chỉ cần phân bố đều 3 vệ tinh trên quỹ đạo cùng bước thì có thể thực hiện thông tin toàn cầu. Do diện tích phủ sóng của thông tin rộng, khoảng cách thông tin xa, dung lượng lớn, chất lượng truyền tải và độ tin cậy cao, tính linh hoạt lớn nên trở thành một trong những biện pháp tiên tiến của thông tin vô tuyến điện hiện đại. Hiện nay, tổ ch c vệ tinh thông tin quốc tế đã có hơn 100 nước tham gia. Trên quỹ đạo cùng bước có hơn mười vệ tinh và hình thành nên một mạng lưới thông tin toàn cầu. Có hơn 1000 trạm mặt đất đặt ở các nơi trên thế giới 3 đảm nhiệm trên 60% vô tuyến quốc tế, phát triển truyền hình vượt đại dương, còn có hơn 20 nước thuê máy chuyển phát nữa, dùng làm thông tin trong nước và nước ngoài. Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện truyền thông rất phong phú và đa dạng. Thể hiện từ các hệ thống thông tin vệ tinh toàn cầu kết nối số liệu và lưu lượng thoại lớn cho đến các vệ tinh quảng bá cho các chương trình truyền hình. Trước đây, khi chưa có truyền hình vệ tinh, để xem các sự kiện lớn trên khắp thế giới khán giả truyền hình phải chờ chuyển băng hình theo đường hàng không đến chậm cả tuần. Ngày nay, với truyền hình vệ tinh chúng ta có thể xem ngay khi sự kiện đang diễn ra với chất lượng hình ảnh tốt. Truyền hình vệ tinh thực chất là một hệ thống sử dụng đường truyền vô tuyến qua vệ tinh, được sử dụng để cung cấp các chương trình truyền hình tới người xem trên toàn thế giới. Các tín hiệu truyền hình trong hệ thống truyền hình vệ tinh quảng bá thường được nén kỹ thuật số, cho phép nhiều chương trình được chuyển tiếp từ một bộ phát đáp đơn trên vệ tinh. Về mặt kỹ thuật, một hệ thống truyền hình vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS: Direct Broadcast Satellite) có 3 thành phần chính: - Trạm phát tín hiệu vệ tinh/đường lên - Vệ tinh chuyển tiếp trên quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostatinary Earth Orbit) - Thiết bị thu truyền hình vệ tinh tại nhà khách hàng Trạm phát tín hiệu vệ tinh: Giống như các hình th c khác của thông tin vệ tinh, tín hiệu dịch vụ DBS bắt nguồn từ mặt đất. Các kênh cơ bản của dịch vụ DBS thông thường được truyền đến thiết bị liên kết vệ tinh thông qua kết nối cáp của mạng mặt đất. Các tín hiệu liên kết vệ tinh cũng có thể được sử dụng để cung cấp nội dung chương trình cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình 4 khác (như các công ty truyền hình vệ tinh hoặc truyền hình cáp). Ngày càng nhiều các nhà cung cấp dịch vụ DBS để cung cấp các kênh truyền hình vệ tinh. Các anten trạm phát vệ tinh đường lên thường khá lớn, thông thường có đường kính (9m  12m). Điều này đóng một vai trò quan trọng trong việc tập trung năng lượng và cung cấp cường độ tín hiệu cao hơn cho các vệ tinh trên quỹ đạo. Các tần số liên kết với vệ tinh nằm ở một dải tần số riêng phù hợp với bộ phát đáp vệ tinh. Hình 1.2 dưới đây cho thấy tổng quan về quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống DBS. Hình 1.2: Truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống DBS Nhìn chung, nội dung thông tin nhận bởi thiết bị đường lên không bị thay đổi. Tuy nhiên, thiết bị đường lên không cung cấp một số ch c năng quan trọng. Những ch c năng này bao gồm sự điều chỉnh và tái đồng bộ của 5 tín