劉杰，李德勝，王穎，陳佐龍

（1.中國人民解放軍63861部隊(duì)，吉林 白城 137001；2.中國人民解放軍69224部隊(duì)，新疆 庫車 842000）

1 引言

調(diào)平是靶場(chǎng)許多大型精密測(cè)量設(shè)備正常工作的前提條件，調(diào)平精度直接影響其性能和總體精度。因此，固定站設(shè)備在初次安裝及以后的使用中需要對(duì)基座進(jìn)行調(diào)平，活動(dòng)站設(shè)備在每次轉(zhuǎn)場(chǎng)后都需要調(diào)平。目前，普遍采用數(shù)字式電子水平儀作為高精度平臺(tái)（設(shè)備）的水平測(cè)量儀器，該儀器采用液晶屏數(shù)字顯示，無聲光指示。整個(gè)手動(dòng)調(diào)平過程需要兩人配合才能完成：一人既要觀察水平儀數(shù)值的變化，又要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備以測(cè)量不同支點(diǎn)的傾斜角，進(jìn)而判斷支點(diǎn)的高低關(guān)系；另一人需要根據(jù)支點(diǎn)的高低關(guān)系用扳手來調(diào)節(jié)相應(yīng)支點(diǎn)上的方頭螺釘。正常情況下設(shè)備調(diào)平大概需要20min，如果點(diǎn)位地基傾斜嚴(yán)重，超出了設(shè)備的調(diào)平范圍，經(jīng)過長時(shí)間調(diào)整才能發(fā)現(xiàn)無法調(diào)平，無疑會(huì)延長設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間。因此目前的調(diào)平程序復(fù)雜，需要反復(fù)調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)設(shè)備快速展開極為不利。

本文設(shè)計(jì)了專門針對(duì)三支點(diǎn)平臺(tái)的智能調(diào)平系統(tǒng)，該系統(tǒng)以數(shù)字式電子水平儀、高性能單片機(jī)以及新型數(shù)碼語音芯片為基本硬件架構(gòu)，以三點(diǎn)確定一個(gè)平面的幾何原理作為算法基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了具有自動(dòng)聲光指示的高精度智能快速調(diào)平，徹底解決了設(shè)備快速調(diào)平的技術(shù)難題，提高了設(shè)備的測(cè)量精度和測(cè)控能力，同時(shí)也為調(diào)平技術(shù)應(yīng)用探尋出一條行之有效的新路。

2 調(diào)平原理與系統(tǒng)功能

2.1 三支點(diǎn)平臺(tái)調(diào)平原理

調(diào)平就是把測(cè)試設(shè)備工作平面的水平調(diào)整到該設(shè)備的精度要求范圍之內(nèi)，它一般是通過調(diào)整儀器設(shè)備支撐點(diǎn)上的可調(diào)墊鐵來改變工作平面的水平。由于調(diào)整不同的支撐點(diǎn)，對(duì)其工作平面上各點(diǎn)水平的改變是不一樣的，因此調(diào)整儀器設(shè)備的各支撐點(diǎn)，將會(huì)相互影響和干擾，使調(diào)整工作易出現(xiàn)反復(fù)［1］。

如圖1所示，假設(shè)A，B，C是設(shè)備的3個(gè)支撐點(diǎn)（繞設(shè)備重心相差120°分布，以下簡稱支點(diǎn)），通過調(diào)整外部的方頭螺釘可以調(diào)整設(shè)備平面的水平度。設(shè)備調(diào)平時(shí)，一般把水平儀放在設(shè)備平面上不動(dòng)，靠轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備來測(cè)量傾斜角。假設(shè)支點(diǎn)B和支點(diǎn)C不在同一條水平線上，起始時(shí)水平儀放在A點(diǎn)，如圖1a所示，測(cè)得值a1；設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)180°到A1點(diǎn)，如圖1b所示，測(cè)得值a2；則支點(diǎn)B，C的水平誤差為（a1－a2）／2。當(dāng)水平誤差為0時(shí)即認(rèn)為支點(diǎn)B，C達(dá)到水平［2］。

圖1 三支點(diǎn)平臺(tái)調(diào)平示意圖Fig.1 Schematic of the leveling of the platform with 3points

