Luận văn thạc sĩ tự động điều chỉnh anten thu vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐÀO VĂN HUY TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ANTEN THU VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã ngành: 60520114 TP HCM, tháng năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐÀO VĂN HUY TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ANTEN THU VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã ngành: 60520114 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương TP HCM, tháng năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM Ngày 28 tháng năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ tên PGS TS Huỳnh Châu Duy PGS TS Nguyễn Hùng TS Võ Hồng Duy PGS TS Ngơ Cao Cường TS Đoàn Thị Bằng Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV PGS TS Huỳnh Châu Duy TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 12 tháng năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đào Văn Huy Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23-05-1972 Nơi sinh: Nam Định Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1541840002 I- Tên đề tài: Tự động điều chỉnh anten thu vệ tinh II- Nhiệm vụ nội dung: - Nghiên c u thông tin vệ tinh - Nghiên c u truyền hình số vệ tinh - Thiết kế chế tạo cấu tự động tìm góc hướng anten, thu truyền hình vệ tinh III- Ngày giao nhiệm vụ: 7-10-2016 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 11-5-2018 V- Cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Thanh Phương KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS Nguyễn Thanh Phương i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên c u riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Đào Văn Huy ii LỜI CẢM ƠN Đề tài hoàn thành hỗt trợ động viên nhiều từ gia đình, người thân, đồng nghiệp thầy bạn bè thân thuộc Đó tình cảm thật đáng trân trọng khơng đền đáp hết, thật phấn khởi thấy người ln bên cạnh hồn cảnh khó khăn Dù nơi đâu, tơi nhớ ghi sâu tình cảm cao đẹp Cảm ơn gia đình, người thân ln đồng hành chia sẻ khó khăn đường học tập Đặc biệt cảm ơn thầy Nguyễn Phương động viên, khích lệ, tạo điều kiện hướng dẫn học tập nghiên c u để hoàn thành tốt đề tài luận văn Chân thành cảm ơn đồng nghiệp người bạn ln đồng hành tơi lúc khó khăn Cảm ơn quý thầy cô Khoa Điện – Điện Tử trường đại học HUTECH cảm thông tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian học tập trường Qua em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý thầy cô Hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ Cuối xin chúc gia đình, người thân, quý thầy cô, đồng nghiệp bạn bè s c khỏe hạnh phúc Học viên Đào Văn Huy iii TĨM TẮT Hầu hết tín hiệu vơ tuyến truyền khoảng 30 đến 40 dặm từ trạm vô tuyến Việc phải thay đổi trạm nhiều lần truyền khoảng cách dài qua nhiều khu vực làm cho tín hiệu bị “fade out” “fade in” Ngày trạm vơ tuyến phát tín hiệu 22.000 dặm mà tín hiệu phía đầu thu rõ nhờ việc phát sóng qua vệ tinh Hiện thông tin truyền thông ngày phát triển mạnh Để phủ sóng diện rộng (vùng sâu, vùng xa, Hải đảo)và 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 khơng bị giãn đoạn anten parabol phải ln cố định góc phương vị (góc đo đơng từ phía bắc mặt phẳng ngang) góc ngẩng (góc đường ngắm tới vệ tinh mặt phẳng nằm ngang địa phương), anten thu phải tự động điều chỉnh góc hướng để thu tín hiệu lớn Đề tài nghiên c u, chế tạo cấu quay anten tự động tìm góc hướng thu truyền hình vệ tinh Vinasat theo luật điều khiển PID phương pháp theo dõi bước iv ABSTRACT Most wireless signals can only transmit about 30 to 40 miles from the wireless station When stations are changed multiple times over long distances across multiple areas will cause the signal to be "fade out" or "fade in" Today, a wireless station can signal over 22,000 miles that the signal at the receiver is still visible through satellite broadcasting