hiệu đến. Trong trường hợp nội dung được ghi lại trước, điều này cũng liên quan đến việc kiểm soát chất lượng và các ch c năng phát lại. Nội dung chương trình cũng được sao chép từ các băng chủ và được lưu trữ trên các máy chủ video phát sóng trên kênh vệ tinh phù hợp theo lịch trình/hướng dẫn chương trình điện tử (EPG: Electronic Program Guide). Truy cập có điều kiện tạo nên một phần rất quan trọng của mô hình kinh doanh dịch vụ DBS và các nhà cung cấp dịch vụ DBS cần phải làm thế nào đó để khách hàng sử dụng và trả tiền cho dịch vụ này. Thiết bị phát sóng cũng cung cấp các ch c năng xử lý tín hiệu quan trọng như nén nội dung video và audio. Nội dung chương trình thường được nén (từ khoảng 270 Mb/s) thành khoảng 1 10 Mb/s trước khi truyền. Điều này giúp tăng cao số lượng các kênh trên một băng thông nhất định. MPEG là chuẩn mã hóa phổ biến nhất được sử dụng trong khi khóa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) là sơ đồ điều chế phổ biến nhất được sử dụng bởi dịch vụ DBS. Các vệ tinh quảng bá GEO: Việc quảng bá tín hiệu từ đường lên DBS được thực hiện bởi bộ phát đáp RF thích hợp (một phần của bộ chuyển tiếp dịch tần số) trên vệ tinh. Hầu hết các vệ tinh viễn thông chỉ đơn giản là các trạm chuyển tiếp vô tuyến với nhiều bộ phát đáp ở trên vệ tinh. Mỗi bộ phát đáp có băng thông vài chục MHz. Hoạt động đặc trưng của một bộ phát đáp thường được xem như bộ chuyển tiếp vô tuyến bởi vì thực tế các tín hiệu đường lên thường được khuếch đại và dịch tới một tần số khác (được gọi là đổi tần) để tránh giao thoa với tín hiệu đường lên trước khi được gửi trở lại đường xuống. Các vệ tinh GEO sử dụng cho dịch vụ DBS có xu hướng giống với các vệ tinh được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin truyền thống (hình 1.3). 6 Từ giữa những năm 1990, các vệ tinh được triển khai cho các dịch vụ DBS tăng đột biến về cả kích thước và trọng lượng. Tuy nhiên việc tăng kích thước và trọng lượng này mang đến nhiều lợi ích cho các dịch vụ DBS. Những tấm panel pin mặt trời lớn ở hai bên cho phép tạo ra công suất DC lớn hơn và các anten lớn hơn tạo điều kiện định hướng các chùm sóng đường xuống tốt hơn. Hình 1.3: Một vệ tinh GEO điển hình được triển khai cho các dịch vụ DBS Như được biểu diễn ở hình 1.4, một vệ tinh DBS bao gồm các bộ chuyển tiếp dịch tần số. Máy thu băng thông rộng để nhận tín hiệu đường lên và chuyển đổi thành tần số đường xuống (bộ khuếch đại tạp âm nhỏ và đổi tần: LNB). Sau đó là các bộ phát đáp với mỗi phát đáp gồm: Một bộ khuếch đại tự động điều chỉnh độ lợi (AGC: Automatic Gain Control) và một bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWT: Travelling Wave Tube) công suất cao. Mỗi bộ khuếch đại TWT thường có m c công suất tối đa 240W. 7 Hình 1.4: Cấu trúc bộ chuyển tiếp sóng mang RF trên vệ tinh GEO. 1.2 Thông tin vệ tinh của Việt Nam Với bốn vệ tinh được đưa vào trong vũ trụ, Việt Nam dần ch ng tỏ khả năng tiếp cận với công nghệ không gian, phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng. - Vinasat-1: Là vệ tinh viễn thông địa tĩnh đầu tiên của Việt Nam (vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh mà ta quan sát nó từ trái đất dường như nó đ ng im trên không). Hình 1.5: Vệ tinh Vinasat-1 8 Điều kiện để có vệ tinh