因此，設(shè)備調(diào)平首先要判斷A，B，C3個(gè)支點(diǎn)的大概高低關(guān)系；然后調(diào)節(jié)其中的2個(gè)支點(diǎn)到一個(gè)水平面上，這一過程需要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備至少2周，測(cè)量5次傾斜角，操作人員要計(jì)算水平誤差；然后調(diào)整第3點(diǎn)和第1點(diǎn)或第2點(diǎn)水平，這一步又至少需要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備1周，測(cè)量兩次傾斜角；最后還要確認(rèn)3點(diǎn)是否已經(jīng)調(diào)平。一般情況下，此時(shí)不可能調(diào)平（符合設(shè)備測(cè)量技術(shù)指標(biāo)），還需要按上述步驟反復(fù)調(diào)平。

2.2 智能調(diào)平系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下幾方面的功能。

1）對(duì)三支點(diǎn)平臺(tái)的調(diào)平過程進(jìn)行逐步聲光提示：LED燈光指示待調(diào)整的支點(diǎn)，語音提示操作方法和待調(diào)整量。

2）整個(gè)調(diào)平過程，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備2周，測(cè)5個(gè)點(diǎn)（次）的傾斜角，5min即可調(diào)整完畢。

3）開始調(diào)整后，根據(jù)調(diào)整情況，語音實(shí)時(shí)提示水平儀所在支點(diǎn)的水平誤差（高差）。

4）如果地基傾斜過大，設(shè)備無法調(diào)平，系統(tǒng)及時(shí)提示“無法調(diào)平，請(qǐng)關(guān)機(jī)”，需要在設(shè)備底座上加墊片。

5）如果調(diào)整方向錯(cuò)誤，及時(shí)提示“方向錯(cuò)誤，請(qǐng)反轉(zhuǎn)”。

6）如果調(diào)整過量，及時(shí)提示“調(diào)整過量”。

7）如果量程檔位選擇錯(cuò)誤，及時(shí)提示“量程錯(cuò)誤”，量程選擇正確后才能正式開始調(diào)平。

3 智能調(diào)平系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)三支點(diǎn)平臺(tái)智能調(diào)平設(shè)備的功能需求，設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字式電子水平儀作為測(cè)量元件，選用新型、低功耗單片機(jī)P89LPC935作為核心處理器，通過MAX3232接口芯片讀取水平儀的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，由ISD1720數(shù)碼語音芯片實(shí)時(shí)語音提示操作步驟以及調(diào)整情況，LED燈光指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)及待調(diào)整支點(diǎn)。系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖2所示，主要由電子水平儀和智能終端2部分組成。智能終端包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、語音電路、接口電路和電源電路。電子水平儀主要用來測(cè)量設(shè)備工作平面的傾斜角；智能終端由按鍵進(jìn)行控制，通過RS232接口讀取電子水平儀測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，由語音電路指示操作手操作，由LED燈光指示系統(tǒng)的狀態(tài)和待調(diào)整的支點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖Fig.2 Hardware schematic of the system

3.1 P89LPC935單片機(jī)簡介［3］

整個(gè)系統(tǒng)的核心是NXP公司推出的高性能、微功耗、51內(nèi)核微處理器P89LPC935，其運(yùn)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51的6倍。該單片機(jī)以先進(jìn)的CMOS工藝制造，通過片內(nèi)集成的豐富特性實(shí)現(xiàn)了非常高的性價(jià)比：可選的多時(shí)鐘源（外部高／中／低頻晶體及片內(nèi)RC、WDT振蕩器），增強(qiáng)型I／O端口（可配置為準(zhǔn)雙向／開漏／推挽／輸入模式，20 mA高電流驅(qū)動(dòng)，支持鍵盤中斷，兼容3V／5V邏輯），5個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器，多個(gè)串行接口（UART／SPI／IC），模擬功能等。采用極小的TSSOP封裝，提供了節(jié)電模式，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。

3.2 語音電路

語音電路采用語音芯片ISD1720，該芯片采用模擬數(shù)據(jù)直接在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的技術(shù)，不需經(jīng)過A／D和D／A轉(zhuǎn)換，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲。另外，該芯片還提供了多項(xiàng)新功能：包括內(nèi)置專利的多信息管理系統(tǒng)、新信息提示（vAlert）、雙運(yùn)作模式（獨(dú)立式和嵌入式）以及可定制的信息操作指示音效等。芯片內(nèi)部還包含有自動(dòng)增益控制、麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線路、振蕩器與內(nèi)存等的全方位整合系統(tǒng)功能。

