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摘要本课题研究的是卫星电视移动接收机控制盒的软件设计。该天线控制盒独立于移动卫星天线，分别与移动卫星天线和卫星接收机连接。能够给天线供电，与移动卫星天线建立正常通信并控制移动卫星天线直至锁定目标卫星，同时将天线的运行状态信息实时显示出来。首先，进行了控制盒软件的总体设计，简单说明了设计思路，给出了软件设计的总体流程图。选用stm32 作为本设计的嵌入式主控单元，通过串口与天线进行通信，获取天线的运行状态信息，同时检测接收机的电压得到天线所需的极化方式。LCD 实时显示stm32得到的天线运行状态信息。然后分模块设计了 LCD 显示、天线与控制盒间的通信、按键等，详细说明了各模块的原理及具体的设计过程。最后经过编译调试实现了该控制盒设定的功能。27337
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毕业论文关键词 卫星电视移动接收 控制盒 天线通信 stm32
Title The control box software design of the mobile satelliteTV receiverAbstractThis project researches the control box software design of the mobile satelliteTV receiver. The control box is separated with the mobile satellite antenna andconnected to the mobile satellite antenna and the satellite receiver. The controlbox can supply power to the antenna and communicate with the mobile satelliteantenna. The mobile satellite antenna is controlled until it locks the targetedsatellite. While the running status of the antenna is displayed in time.First of all, the overall software design of the control box is given. This paperdescribes briefly about design ideas and proposes the overall flow chart ofsoftware design. Stm32 is chosen as the embedded control unit in this design. Itcommunicates with the antenna through the serial port, obtaining the operationalstatus of the antenna. It also detects the voltage of the receiver to obtain thedesired antenna polarization. LCD displays the antenna operating statusinformation obtained by stm32. Then modules are designed, including the LCDdisplay, communication between the antenna and the control box, and keys, etc.Principles of each module and the specific design are described in detail.Finally, the set functions of the control box are implemented after compiling anddebugging.Keywords mobile reception control box communication with the antenna stm32
目 次
1 引言.1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文研究的主要内容 4
2 卫星电视移动接收系统功能及原理.6
2.1 移动接收系统稳定原理 7
2.2 移动接收系统跟踪原理 8
3 卫星电视移动接收机控制盒的功能和原理.9
4 控制盒软件总体设计.11
5 初始化.13
5.1 系统配置 13
5.2 系统初始化 14
6 天线与控制盒间的串口通信.15
6.1 通信要求 15
6.2 通信协议 15
6.3 通信实现 17
7 电源管理.20
8 按键.21
9 液晶显示.23
9.1 显示原理 23
9.2 显示内容 25