Nowadays, communication information develops rapidly For widing coverage (deep area, highland, island) and travelling objects such as longdistance cars, trains, ocean ships, fishing boats, aircraft), via satellite is applied, even high satellite navigation To receiving maximum and smooth signal, the parabolic antenna must always be fixed at the azimuth (East angles measured from the north in the horizontal plane) and the angle of incidence (angle between the line of sight to the satellite and the horizontal plane), so the receiving antenna must automatically adjust to obtain the maximum signals This thesis studied and manufactured the rotating antenna mechanism automatically to find to receive azimuth Vinasat satellite television according to the PID control law and step tracking method v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNGDANH MỤC CÁC HÌNH viii Chương 1: Tổng quan thông tin vệ tinh 1.1 Tổng quan thông tin vệ tinh 1.2 Thông tin vệ tinh Việt Nam Chương 2: Tổng quan lĩnh vực nghiên c u 11 2.1 Tổng quan chuyền hình số vệ tinh Việt nam 11 2.2 Thiết bị thu truyền hình vệ tinh .12 2.3 Tự động tìm kiếm thu truyền hình vệ tinh 13 2.4 Phương pháp tìm kiếm thuật tốn theo dõi thu truyền hình vệ tinh 14 2.4.1 Phương pháp tìm kiếm vệ tinh 15 2.4.2 Thuật toán theo dõi bước 16 Chương 3: Thiết kế chế tạo cấu tự động tìm góc hướng thu truyền hình vệ tinh .18 3.1 Thiết kế chế tạo phần khí 18 3.1 Tính toán tải trọng chọn moter .19 3.1.2 Gia cơng chi tiết khí 21 3.2 Thiết kế phần điều khiển anten thu 22 3.2.1 Sơ đồ khối .22 3.2.2 Systick timer STM32 22 3.2.3 USART .24 3.2.4 PWM (Pulse with modulation) 30 3.2.5 ADC 34 vi 3.2.6 DMA 39 3.2.7 STEPPER MOTOR DRIVER 42 3.3 Phần mềm 44 Chương 4: Kết luận hướng nghiên c u 45 4.1 Kết luận 45 4.1.1 Kết thực nghiệm 45 4.1.2 Hạn chế đề tài 46 4.2 Hướng phát triển đề tài 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 33 Trong STM32 tạo tín hiệu PWM dùng timer, PWM cho phép tạo tín hiệu với tần số xác định giá trị ghi TIMx_ARR duty cycle xác định giá trị ghi TIMx_CCRx Chế độ PWM lựa chọn độc lập kênh cách set giá trị OCxM ghi TIMx_CCMRx tương ng “110” (PWM mode 1) “111” (PWM mode 2).Giá trị tín hiệu PWM ngỏ xác định TIMx_CRRx TIMx_CNT: + Chế độ đếm lên, channelx active CNT< CCRx, ngược lại inactive + Chế độ đếm xuống, channelx inactive CNT> CCRx, ngược lại active Để cấu hình cho chế độ cần: - Kích hoạt đếm Hình 3.13: Xung kích đếm - Cầu hình chân ngỏ ra: + Chọn chế độ ngỏ cách ghi CCS bits ghi CCMRx + Chọn polarity by writing the CCxP bit ghi CCER 34 - Chọn chế độ PWM (PWM1 or PMW2) cách ghi OCxM bits ghi CCMRx - Chu kỳ duty cycle tương ng với giá trị ghi ARR CCRx - Set bit tự động tải lại ghi CCMRx ARPE bit ghi CR1 - Chọn chế độ đếm: + PWM canh lề: tương ng với chế độ đếm lên đếm xuống + PWM canh lề giữa: tương ng với chế độ đếm kết hợp đếm lên đếm xuống (CMS bits khác giá trị 00) - Kích hoạt capture compare 3.2.5 ADC ADC (Analog-to-digital converter): chuyển đổi tín hiệu dạng tương tự sang dạng số Quá trình chuyển đổi gồm bước: lấy mẩu chuyển đổi ADC ng dụng phổ biến lĩnh vực đo lường điều khiển, ví dụ: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng… - ADC STM32 Bộ ADC STM32 có độ phân giải 12-bit, có tới 18 kênh tín hiệu vào, 16 kênh tín hiệu ngoại kênh tín hiệu nội cảm biến nhiệt độ điện Các tính ADC gồm có: + Hoạt động chế độ Single (Access line) Dual (Performance) + Tốc độ chuyển đổi 1Mhz độ phân giải 12-bit + Điện áp cung cấp: từ 2.4V đến 6V + Tín hiệu đầu vào: VREF- ≤ VIN ≤ VREF+ 35 + Hỗ trợ 18 kênh tín hiệu đầu vào gồm có: 16 kênh tín hiệu ngoại kênh tín hiệu nội (cảm biến nhiệt độ điện thế) + Hỗ trợ nhóm kênh Regular Injected + Có chế độ chuyển đổi single continuous + Chế độ quét, đọc tín hiệu tuần tự, sử dụng nguồn kích ngoại cho hai nhóm kênh Regular Injected + Có thể cài đặt thời gian lấy mấu khác cho kênh + Canh