địa tĩnh là nó phải phóng sao cho mặt phẳng xích đạo của nó nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất, chuyển động theo chiều quay của trái đất và có chu kỳ quay bằng đúng chu kỳ quay của trái đất. Như vậy nó phải ở độ cao tối thiểu là 35.880km và có V = 3,07km/s). Vệ tinh vào vũ trụ năm 2008 có chiều cao 4m, nặng 2.600kg, nó có tuổi thọ 15-20 năm. -Vinasat-2: Là vệ tinh viễn thông địa tĩnh của Việt Nam, được phóng vào vũ trụ ngày 16/5 năm 2012 tại bãi phóng ở Kourou Guyana bằng tên lửa Ariane5 ECA. Giống như Vinasat-1, đối tác triển khai dự án Vinasat-2 vẫn là Lockheed Martin, với việc cung cấp vệ tinh, thiết bị trạm điều khiển và dịch vụ phóng cho vệ tinh viễn thông. Hình 1.6: Vệ tinh Vinasat-2 9 - Dự án chế tạo vệ tinh F-1 đã chính th c được bắt đầu vào ngày 13/11/2008, chế tạo mô hình BBM hoàn thành trong năm 2009, mô hình kỹ thuật EM hoàn thành năm 2010 và mô hình bay FM trong năm 2011. Vệ tinh F-1 đã được phóng lên vũ trụ thành công vào 9 giờ 6 phút ngày 21/7/2012 từ trung tâm vũ trụ Tanegashima (Nhật Bản) trên tên lửa đẩy H-IIB. Nó đã được thả ra khỏi Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) vào ngày 4/10/2012 bằng cánh tay robot để bắt đầu nhiệm vụ của mình. Vệ tinh F-1 do nhóm FSpace nghiên c u và chế tạo, với mục tiêu là phải "sống" trong không gian và phát tín hiệu về trạm điều khiển trái đất, chụp được ảnh độ phân giải thấp (640x480) của trái đất và tốc độ truyền dữ liệu từ vệ tinh đạt 1.200 bit/giây. Tuy nhiên, đến nay vệ tinh vẫn chưa phát tín hiệu, nguyên nhân có thể do mạch sạc của vệ tinh gặp sự cố nên không được cung cấp năng lượng từ tấm pin mặt trời. Hình 1.7: Vệ tinh F-1 10 - VNREDSat-1: Là vệ tinh quang học quan sát Trái Đất, có khả năng chụp ảnh toàn bộ các khu vực trên bề mặt Trái Đất. Hệ thống vệ tinh VNREDSat-1 là hệ thống vệ tinh quan sát Trái Đất đầu tiên của Việt Nam. Vệ tinh VNREDSat-1 do Công ty EADS Astrium (Pháp) thiết kế, chế tạo và được ch ng nhận đủ điều kiện để đưa lên quỹ đạo. Vệ tinh VNREDSat-1 được phóng thành công lên quỹ đạo ngày 7/5/2013. Hình 1.8: Vệ tinh VNREDSat-1 11 Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 2.1 Tổng quan về chuyền hình số vệ tinh Việt nam Truyền hình kỹ thuật số vệ tinh Direct to Home (DTH) là công nghệ truyền hình lâu đời mà vẫn đạt hiệu quả cao vì những ưu điểm của công nghệ này mang lại. Đặc điểm của truyền hình kỹ thuật số vệ tinh là luôn sử dụng chảo parabol để thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh vào thẳng đầu giải mã kỹ thuật số. Hình 2.1: Công nghệ truyền hình kỹ thuật số vệ tinh Ưu điểm lớn nhất của truyền hình kỹ thuật số vệ tinh DTH là vùng phủ sóng rộng. Vệ tinh Vinasat của Việt Nam có thể phủ sóng toàn bộ lãnh thổ của Việt Nam (bao gồm cả đất liền và biển đảo). Ngoài ra còn phủ sóng sang cả các nước lân cận. Nhược điểm lớn nhất của truyền hình kỹ thuật số vệ tinh là ảnh hưởng tín hiệu đường truyền bởi mưa bão. Vì khi trời mưa, mây đen che mất vệ tinh, 12 chảo thu không nhìn thấy vệ tinh nên gây ra gián đoạn tín hiệu (giật hình, vỡ hình). Ngoài ra truyền hình số vệ tinh còn phải quay về một hướng cố định. Hiện nay tại Việt Nam có 4 đơn vị đang khai thác sử dụng công nghệ truyền hình kỹ thuật số vệ tinh là Truyền hình An Viên, truyền