摘 要：現(xiàn)有角度測(cè)量設(shè)備成本高，不利于大批量采購，為滿足火控系統(tǒng)中教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要，研究設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)C8051F330D的智能角度測(cè)量系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)采用了分區(qū)間正余弦相比編碼和控制采樣時(shí)機(jī)的方法，其電路簡(jiǎn)單，成本低廉，功能易于擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明可達(dá)到滿意精度，滿足了火控實(shí)驗(yàn)中角度測(cè)量需要。

關(guān)鍵詞：C8051F330D；角度測(cè)量系統(tǒng)；低成本；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)24-175-03

Design and Implementation of Angle Measurement System in the Fire Control System

GU Dongjie，XING Changfeng，ZHOU Feng

(College of Electronic Engineering，Naval Engineering of University，Wuhan，430033，China)

Abstract：Existing angle measurement equipments cost highly，which is a disadvantage at the large quantity for purchase.For satisfying the practical teaching demand in the fire control system，a kind of intelligent angle measurement system based on C8051F330D is researched and designed.The method of the cut section coding for the ratio of sine to cosine and controlling of sampling moment is adopted，its electric circuit is simple，the cost is low，and the function is easy to expand，testing result indicates that satisfying precision can be attained with the method，the need for experiment of angle measurement in the fire control system is satisfied.

Keywords：C8051F330D;angle measurement system;low cost;design and implementation

1 引 言

在火力指揮控制系統(tǒng)中，載體平臺(tái)的姿態(tài)，傳感器和火炮伺服系統(tǒng)中的高低、方位等離不開角度位置信號(hào)的測(cè)量、控制和傳遞，一般采用自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器^［1］形式的模擬信號(hào)，角度位置信號(hào)的正確與否和精度決定了火控設(shè)備的整體工作狀況和性能。旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置是基于旋轉(zhuǎn)變壓器的方位角測(cè)量系統(tǒng)的重要組件，其方案選擇直接影響整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，國內(nèi)外知名半導(dǎo)體公司將其發(fā)展成單片集成或模塊電路，如AD2S80ARDC，ZSZ/XSZ系列^［2］等，它們性能優(yōu)越，但是價(jià)格昂貴，不適合低成本要求。

介紹的數(shù)字轉(zhuǎn)換器是以高性能單片機(jī)C8051F330D為核心，配以簡(jiǎn)單的信號(hào)處理電路、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，能滿足多數(shù)火控教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，且模塊化軟硬件設(shè)計(jì)易于功能擴(kuò)展。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器特性分析

旋轉(zhuǎn)變壓器是模擬型機(jī)電元件。根據(jù)其偏移角度θ的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁信號(hào)和輸出信號(hào)為:

Z=Asin ωt

X=kAsin ωtsin θ

Y=kAsin ωtcos θ(1)

其中，Z為勵(lì)磁信號(hào)；X，Y為正余弦信號(hào)輸出；ω為信號(hào)角頻率，400 Hz中頻為2π/400 Hz；k為原副邊比；θ為偏移角度。旋轉(zhuǎn)變壓器軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功能就是根據(jù)這3路模擬信號(hào)求出偏移角度θ的13位數(shù)字量。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于其繞組的漏阻抗而導(dǎo)致輸出繞組上有一定壓降，使輸出電壓不再與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正、余弦函數(shù)關(guān)系，出現(xiàn)一些偏差。為消除輸出畸變，采用原副邊同時(shí)補(bǔ)償?shù)男D(zhuǎn)變壓器接線方法?？上捎谪?fù)載阻抗變化和交流磁通的影響，減小誤差，提高輸出信號(hào)精度。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 軸角轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)變壓器、信號(hào)調(diào)理電路、大小分選和采樣控制電路、單片機(jī)控制電路和通信顯示電路5部分^［3-5］構(gòu)成。其中主控芯片C8051F330D^［6］內(nèi)部集成有A/D，SPI，UART等功能模塊，大幅度減少了系統(tǒng)電路復(fù)雜性和成本，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器3路模擬信號(hào)先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路^［7］調(diào)理成單片機(jī)可接受的整流信號(hào)和相位信息的數(shù)字編碼以區(qū)分角度區(qū)間，同時(shí)通過勵(lì)磁整流信號(hào)相位控制A/D采樣克服電子開關(guān)低電壓造成的交越失真影響，提高系統(tǒng)精度和采樣率。兩路正余弦整流信號(hào)經(jīng)過大小分選后送入A/D，大者做采樣基準(zhǔn)信號(hào)，小者做采樣信號(hào)，單片機(jī)控制A/D采樣轉(zhuǎn)換得到ADC值為:

ADC=|Umin||Umax|×210=|tan θ|×1 024

(或|cot θ|×1 024)(2)