該芯片使用簡單、錄放音方便，通過連接2個(gè)電阻、1個(gè)電容、1個(gè)揚(yáng)聲器即可構(gòu)成高音質(zhì)、聲音自然的語音電路。用戶利用振蕩電阻可設(shè)定芯片的采樣頻率，從而選擇芯片的錄放時(shí)間和錄放音質(zhì)。在振蕩電阻為80kΩ的情況下，ISD1720采樣率為8kHz，可以存放20s的語音內(nèi)容。ISD1720芯片將存儲(chǔ)聲音數(shù)據(jù)的空間分成若干段，每段都有一個(gè)獨(dú)立的地址，通過段地址，可以刪除某一部分存儲(chǔ)空間，也可以播放或錄制某一部分存儲(chǔ)空間，這樣就可以將不同段的聲音連起來播放，組成相應(yīng)的語句。

單片機(jī)通過4線（SCLK，MOSI，MISO，／SS）SPI協(xié)議控制ISD1720隨機(jī)組合放音。SPI（serial peripheral interface：串行外圍設(shè)備接口）是一種全雙工、高速、同步的通信總線；具有2種操作模式：主模式和從模式，在主模式和從模式中，均支持高達(dá)3Mbit／s的速率；還具有傳輸完成標(biāo)志和寫沖突保護(hù)標(biāo)志。本系統(tǒng)為單主單從模式，單片機(jī)作為主機(jī)，ISD1720作為從機(jī)。指令數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)隊(duì)列的形式從 MOSI（主機(jī)輸出從機(jī)接收，SPI接口的串行輸出端）移入ISD1720，第一個(gè)移入的字節(jié)是命令字節(jié)，這個(gè)字節(jié)決定了緊跟其后的數(shù)據(jù)類型；與此同時(shí)，芯片狀態(tài)、當(dāng)前行地址以及其它數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)隊(duì)列的方式通過MISO（主機(jī)接收從機(jī)輸出，SPI接口的數(shù)據(jù)輸入端）被返回主機(jī)。SCLK是SPI接口的時(shí)鐘，由單片機(jī)產(chǎn)生，并且被用來同步芯片MOSI和MISO端各自的數(shù)據(jù)輸入和輸出，此管腳空閑時(shí)，必須拉高。／SS是從機(jī)選擇管腳，當(dāng)其為低電平時(shí)，該芯片作為當(dāng)前被控設(shè)備并且開啟SPI接口，空閑時(shí)，此管腳需要拉高。

為了降低噪聲、提高音質(zhì)，在印制板電路設(shè)計(jì)時(shí)要確保語音電路的數(shù)字地（vssd）、模擬地（vssa）、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器地（vssp）單點(diǎn)接地；同時(shí)，數(shù)字電源（vccd）、模擬電源（vcca）、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器電源（vccp）也要單點(diǎn)與系統(tǒng)電源VCC相接。

3.3 接口電路

接口電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和水平儀之間的串行通信。P89LPC935集成有增強(qiáng)型通用異步接收／發(fā)送器（UART）：具有波特率發(fā)生器、間隔檢測(cè)、幀錯(cuò)誤檢測(cè)、自動(dòng)地址檢測(cè)等功能。P89LPC935的串口模塊自帶有一個(gè)波特率發(fā)生器，其不僅可以精確地產(chǎn)生串口通信所需的波特率，而且可以有效地節(jié)省系統(tǒng)資源，通過寫入BRGR1，BRGR0即可得到特定的波特率。以下為波特率計(jì)算公式：

本系統(tǒng)的波特率設(shè)為9 600bit／s，取7.372 8 MHz的晶振，得：

3.4 電源電路

為了降低功耗，P89LPC935的操作電壓VDD范圍為2.4～3.6V，而本系統(tǒng)直接使用水平儀的電源（由干電池產(chǎn)生6V左右的電壓），為此，采用了三端正向電壓調(diào)節(jié)芯片HT7533來產(chǎn)生3.3V電源。HT7533非常適合電池供電的應(yīng)用：功耗低、壓差低、良好的溫度穩(wěn)定性、最高輸入電壓為24V、最大輸出電流為100mA、封裝尺寸小。該芯片使用非常簡單，僅需幾個(gè)濾波電容即可。

語音芯片發(fā)音時(shí)功耗較大，為了減小電壓波動(dòng)對(duì)單片機(jī)的影響，采用與HT7533同系列的HT7550產(chǎn)生5V電源，作為語音電路的獨(dú)立電源。