hình VTC, truyền hình K+ và truyền hình HTV. Tất cả đều đang sử dụng băng tần của vệ tinh Vinasat của Việt Nam. 2.2 Thiết bị thu truyền hình vệ tinh Thiết bị điển hình được sử dụng để thu và giải mã tín hiệu DBS được minh họa trong hình 2.2. Thiết bị này bao gồm một anten thu có mặt phản xạ hình parabol được sử dụng để phản xạ tín hiệu vệ tinh tới loa thu. Tiếp theo loa thu được đặt tại tiêu điểm của anten và nằm phía trước của ống dẫn sóng được sử dụng để đưa tín hiệu thu tới bộ khuếch đại tạp âm nhỏ và đổi tần (LNB). Hình 2.2: Một anten thu điển hình và bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver Decoder). Kích thước miệng loa thu thường là bằng khoảng bước sóng, 10 cm với băng C, 4 cm với băng Ku, 1 cm với băng Ka. Chính giữa miệng loa thu là một 13 hốc hội tụ, còn gọi là phễu hội tụ, đáy phễu là hai kim thu phân cực vuông góc với nhau (phân cực dọc và phân cực ngang). Kim thu đưa tín hiệu thu được tới mạch khuếch đại nhiễu thấp và đổi tần (LNB) LNB nhận điện áp DC cấp qua cáp đồng trục, tạo ra sóng trung tần băng L (950 ÷ 1450) MHz, sóng từ đó được đẩy vào cáp truyền hình 75 Ω nối LNB với đầu thu giải mã tích hợp để cung cấp tín hiệu trung tần cho bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver Decoder). Bộ IRD bao gồm các thành phần ch c năng quan trọng cần thiết cho dịch vụ DBS. Đó là bộ giải điều chế QPSK, bộ tái tạo tín hiệu truyền hình, bộ chọn kênh IF, bộ giải mã FEC, bộ phân kênh dòng, bộ giải mã (để truy cập có điều kiện), và bộ giải mã MPEG (video/audio). Theo quy định, truyền hình quảng bá trực tiếp đến máy thu TV được thực hiện trong băng tần Ku (12 GHz). Dịch vụ này được gọi là dịch vụ vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS. Tùy thuộc vào vùng địa lý ấn định băng tần có thể thay đổi. 2.3 Tự động tìm kiếm thu truyền hình vệ tinh Hình 2.3: Sơ đồ của hệ thống tự động tìm kiếm thu truyền hình vệ tinh AZ Anten EL Bộ khuếch đại tạp nhiễu thấp Hệ thống cơ khí Đầu thu giải mã Bộ điều khiển anten Màn hình 14 Hiện nay thông tin truyền thông ngày càng phát triển mạnh. Để phủ sóng trên diện rộng các vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo và các đối tượng di động như xe ô tô đường dài, xe lửa, tàu viễn dương, tàu đánh cá, máy bay, dùng phương pháp thu phát qua vệ tinh, mà thu phát qua vệ tinh có hướng tính cao. Muốn thu tín hiệu lớn nhất và không bị giãn đoạn thì anten parabol phải luôn cố định ở góc phương vị (góc đo đông từ phía bắc trong mặt phẳng ngang) và góc ngẩng (góc giữa đường ngắm tới vệ tinh và mặt phẳng nằm ngang địa phương), vì vậy anten thu phải tự động điều chỉnh để thu được tín hiệu lớn nhất. 2.4 Phương pháp tìm kiếm và thuật toán theo dõi thu truyền hình vệ tinh Trong thông tin vệ tinh di động, có những hệ thống được gắn trên các thiết bị di động như tàu thủy, xe lửa, xe hơi hoặc máy bay. Để nhận được tín hiệu liên tục, hệ thống ăng-ten phải đảm bảo được ở cả hai góc phương vị và góc ngẩng để bám theo một vệ tinh. Khả năng bám theo phụ thuộc vào độ rộng búp sóng của anten và tốc độ chuyển động của các thiết bị di động. Hệ thống theo dõi vệ tinh thể hiện trong hình 1 (trong đó bao gồm một ăng-ten, bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNB) một đầu thu giải mã (set-top box