在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過軟件濾波處理后進(jìn)行反正切變換得到單區(qū)間的角度數(shù)字量，根據(jù)區(qū)間編碼求出絕對(duì)角度θ，最后選擇4位LED顯示或RS 232輸出角度。

圖1 基于旋轉(zhuǎn)變壓器的角度測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

由于sin ωt，sin θ和cos θ都有正負(fù)之分，信號(hào)調(diào)理電路主要功能是把輸入交流信號(hào)X，Y，Z轉(zhuǎn)換成3路為滿足A/D基準(zhǔn)和輸入要求的單極性模擬信號(hào)。系統(tǒng)共有3路信號(hào)調(diào)理電路，首先將輸入信號(hào)峰值進(jìn)行分壓衰減到2.7 V，然后采用能區(qū)分輸入信號(hào)Asin ωt，kAsin θsin ωt或kAcos θsin ωt的相位的相敏整流電路^{［6，7］}。

如圖2所示，將輸入信號(hào)經(jīng)過監(jiān)零電路輸出相位方波控制電子開關(guān)CD4053，在輸入信號(hào)的前半個(gè)周期內(nèi)選擇輸入信號(hào)；在后半個(gè)周期內(nèi)選擇反相信號(hào)，使用經(jīng)過嚴(yán)格老化篩選的電阻保證正反相和正余弦等幅，同時(shí)將比較電路輸出的雙極性邏輯信號(hào)經(jīng)過電子開關(guān)變換為單極性TTL信號(hào)，信號(hào)波形如圖2所示。本系統(tǒng)采用通用的模擬開關(guān)和運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了一簡(jiǎn)單可靠的信號(hào)調(diào)理電路，易于調(diào)試。

圖2 相敏整流電路原理圖

3.3 大小分選和采樣控制電路

如圖3所示，將整流過的2路正余弦信號(hào)送入但電源比較器LM35，若|Usin θ|>|Ucos θ|，則比較器輸出高電平，控制CD4053選擇X1和Y1，則X輸出|Usin θ|；否則輸出|Ucos θ|，X端總輸出兩信號(hào)中的電壓大者。大小分選電路^［7］將正余弦信號(hào)將整流調(diào)理過的勵(lì)磁信號(hào)送入比較器和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，如圖3中波形所示，通過可調(diào)電阻調(diào)整采樣區(qū)間。

圖3 大小分選和采樣控制電路原理圖

3.4 系統(tǒng)控制芯片C8051F330D

Cygnal近年來推出一系列功能齊全的混合信號(hào)片上系統(tǒng)單片機(jī)^［6］。它的處理速度達(dá)到25 MIPS，是普通51單片機(jī)的20倍以上；采用先進(jìn)的JTAG在線調(diào)試功能，不占用任何片內(nèi)數(shù)字資源且開發(fā)成本低；集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有常用模擬器件，內(nèi)部10位A/D速度達(dá)到200 kb/s，并有電壓型D/A，片內(nèi)可編程晶振，簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)；可通過交叉開關(guān)將內(nèi)部的SPI，SMBUS，UART，PCA等豐富的數(shù)字信號(hào)資源分配到外部I/O接口上。此外，看門狗、低功耗、工業(yè)工作范圍、貼片封裝和多系列產(chǎn)品滿足了大多數(shù)工程應(yīng)用。具體電路如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖

單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于單片機(jī)內(nèi)部晶振工作速度達(dá)24.5 MIPS，A/D采樣速度設(shè)置為100 kb/s，在調(diào)試系統(tǒng)和設(shè)計(jì)PCB時(shí)，注重了抗干擾設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性。

3.5 顯示和通信電路

顯示系統(tǒng)是為了滿足大多數(shù)角度離線測(cè)量，主要在軸角變化較慢時(shí)使用，實(shí)時(shí)顯示。顯示電路采用增強(qiáng)型串行接口（SPI）的8位共陰式數(shù)碼管智能鍵盤、顯示驅(qū)動(dòng)芯片HD7279A^［8］，可接受單片機(jī)BCD碼或16進(jìn)制碼，讀寫對(duì)應(yīng)顯示鍵盤寄存器即可完成讀取鍵值和顯示控制，方便C8051F330D控制，編寫相應(yīng)子程序簡(jiǎn)單。其硬件電路只需8支200 Ω電阻限流，復(fù)位RC阻容，電路簡(jiǎn)單，且有直插和貼片封裝，方便調(diào)試和系統(tǒng)集成。具體電路圖如圖5所示。

圖5 顯示電路原理圖

通信電路采用3.3 V TTL轉(zhuǎn)RS 232電平轉(zhuǎn)換器MAX 3232，只需4個(gè)0.1 μF電容即可完成轉(zhuǎn)換。串口通信速率設(shè)定為19.2 kb/s，數(shù)據(jù)格式為無奇偶校驗(yàn)8位數(shù)據(jù)格式。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