9.3 程序实现 25
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1.1 研究背景科学技术的不断创新促使卫星通讯科学也在持续发展。 卫星通信在如今的信息化高度发展的时代的重要程序是毋庸置疑的。不仅大气层和地理条件不易会干扰和限制卫星通信，卫星通信还有着大面积无间隙覆盖的突出优势，因而非常适合远距离通信，而且其通信灵活可靠，因此，其在各行业都有着普遍的运用，尤其是在一些一般通信无法到达的地方诸如环境恶劣的山区、宽阔的海洋等。伴随卫星通讯科技的持续发展，移动卫星通信技术也迅猛地发展了起来。各种各样的地面移动载体要求实时不间断地传送大容量的信息包括数据、 语音和动态图象等。 如今车载卫星天线已成功解决了这一难题， 这是卫星通信领域的一次突出进步。 另外，恶劣的工作环境也对车载卫星天线的天线重量、高度以及功耗等参数有着更高的要求。目前，按照通信的状态，人们将移动卫星通讯系统分成了“静中通”和“动中通”两种类别。所谓“静中通”指的是在移动载体上安装着卫星通信的地面收发装备，要求当载体移动了一段距离停止后，系统要能快速带动卫星天线使天线指向目标卫星，建立通信连接。而“动中通”则是能保证载体在移动过程中，天线不受载体扰动的影响，始终能够指向目标卫星，建立通信连接。动中通主要应用在三个方面，一方面是载体在移动过程中和卫星保持通信；二是载体在移动过程中只是负责接收卫星信号，并不与卫星通讯；三是在移动过程中，载体与远处的物体建立点对点式的通信过程。车船等运动载体很容易会受到复杂环境的影响，例如载体晃动和转向、起风和夜晚等，因此关键在于保证载体在移动中也可以和卫星建立起可靠的通讯。移动卫星通讯技术在军事方面的应用不可谓不大，其在战争中起着不可替代的重要作用。它不仅用在车、舰、船等移动载体上，还能提高战况复杂下战争前线的调度与通讯有效性。移动卫星通信技术在抗击自然灾害、实施应急通讯等方面也有着至关重要的地位。譬如受到自然灾害的损害，灾区的地面基站的通讯中断，这时利用移动卫星通信技术就可以很快建立起卫星通信连接，传递救援消息，及时挽救灾区状况。移动卫星通信系统在民用领域的市场也非常大，随着人们生活质量的改善，人们在日常生活中对移动卫星通讯的要求水准也更高。 如今国内外开发出了很多适用于不同的应用环境和通讯要求的产品， 尤其致力于提高在卫星电话、 移动宽带与电视转播等领域的通信可靠性，确保产品能持续地可靠地接收卫星信号。如要能在汽车、火车和轮船等交通工具上不间断地收看电视节目，能够实现实时的视频聊天等。上述这些功能都要求在载体的姿态、航向等位置信息变动的情形下，天线控制系统能够确保天线始终能够与目标卫星可靠通信。移动卫星电视不仅使用方式简单，而且观看节目不受自然环境的约束，且接收的电视信号稳定画质高， 已日渐成为为人们的日常生活中不可或缺的一部分， 提高了人们的生活质量。移动卫星电视己经普遍应用于国外的发达国家，给人们的生活带来了很多的便利和享受。在中国，汽车数量飞速增加，社会需求也随之急剧增加，移动卫星电视的市场潜力巨大。2008年 6 月 19 日，中星九号的成功发射开启了直播卫星的新纪元，加速着国内车载卫星电视市场的发展[9]。伴随国内的汽车工业和市场正加快速度赶上国际的汽车工业和市场的步伐，基于移动载体的卫星电视势必会在国内迅速推广开来。早期的移动卫星天线的技术水平相对低下， 那时一般根据抛物面反射的原理设计移动卫星天线，使得早期的移动卫星天线不仅机械尺寸大、噪声大，而且不能做到长时间稳定跟踪卫星，因而移动卫星电视的发展进程十分缓慢。而在最近几年出现了平板式天线，平板天线补偿了早期抛物面天线的缺点，而且其尺寸小、重量轻、使用便捷，众多的优势使得平板天线的应用迅速推广开来，而基于平板天线的移动卫星电视系统的技术研究也迅猛发展起来。车载卫星通信系统的重点和难点便是卫星稳定跟踪技术， 这需要充分运用诸多学科的技术， 是一项相当复杂的多学科交叉的技术。 这种稳定跟踪技术已经广泛运用在多种民用场合，如船用的卫星通信系统以及车载卫星电视接收系统。还在现代军事方面有着广泛的应用，如为各种作战汽车、坦克提供可靠通信的移动卫星通信系统。1.2国内外研究现状西方发达国家对于移动卫星通信系统的研究起步较早。自 1970年开始，很多国家及地区就相继将大量的人力和物力投入到天线稳定跟踪技术方面的研究与开发中。到 20 世纪 80年代，人们研究出了一种惯性姿态测量技术，并将这项技术应用到了天线平台的搭建上，用它来补偿由于载体移动而产生的姿态变化，达到隔离载体扰动，稳定天线的目的，来保证天线能够稳定可靠地指向目标卫星， 实现载体在运动中也能使天线和目标卫星进行可靠通信的预期。截止目前，西方发达国家在天线稳定跟踪领域已经取得了不容小觑的研究成果。西方发达国家在这一领域的先进的技术已经成功应用在他们的军事装备中， 如坦克炮塔的稳定跟踪平台、海上发射导弹的稳定平台以及移动红外探测器的跟踪平台等[10]。自 20 世纪 80 年代起， 美国和日本就提出了一种利用姿态测量和惯性导航技术来达到稳定天线目的的平台方案，实现了 “动中通” 。如船载站、机载站、海事卫星车载站、移动车载单收站和移动通信车载站等都已经被开发出了产品并推广到市场 。