4 智能調(diào)平系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

按以上分析和硬件原理圖，軟件部分主要涉及與水平儀通信、控制語音芯片放音、判斷3個(gè)支點(diǎn)的相對(duì)高低關(guān)系、判斷能否調(diào)平、判斷調(diào)整方向?qū)﹀e(cuò)、是否調(diào)節(jié)過量以及是否調(diào)平等子程序模塊。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫，其流程如圖3所示，帶雙引號(hào)的內(nèi)容為系統(tǒng)提示語音，＃1，＃2，＃3表示支點(diǎn)序號(hào)，XX，YY為數(shù)字（單位：角秒）。

系統(tǒng)上電復(fù)位后首先初始化各端口以及WDT，UART和SPI，然后等待用戶按鍵確認(rèn)，圖3中軟件流程比較清晰，這里就不再贅述。以下主要敘述如何進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗和如何使用看門狗功能。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the software of the system

該單片機(jī)提供幾個(gè)可由用戶選擇的振蕩器選項(xiàng)來產(chǎn)生CPU時(shí)鐘［3］。這些選項(xiàng)在對(duì)FLASH進(jìn)行編程時(shí)配置，包括片內(nèi)看門狗振蕩器、片內(nèi)RC振蕩器、使用外部晶振的振蕩器或外部時(shí)鐘源，本系統(tǒng)采用片內(nèi)RC振蕩器。通過配置分頻寄存器DIVM可進(jìn)行高達(dá)510分頻來提供CPU時(shí)鐘，該特性可使CPU暫時(shí)以較低頻率工作以降低功耗。系統(tǒng)在等待用戶按鍵確認(rèn)時(shí)通過分頻，CPU時(shí)鐘以14kHz運(yùn)行，CPU仍保持對(duì)事件的響應(yīng)能力但功耗大大降低，當(dāng)用戶按鍵確認(rèn)后系統(tǒng)又恢復(fù)到7.373MHz的頻率運(yùn)行。另外，通過置位AUXR1寄存器的CLKLP位也進(jìn)一步降低了功耗。

該單片機(jī)還嵌有內(nèi)部WDT（watchdogtimer：看門狗）［3］：當(dāng)軟件沒能在定時(shí)器溢出之前將其清零，WDT定時(shí)器就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生一次復(fù)位，使系統(tǒng)從錯(cuò)誤的操作中恢復(fù)。WDT具有一個(gè)獨(dú)立的振蕩器，頻率標(biāo)稱為400kHz。WDT主要包括1個(gè)控制寄存器（WDCON）、1個(gè)裝載寄存器（WDL）和2個(gè)看門狗清零寄存器（WFEED1，WFEED2）。WDCON 控制著 WDT 的開／關(guān)、WDT的時(shí)鐘源預(yù)分頻值和溢出時(shí)是否使能WDT使器件復(fù)位；WDL中存放數(shù)值，在每次看門狗溢出或執(zhí)行清零序列時(shí)裝入8位倒計(jì)數(shù)器；WFEED1，WFEED2主要在清零序列上使用。首先要對(duì)WDT初始化：

上述程序中，WDCON和WDL并不直接由用戶裝載，用戶對(duì) WDCON和 WDL進(jìn)行寫操作，但在清零序列結(jié)束時(shí)才裝入WDCON寄存器和WDL倒計(jì)數(shù)器。為了避免WDT復(fù)位，WDT必須定時(shí)進(jìn)行清零。下面是一個(gè)清零序列實(shí)例：

5 結(jié)論

基于單片機(jī)P89LPC935設(shè)計(jì)的智能調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，使用方便快捷、穩(wěn)定可靠、調(diào)平精度高，解決了大型測(cè)量設(shè)備調(diào)平程序復(fù)雜的難題，提高了設(shè)備測(cè)量精度，能以最少的步驟快速調(diào)平設(shè)備，提高工效70%以上。該成果已獲得國家實(shí)用新型專利，并在多項(xiàng)靶場(chǎng)試驗(yàn)任務(wù)中成功應(yīng)用；同時(shí)，在其他精密測(cè)量及光、機(jī)、電一體化技術(shù)中也具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 歐同庚，王琪，傅輝清，等.水平面基準(zhǔn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)平方法研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，28（5）：129－132.

［2］ 青島奧得森（中美）電子有限公司.DEG系列電子水平儀使用說明書［Z］.［2010－03－05］.http：／／www.audson.com.

［3］ P89lpc935product data sheet.［2010－02－05］.http：／／www.zlgmcu.com.

修改稿日期：2011－12－30