lề liệu chế độ xét dấu +/- cho nhóm kênh Injected + Chế độ Analog Watchdog + Chế độ ngắt tạo sau kết thúc trình chuyển đổi (regular), kết thúc trình injected watchdog + Kết hợp với DMA để lưu liệu Hinh 3.14: Sơ đồ chuyển đổi ADC STM32 ADC Regular conversion group + Hỗ trợ tới 16 kênh 36 + Có thể lập trình thời gian lấy mẫu (sample time) th tự lấy mẫu kênh + Quá trình chuyển đổi bắt đầu phần mềm (start bit) nguồn kích ngoại + Interrupt/DMA xảy kết thúc trình chuyển đổi ADC Injected conversion group + Hỗ trợ tới kênh + Có thể lập trình thời gian lấy mẫu (sample time) th tự lấy mẫu kênh + Q trình chuyển đổi bắt đầu bằng: Phần mềm (Start bit); Tự động chuyển đổi nhóm Regular thực xong (JAUTO); Nguồn kích ngoại + Có thể điều chỉnh điểm 0, xét dấu cho kết chuyển đổi + Interrupt/DMA xảy kết thúc trình chuyển đổi ADC conversion mode + Single & Continuous mode Hình 3.15: chuyển đổi kênh - đa kênh, chuyển đổi đơn – liên tục Analog sample time + ADCCLK hỗ trợ tối đa 14MHz nhận clock từ PCLK2 37 + Thời gian lấy mẫu cho kênh: Hình 3.16: Thời gian lấy mẫu + Total conversion = Sample time + 12.5 cycles + Với clock 14MHz, thời gian lấy mẫu 1.5cycles, total conversion time = 1µs (14 cycles) ADC data alignment + bit để xác đinh canh lề data: trái hay phải + Bit dấu mở rộng cho nhóm kênh Injected ADC analog watchdog Hình 3.17: Sơ đổ ADC analog watchdog + Analog watchdog với ngưỡng high low (12-bit) 38 + Có thể hỗ trợ cho tồn kênh nhóm Regular Injected + Interrupt tạo ngưỡng high low phát - Cấu hình ADC STM32 Cấu hình Clock ngoại vi /* Configure clocks for ADC and GPIO PORT */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); Cấu hình port IO /* Configure PA.01 (ADC Channel1) as analog input -*/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); Cấu hình ADC /* ADCx configuration -*/ ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); /* ADC1 Regular Channel Configuration */ 39 ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_1,1,ADC_Sampl eTime_55Cycles5); /* Enable ADC1 */ ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); /*Enable Vrefint channel enable temperature sensor for ADC module*/ ADC_TempSensorVrefintCmd(ENABLE); /* Enable ADC1 reset calibaration register */ ADC_ResetCalibration(ADC1); /* Check the end of ADC1 reset calibration register */ while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); /* Start ADC1 calibaration */ ADC_StartCalibration(ADC1); /* Check the end of ADC1 calibration */ while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); /* Start ADC1 Software Conversion */ ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); Đọc liệu từ ADC adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1); 3.2.6 DMA DMA (Direct memory access): chế truyền liệu tốc độ cao từ ngoại vi tới nhớ từ nhớ tới nhớ Dữ liệu di chuyển cách nhanh chóng mà khơng cần tới tác vụ từ CPU, tiết kiệm tài nguyên CPU cho hoạt động khác - DMA STM32 40 Hình 3.18: Sơ đồ DMA STM32 STM32 có DMA với 12 kênh (7 kênh DMA1 kênh DMA2), quản lý việc truy cập nhớ từ nhiều ngoại vi DMA có ch c phân xử độ ưu tiên DMA request + 12 kênh DMA độc lập, thiết lập kênh DMA1 kênh DMA2 41 + Software trigger hỗ trợ cho kênh, lập trình phần mềm + Độ ưu tiên kênh DMA lập trình phần mềm (có cấp ưu tiên very high, high, medium, low) phần c ng + Phụ thuộc vào kích thước nguồn đích (byte, half word, word) Địa nguồn/đích phải phù hợp với kích thước liệu + Hỗ trợ truyền tải giữa: Memory to memory, Peripheral to memory, Memory to peripheral, Peripheral to peripheral + Có thể truy cập vào Flash, Sram, APB1, APB2 AHB nguồn đích + Dữ liệu truyền nhận hỗ trợ tới 65536 - Cấu hình DMA DMA_InitTypeDef + DMA_BuferSize + DMA_DIR DMA_DIR_PeripheralDST DMA_DIR_PeripheralSRC + DMA_M2M DMA_M2M_Disable DMA_M2M_Enable + DMA_Memory BaseAddr + DMA_Memory DataSize DMA_Memory DataSize_Byte DMA_MemoryDataSize_HalfWord