美国通用动力、SEATEL、德国 NDSatCom 等是国外的主要的卫星系统及设备供应商，其产品、方案更是已经遍及到了国外的各行、各业、组织乃至个人。我国在天线稳定跟踪技术领域的研究与发达国家相比虽然起步较晚， 但我国一直在大力从事这方面的研究开发。目前国内从事设计制造车载卫星通信系统的厂家很多是采用“单脉冲+光学陀螺捷联惯导平台”的跟踪技术，移动天线跟踪卫星采用方位俯仰型传动结构，通过控制电机驱动天线来对准跟踪目标卫星。然而由于道路不平或载体转弯，载体在运动过程中会导致移动天线在方位轴、俯仰轴和倾斜轴上随机地产生角速度、角位移等误差。虽然釆用“单脉冲+光学陀螺捷联惯导”的跟踪方式，从理论上可以消除角位移等偏差，提高跟踪精度，但由于天线存在转动的惯量，即使是高精度的传感器也不能在瞬间克服掉天线的惯量[5]。另外，一只光学陀螺至少要十几万人民币，应用在车载卫星小口径(天线口径小于 0.9 米)天线上，其性价比就很低，性能得不到充分发挥。另外，釆用单脉冲跟踪方式，其馈源复杂，单脉冲信号处理电路也很复杂，所用的天线系统重量大于50kg，功率大于 300W，其结果就是可靠性低，而成本很高。与此同时， 我国现有的高精度移动天线跟踪系统很多是通过采用了高性能高精度的陀螺仪来提高整个天线系统的精度，但是此类陀螺仪的售价极高，不适合运用到民用的系统上，因而不可能采用高精度的陀螺仪来实现稳定跟踪目标卫星的目的。因此，如何在控制成本的基础上，采用中低精度的陀螺仪、GPS 以及其他姿态测量传感器来设计出高性能、低成本的“动中通”系统已经成为了此类稳定跟踪技术的研究重点之一。因此，对于基于运动载体的卫星通信系统的深入研究，不仅能使其在应用领域推广开来，丰富人民的日常生活，更是为我国科技强国的伟大目标作出努力和贡献。在移动卫星天线领域，天线要能够自动跟踪卫星，首先要做到准确地识别目标卫星。中星九号卫星采用我国自主研发的 ABS-S 标准，也是目前赤道上空唯一使用该标准的直播电视卫星。目前国际上主要采用 DVB 解调技术来识别目标卫星，但是 DVB 解调技术无法解调 ABS-S 标准的卫星信号，因而，对使用 ABS-S 制式的卫星还未研究出成熟的自动寻星技术。为此人们一直在研究和提出各种解决方案。如中国专利文献公开了专利号为zl201020149596 的一种船载移动卫星天线控制系统。这种天线控制系统包含了主控制系统。连接主控制系统与室内子系统的是主控制器。 信号管理模块和天线姿态管理模块连接在主控制器上[11]。此主控制系统虽然结构简单，设计合理，但是仍存在着以下不足：1) 移动卫星天线通过跟踪特定的转发器频率来对目标卫星保持锁定，如果卫星的转发器参数产生变化，或者有其他的卫星开启了相同极化方式和频率的转发器，就会导致天线无法锁定目标卫星或者锁定到错误的卫星，这时就需要修改天线内部的控制参数。此系统虽然留有室内子系统，但是此室内子系统没有留有可供升级的外部接口，所以只能拆开室内子系统，且只能由专业的人员通过电脑对系统进行升级，这样就会导致操作麻烦且费时费力。2) 此船载移动卫星天线控制系统虽然解决了船舶上天线跟踪性能不稳定、容易丢失卫星信号的问题，但识别ABS-S 制式的卫星就不够精确。3) 此系统没有将天线的运行状态信息实时显示出来，这样排查天线故障的时候就会很困难，导致适用性下降。目前，市面上的移动卫星天线几乎都没有配置天线控制盒，而是将天线的所有控制都集中到室外的天线内部，而室内单元只是供电，系统也无法实时显示天线的工作状态。这样一旦天线出现异常工作的情况，就很难排除故障。另外，系统需要升级时，只能由专业的人员打开天线外壳进行排查，甚至不得不将产品退回公司进行检查，就会非常麻烦。另外，卫星天线系列产品需对外购接收机进行改造或使用外置电源才能供电。一方面接收机改造后稳定性、可靠性大打折扣，经常会出现各种问题；另一方面使用外置电源供电，显得功能单一、冗余。所以规划一款产品来配合天线、接收机使用，既可以为天线供电，又可丰富产品功能，简单实用，提升产品市场竞争力。1.3本文研究的主要内容本文研究的是卫星电视移动接收机控制盒的软件设计。 该控制盒能够与移动卫星天线进行通信，控制盒发送控制信息给移动卫星天线，移动卫星天线把运行状态信息实时发送给控制盒。同时，LCD 模块实时显示天线当前的工作状态。另外，控制盒内部的电源管理电路能够对控制盒的各模块以及外部连接的天线供电。本文具体的章节安排如下：第一章介绍了本文研究的背景、国内外研究现状。第二章分析了卫星电视移动接收系统的功能及原理，主要阐述了系统稳定及跟踪的原理。第三章说明了本课题所研究的控制盒的功能及工作原理。第四章进行了该控制盒的软件总体设计，提出了软件设计的思路，给出了软件设计的总体流程图。第五章基于分模块设计的思想，详细阐述了各模块的原理及具体的设计过程。主要包括了 stm32的配置及初始化，天线与控制盒间的通信，调谐器，电源管理模块，按键和液晶显示等。实现了天线与控制盒间的通信，且 LCD 实时显示天线的运行状态信息。
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