tuner), bộ điều khiển ăng ten (ACU) và hệ thống cơ khí, màn hình. Hệ thống thu tín hiệu vệ tinh sử dụng các thuật toán theo dõi khác nhau và các phương pháp điều khiển khác nhau như bộ điều khiển PID truyền thống đã được áp dụng cho hệ thống tự động điều khiển Anten bám theo vệ tinh, thuật toán theo dõi bước với bộ điều khiển được sử dụng cho việc thiết kế vòng lặp theo dõi, cả hai phương pháp điều khiển PID và PID mờ truyền thống đã được sử dụng cho hệ thống tự động điều khiển Anten bám theo vệ tinh. 15 2.4.1 Phương pháp tìm kiếm vệ tinh Có hai loại phương pháp tìm kiếm vệ tinh: cơ khí và điện. Trong phương pháp cơ học, cả hai góc phương vị và góc ngẩng của Anten được kiểm soát bằng cách nhấn phương vị sang phải hoặc sang trái và nhấn góc ngẩng lên hoặc xuống. Đối với phương pháp điện tử, hệ thống tìm kiếm được thực hiện bằng cách tự động xoay Anten theo góc phương vị và góc ngẩng mà đã được tính toán bằng chương trình phần mềm. Hệ thống này được áp dụng các thuật toán theo dõi bước và phương pháp điều khiển mờ. Th nhất, hệ thống theo dõi sử dụng các phương pháp điều khiển PID thông thường để có được các thông số quan trọng của việc điều khiển Anten và vòng ổn định. Tuy nhiên, do đặc tính phi tuyến của động cơ DC, bộ điều khiển PID có thể không hoạt động chính xác trong quá trình điều hành. Vì vậy một bộ điều khiển PID mờ đã được áp dụng để điều chỉnh các thông số phi tuyến của động cơ DC. Hình 2.4: Phương pháp theo dõi và tìm kiếm vệ tinh Để thực hiện quá trình tìm kiếm một vệ tinh, chúng ta phải căn c vào các thông số của các trạm vệ tinh và mặt đất. Một trạm mặt đất được đặt tại Phương pháp tìm kiếm Phương pháp theo dõi Cơ khí Vòng lặp kín Điện tử Vòng lặp mở 16 một điểm được biết đến trên bề mặt của Trái đất và được xác định bằng kinh độ O. Vệ tinh địa tĩnh được xác định bởi kinh độ AG và độ cao so với mặt đất. Các tham số này có thể tính toán góc phương vị và góc ngẩng cho các vệ tinh địa tĩnh. Căn c vào các thông số hệ thống có thể điều khiển tự động hoặc bằng tay các anten trạm mặt đất để bám theo vệ tinh. 2.4.2. Thuật toán theo dõi bước Thuật toán theo dõi bước có hai phương pháp, cụ thể là phương pháp vòng lặp mở và phương pháp vòng kín. Phương pháp vòng lặp mở sử dụng thông tin của vị trí điện thoại di động từ máy thu và góc cảm biến GPS. Ngược lại, phương pháp vòng kín sử dụng các tín hiệu vệ tinh để theo dõi nó. Sơ đồ thuật toán theo dõi bước được thể hiện trong hình 2.5. Hình 2.5: Sơ đồ thuật toán theo dõi bước Hệ thống điều khiển hoạt động ở chế độ bằng tay hoặc tự động tìm kiếm thông qua các thông số của trạm mặt đất và vệ tinh. Sau đó hệ thống sẽ chuyển sang chế độ theo dõi bước. Trong chế độ này, các hệ thống điều khiển sẽ thực hiện quá trình theo dõi cho đến khi AGC m c tín hiệu là trên m c ngưỡng và trạng thái theo dõi giữ giai đoạn nhàn rỗi. Khi hệ thống nhận di chuyển, nếu m c tín hiệu AGC giảm giữa các m c ngưỡng, hệ thống theo dõi Tìm kiếm Theo dõi bước IDLE AGC>Thres Khởi động 17 sẽ chuyển sang chế độ tìm kiếm. Khi chế độ theo dõi bước khởi động, hệ thống điều khiển Anten đặt bước ngưỡng ban đầu, sau đó m c tín hiệu thu được sẽ được sử dụng để so sánh với m c tín hiệu trước khi di chuyển. Nếu tín hiệu nhận được đã tăng lên, các Anten tiếp tục