考慮到系統(tǒng)中有各種數(shù)值計(jì)算，單片機(jī)程序采用C51語言^［6，9］編寫，編寫簡(jiǎn)單，模塊化子程序設(shè)計(jì)，易于調(diào)試和移植，通用性可讀性較強(qiáng)。系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行初始化設(shè)置，包括交叉開關(guān)、內(nèi)部晶振和引腳配置，SPI和UART初始化，對(duì)片上各功能模塊進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)入角度采集死循環(huán)，當(dāng)采樣控制器滿足采樣條件即ADCSTA=1，開始A/D采樣存儲(chǔ)，滿8次后，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行冒泡排序，取中間4個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得tan θ或cot θ的數(shù)字量，并同時(shí)記錄信號(hào)調(diào)理電路各信號(hào)變換狀態(tài)編碼信息，由于A/D采樣速率極高，可保證角度的動(dòng)態(tài)跟蹤采樣，之后進(jìn)行反正切變換求得在一個(gè)45°區(qū)間內(nèi)的角度值，再根據(jù)狀態(tài)編碼信息求出在一周內(nèi)的絕對(duì)角度值，最后通過I/O接口上開關(guān)決定角度輸出方式，可選擇數(shù)碼管顯示輸出，可直接觀察軸角速度緩慢的角度變化；當(dāng)角速度超出數(shù)碼管更新速率時(shí)，可關(guān)閉數(shù)碼管顯示開啟串口通信，提高系統(tǒng)采集和輸出速率。串口數(shù)據(jù)接收方面，使用VC++開發(fā)了串口調(diào)試軟件進(jìn)行測(cè)試，并可使用Matlab，LabView等軟件開發(fā)串口角度讀取顯示存儲(chǔ)軟件，取得了很好效果。

5 性能指標(biāo)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試測(cè)試，系統(tǒng)可達(dá)到以下指標(biāo)：輸入方式：旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦信號(hào)；分辨率： 理論13位，實(shí)際到11位；精度：0.2°；轉(zhuǎn)換速率：利用采樣控制可調(diào)；信號(hào)電壓：使用衰減電阻調(diào)整；數(shù)據(jù)輸出：數(shù)碼管顯示與串行數(shù)據(jù)。

可擴(kuò)展功能^［10］：多通道、多極轉(zhuǎn)換；軟件自動(dòng)校準(zhǔn)；模塊化貼片厚膜封裝；擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出方式，如USB，CAN總線，以太網(wǎng)等；配合虛擬儀器規(guī)范開發(fā)上位機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)包；根據(jù)各種定制要求選用系統(tǒng)控制芯片，如可使用片上D/A實(shí)現(xiàn)數(shù)字正弦機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

6 結(jié) 語

主要討論了旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、低價(jià)等許多優(yōu)點(diǎn)。用混合信號(hào)單片機(jī)C8051F330D代替普通的51單片機(jī)，能使電路集成度更高，體積更小。測(cè)試結(jié)果表明所采用的方案能夠在電路簡(jiǎn)單、低成本、操作簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到令人滿意的準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)

［1］葉瑰昀．自動(dòng)控制元件［M］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2002.

［2］中國船舶重工集團(tuán)公司第716所.自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器類轉(zhuǎn)換產(chǎn)品手冊(cè).2004.

［3］王曉露.基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［4］高文政.一種軸角到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)［J］.情報(bào)指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2002，24(11):60-62.

［5］付軍，李安，許江寧，等.采用PC／104總線的高精度RDC電路的設(shè)計(jì)［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，12(6):11-14．

［6］潘琢金.C8051F330/1混合信號(hào)ISPFLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］.沈陽: 新華龍電子有限公司，2003.

［7］溫明，印士波，高延濱.基于自整角機(jī)的方位角測(cè)量系統(tǒng)［J］.傳感器技術(shù)，2002，21(11)：14-16.

［8］比高公司.HD7279A串行接口八位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤智能控制芯片［EB/OL］.http://www.bitcode.com.cn.

［9］潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SoC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［10］徐大林，陳建華.自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字變換技術(shù)及發(fā)展［J］.測(cè)控技術(shù)，2005，24(10):1-5.

作者簡(jiǎn)介 顧東杰 男，1985年出生，河南信陽人，碩士研究生。研究方向?yàn)榛鹆刂葡到y(tǒng)，艦艇C3I系統(tǒng)。

邢昌風(fēng) 男，1957年出生，安徽蕪湖人，教授，博導(dǎo)。研究方向?yàn)樽鲬?zhàn)系統(tǒng)工程。

周 豐 男，1972年出生，江蘇贛余人，副教授。研究方向?yàn)橹笓]控制系統(tǒng)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文