DMA_Memory DataSize_Word + DMA_MemoryInc DMA_MemoryInc_Disable 42 DMA_MemoryInc_Enable + DMA_Mode DMA_Mode_Circular DMA_Mode_Normal + DMA_PeripheralBaseAddr + DMA_PeripheralDataSize DMA_PeripheralDataSize_Byte DMA_PeripheralDataSize_HalfWord DMA_PeripheralDataSize_Word + DMA_PeripheralInc DMA_PeripheralInc_Disable DMA_PeripheralInc_Enable + DMA_Priority DMA_Priority_High DMA_Priority_Low DMA_Priority_Medium DMA_Priority_VeryHigh 3.2.7 STEPPER MOTOR DRIVER - Đặc điểm kỹ thuật + Dòng điện đầu vào: ~ 5A + Dòng điện đầu ra: 0,5 ~ 4,0A + Tín hiệu điều khiển: 3,3 ~ 24V + Công suất tối đa: 160W + Bước Micro: 1, / A, / B, 4, 8, 16, 32 + Nhiệt độ: -10 ~ 45 ℃ + Trọng lượng: 0,2 kg + Kích thước: 96 * 71 * 37 mm 43 - Drive HY-DIV268N-5A Hình 3.19: Drive - Sơ đồ đấu nối MCU STM32F-103 Hình 3.20: Sơ đồ đấu nối Driver 44 3.3 Phần mềm Start Chọn gốc tọa độ (0.0) Đọc giá trị cảm biến Value read > Value Set N Điều khiển DC trục dọc Y Value read > Value Set Điều khiển DC trục ngang N Value read > Value Set Y Stop Hình 3.21: Sơ đồ giải thuật điều khiển Y N 45 Chương 4: Kết luận hướng nghiên cứu 4.1 Kết luận 4.1.1 Kết thực nghiệm Qua thời gian nghiên c u, thiết kế, thực nghiệm đề tài “Tự động điều chỉnh anten thu vệ tinh” Tác giả chế tạo thành công hệ thống tự động xoay anten thu truyền hình vệ tinh, theo luật điều khiển PID áp dụng thuật toán theo dõi bước Hệ thống bao gồm: - Phần khí chế tạo cấu quay bậc tự do, sử dụng động bước hai chiều bánh xích tải, điều khiển động Driver HY-DIV 268N-5A, quay theo trục dọc trục ngang, chắn độ bền học, có ổ bi giảm hệ số ma sát * Quay trục dọc 359o có cảm biến hành trình để xác định góc phương vị * Quay trục ngang 90o có cảm biến hành trình để xác định góc ngẩng Hình 4.1: Hệ thống tự động điều chỉnh anten thu vệ tinh 46 - Bộ điều khiển sử dụng board STM32, ngôn ngữ lập trình sử dụng ngơn ngữ c Hình 4.2: Board điều khiển 4.1.2 Hạn chế đề tài Tuy chế tạo thành cơng đề tài cịn số hạn chế sau - Tốc độ tìm kiếm cịn chậm - Tín hiệu hồi tiếp analog chưa sử lý nhiễu 4.2 Hướng phát triển đề tài Nâng tốc độ tìm kiếm để lắp đặt thiết bị thu vệ tinh phương tiện di động có vận tốc lớn 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng thơng tin vệ tinh Biên soạn : TS Nguyễn Phạm Anh Dũng [2] Dương Hoài Nghĩa, Điều khiển hệ thống đa biến, nhà xuất Đại Học Quốc Gia, Tp Hồ Chí Minh, 2011 [3] Dương Hoài Nghĩa, Lý thuyết điều khiển đại [4] Nazzareno Diodato, “Satellite Communications”, Intech, Shanghai, China, 2010, pp 33-58 [5] J C Choi, “A Study of Satellite Tracking System ofDBS receiving Antenna on Ship board”, Korea Maritime University Ph D Dissertation, 1998 [6] Chang-Ho Cho, Sang-Hyo Lee, Tae-Yong Kwon, and Cheol Lee, “Antenna Control System Using Step Tracking Algorithm with H∞ Controller”, International Journal of Control, Automation, and System, Vol 1, No 1, pp 83-92, March 2003 [7] Zhang Shengyi, Wang Xinming, “ Study of fuzzy-PID control in Matlab for Two-phase Hybrid Stepping Motor”, the 2nd International Conference On Systems Enginerring and Modeling – ICSEM-13, pp 1011-1014, 2013 [8] Y Yalcin, S Kurtulan, “A Rooftop Antenna Tracking System: Design, Simulation, and Implementation”, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol 51, No 2, April 2009 -Hết - ... vệ tinh mặt phẳng nằm ngang địa phương), anten thu phải tự động điều chỉnh để thu tín hiệu lớn 2.4 Phương pháp tìm kiếm thu? ??t tốn theo dõi thu truyền hình vệ tinh Trong thơng tin vệ tinh di động, ... tới vệ tinh mặt phẳng nằm ngang địa phương), anten thu phải tự động điều chỉnh góc hướng để thu tín hiệu lớn Đề tài nghiên c u, chế tạo cấu quay anten tự động tìm góc hướng thu truyền hình vệ tinh. .. điều chỉnh anten thu vệ tinh II- Nhiệm vụ nội dung: - Nghiên c u thông tin vệ tinh - Nghiên c u truyền hình số vệ tinh - Thiết kế chế tạo cấu tự động tìm góc hướng anten, thu truyền hình vệ tinh