chuyển dịch một bước trong cùng một hướng. Nếu m c tín hiệu nhận được giảm xuống, các Anten di chuyển theo hướng ngược lại. Bước theo bước biến, Anten thu có thể theo dõi các điểm của m c tín hiệu cao nhất. Thuật toán này có những ưu điểm cấu hình hệ thống đơn giản và chi phí thấp vì thuật toán này chỉ sử dụng thông tin phản hồi về m c độ tín hiệu nhận được. 18 Chương 3: Thiết kế và chế tạo cơ cấu tự động tìm góc hướng thu truyền hình vệ tinh 3.1. Thiết kế chế tạo phần cơ khí Anten thu truyền hình vệ tinh dùng chảo parabol đường kính 0,6 mét trên có gắn bộ khuếch đại tạp âm thấp cổng thu hướng vào tâm chảo. Muốn thu được tín hiệu từ vệ tinh chảo parabol phải đảm bảo lòng chảo hướng về vệ tinh cần thu, do vậy phải đúng hai góc đó là góc phương vị (góc đo đông từ phía bắc trong mặt phẳng ngang) và góc ngẩng (góc giữa đường ngắm tới vệ tinh và mặt phẳng nằm ngang địa phương). Giá đỡ chảo thu phải có hai khâu quay. Thiết kế giá đỡ có hai khâu quay trục đ ng và trục ngang, khâu quay trục đ ng 3590, khâu quay trục ngang 900. Như vậy hệ thống sẽ quét kín nửa mặt cầu Hình 3.1: Cơ cấu quay tìm hướng anten mô phỏng 19 3.1. 1. Tính toán tải trọng chọn moter * Số liệu thiết kế - Lực vòng xích tải F = a (N) - Vận tốc xích tải V = 0,02 (m/s) - Số răng đĩa xích tải Z = 25 - Bước xích tải T = 6,35 mm * Chọn động cơ điện - Công suất trên trục công tác ( ) 1000 F V P    0,00002P a kW  - Hiệu suất bộ truyền động x oln n n  0,95 0,995 0,94525n    + xn : hiệu suất bộ truyền xích + oln : hiệu suất 1 cặp ổ lăn 0,00002 0,94525 ct a P     0,000021158ctP a kW   * Số vòng quay trục công tác - Hệ dẫn động xích tải 60000 xt V N Z T      60000 0,02 7,55 / 25 6,35 xtN v p     20 - Chọn tỉ số truyền 25 11 u   /dc xtn N u v p     7,55 25 18 / 11 dcn v p     =>> Moment cần thiết của động cơ Mdc 69,55 10ct dc dc P M n     6 621,158 10 9,55 10 18 a      11,225 N/a mm  Chọn động cơ bước 57HS5630A4 (chịu tải 3A, moment xoắn 1,2 N/m) - Sử dụng tải hợp lý sao cho moment cần thiết động cơ M = 1,2 N/m 1200 11,225 a   106,9a N  Hình 3.2: Motor step 21 3.1.2 Gia công chi tiết cơ khí Hình 3.3: anten thu đã gia công cơ khí Đế anten gắn trục đ ng để đỡ toàn bộ anten, phía dưới gắn chân đ ng, cảm biến hành trình trục dọc, gắn part đỡ motor, gắn các board mạch. 22 3.2. Thiết kế phần điều khiển anten thu 3.2.1. Sơ đồ khối Hình 3.4: Sơ đồ khối điều khiển anten thu 3.2.2 Systick timer của STM32 Systick timer là bộ định thời (bộ đếm thời gian) dành riêng cho hệ điều hành thời gian thực (RTOS). Nhưng nó cũng có thể được sử dụng như một bộ đếm chuẩn. - Systick timer của STM32 M C U S T M 3 2 F -1 0 3 DRIVER-1 CONTROL PWM 1 DRIVER-2 CONTROL PWM 2 LIMIT SENSOR MOTOR 1 PA8, PA9 LIMIT SENSOR MOTOR 2 PA10, PA11 ADC1 STEP DRIVER 1 STEP DRIVER 1 M M Signal Feedback 2 23 Các tính năng của bộ systick timer gồm có: + Thanh ghi counter 24 bits. + Khả năng tự nạp lại thanh ghi. + Khả năng tạo interrupt khi counter đếm về 0. + Có thể lập trình nguồn clock. - Cách tính interrupt systick timer Với clock system là 72Mhz, với mỗi xung clock thì counter đếm lên 1 đơn vị  vậy ta có thời gian để counter đến lên 1 đơn vị là T = 1/f (s), với f là clock system. Để tạo even sau mỗi thời gian nhất định thì ta phải nạp giá trị counter phù hợp cho bộ systick theo công th c sau. + Counter = clock system  even occur 1s + Counter = clock system / time divide  even occur after 1s/time divide Ví dụ : counter = clocksystem/1000  even xảy sau sau 1ms. - Cấu hình systick timer Cấu hình systick timer tạo even sau 1ms: if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000)) { /* Capture error */ while (1); } Hàm interrupt sau mỗi even. void SysTick_Handler(void) { // Your code here } 24 3.2.3 USART USART (Universal synchronous asynchronous receiver transmitter): là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ hoặc không đồng bộ. Truyền thông nối tiếp: RS232, RS458. Khung truyền phổ biến nhất là: start bit + 8bit data + stop bit. Hình 3.5: Truyền thông nối tiếp - USART của STM32 STM32 có 3 bộ USART: USART1, high speed (APB2) và USART2/3 low speed (APB1). Các tính năng của bộ USART gồm có: + Đầy đủ các tính năng lập trình của bộ truyền thông nối tiếp: 8 hoặc 9 bit data; Even, old hoặc no-parity được tạo ra hoặc được phát hiện; 0.5, 1, 1.5 hoặc 2 stop bit; Có thể lập trình được tốc độ baud; Điều khiển luồng bằng phần c ng (CTS/RTS). + Có thể lập trình tốc độ baud rate với bộ số thực, và tốc độ có thể đạt đến 4.5Mbits/S + Có ngắt truyền và ngắt nhận. + Hỗ trợ DMA. + Hỗ trợ 10 nguồn interrupt dể dàng cho người dùng + Hỗ trợ giao tiếp LIN Master/Slave + Hỗ trợ giao tiếp đồng bộ (chỉ hỗ trợ Master) 25 + Hỗ trợ IRDA SIR giải mã, mã hóa + Hỗ trợ giao tiếp 1 dây bán song công + Hỗ trợ giao tiếp nhiều bộ xử lý. Tính năng USART DMA + Hỗ trợ DMA cho cả TX và RX. + Có thể kết nối với riêng lẽ với các kênh DMA, hỗ trợ truyền gửi liên tục theo hai hướng (USART – DMA). USART Synchronous mode: USART hỗ trợ giao tiếp đồng bộ song công: + Song công (truyền nhận đồng thời), 3 đường tín hiệu cho việc truyền đồng bộ. + Chỉ sử dụng trong master mode. + Có thể lập trình được clock polarity (CPOL) và phase (CPHA). + Có thêm đường transmitter clock output (SCLK) Hình 3.6: USART truyền nhận đồng thời USART single wire half duplex mode + USART hỗ trợ giao tiếp đồng bộ bán song công (chỉ sử dụng chân Tx). + Sử dụng 1 đường truyền với giao th c bán song công. Master ST USART SCLK RX TX Slave ST SPI SCK MSO MOSI NSS 26 Hình 3.7: UART Chế độ half duplex đơn dây USART Asynchronous duplex mode: Hình 3.8: USART chế độ song công không đồng bộ USART Fraction baud rate  16 usartdiv CKfTx Rx baud    Legend: fCK – Input clock to the periperal (PCLK1 for USART2, 3, 4, 5 or PCLK2 for USART1) + USARTDIV là một số thực gồm 2 phần: phần nguyên (Mantissa) và phần thập phần (Fraction). Trong đó: 12 bit Mantissa, 4 bit Fraction. USART2 ST TX USART1 ST TX R = 1 0 K Ω VCC ST USART RX TX ST USART TX RX 27 Bảng 3.1: Tính sai số cho tốc độ truyền lập trình - Cấu hình UART trong STM32 Cấu hình Clock ngoại vi: /* Enable GPIOA clocks */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); /* Enable UART clock */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); Cấu hình port IO /* Configure PA9 for USART Tx as alternate function push-pull */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /* Configure PA10 for USART Rx as input floating */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; 28 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStru