劉仁貴 ，李偉華 ，黨建林 ，馬勝毅 ，侯成英

（1.西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院陜西西安710124；2.陜西捷普控制技術(shù)有限公司陜西西安712000；3.西安晨曦航空科技股份有限公司陜西西安710077）

氣象雷達(dá)是用于探測天氣的雷達(dá)，氣象雷達(dá)在工作的過程中，有時需要對特定的空間區(qū)域進(jìn)行反復(fù)掃描，實時跟蹤特定云系的變化和走向，以提高預(yù)報的準(zhǔn)確性。因此，在氣象雷達(dá)運動控制系統(tǒng)中，需要對方位和俯仰的角度位置實時解碼，并精確定點到某個特殊的角度，否則容易造成前后掃描云圖的重合性變差。

旋轉(zhuǎn)變壓器（旋變）[1]的定子和轉(zhuǎn)子是分開安裝的，為非接觸式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，維護(hù)方便，對機械和電氣噪音不敏感，抗干擾能力好，具有很高的可靠性，因此廣泛應(yīng)用于各種條件惡劣環(huán)境下的角度測量。

由于旋變的輸入端是具有一定頻率的交流勵磁電壓[2]，輸出端也是模擬量信號。在用旋變進(jìn)行角度測量時，需要為其產(chǎn)生勵磁信號并將旋變輸出的模擬量變換成表示角度的數(shù)字信號的解碼器。

本文闡述了一種新型單芯片旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S1210的外圍硬件電路設(shè)計以及軟件設(shè)計，并對設(shè)計進(jìn)行了驗證，給出了試驗結(jié)果。

1 硬件設(shè)計

1.1 氣象雷達(dá)運動控制方案

為了減少經(jīng)過滑環(huán)的電纜的數(shù)量，提高控制系統(tǒng)的可靠性，氣象雷達(dá)的俯仰運動和方位[3]運動分別由兩塊獨立的控制板卡完成，兩塊控制板卡通過兩個獨立的RS232通信端口接收主控計算機發(fā)出的定速或定點控制指令。定速則是方位運動或者俯仰運動按照主控計算機指定的速度勻速轉(zhuǎn)動，定點運動則是方位運動或者俯仰運動轉(zhuǎn)動到指定的角度位置并停止轉(zhuǎn)動。氣象雷達(dá)的控制方案如圖1所示。

圖1 氣象雷達(dá)控制方案

1.2 AD2S1210概述

AD2S1210[4]是ADI公司推出的完整的單芯片旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（R/DC），在分辨率為10位且時鐘為8.192 MHz的情況下，最大跟蹤速率可達(dá)2 500 rps。AD2S1210的最大分辨可達(dá)16位，可由用戶設(shè)定，最大精度可達(dá)0.005°?？赏ㄟ^并行或者串行SPI接口對其進(jìn)行配置以及讀取絕對位置、實時速度以及故障代碼數(shù)據(jù)。

AD2S1210的外圍電路主要是旋變勵磁信號驅(qū)動電路和旋變輸出的SIN/COS信號接收電路[5]，AD2S1210與外圍電路的硬件接線關(guān)系如圖2所示。

圖2 AD2S1210的硬件接線圖

1.3 AD2S1210勵磁信號電路

由于旋變與AD2S1210的距離較遠(yuǎn)，且旋變的阻抗一般都不大，從幾十歐姆到幾百歐姆，例如160XZ01-1B型旋變的直流阻抗為200Ω左右，而AD2S1210輸出的差分勵磁信號EXC/------EXC幅度僅為3.6Vp-p，抗干擾能力和驅(qū)動能力弱，因此，為了提高勵磁信號的抗干擾能力和驅(qū)動能力，需要對勵磁信號進(jìn)行電壓和電流的放大[6]，為旋變提供足夠的驅(qū)動電流。另外，AD2S1210輸出的勵磁信號EXC/------EXC來自其內(nèi)部D/AC，由于D/AC過程會產(chǎn)生一定的量化噪聲，因此，勵磁驅(qū)動電路中還應(yīng)增加濾波電路，以減少驅(qū)動信號中的噪聲[7]。AD2S1210勵磁信號電路如圖3所示。

圖3 勵磁信號電路

圖3中，勵磁信號經(jīng)過以雙通道運算放大器AD8692[8]為核心的三階巴特沃茲低通濾波器[9]以及AD8397構(gòu)成的高電流驅(qū)動后，與旋變的勵磁端連接。

三階巴特沃茲低通濾波器由前、后兩級組成，前級由R31、R33、R35、C33、C35、U4A構(gòu)成多反饋有源低通濾波器，后級由R37、C37組成一階無源RC濾波器。三階巴特沃茲低通濾波器的直流增益和-3 dB的截止頻率分別如式（1）和式（2）。

濾波前與濾波后的勵磁信號如圖4所示。圖4中，上面的波形為濾波前的波形，下面的波形為濾波后的波形。

從圖4可以看出，濾波器電路的引入，有效減少了勵磁信號中的噪聲，但由于濾波電路中電容的存在，引起了信號的相移[10]，其相移為-5°左右。

圖4 濾波效果

高電流驅(qū)動電路以AD8397為核心，其最大輸出電流高達(dá)310 mA，高電流驅(qū)動電路的單端增益為1+R43/R41=2.5，差分信號增益為5。因此，高電流驅(qū)動電路不僅為旋變提供了足夠的驅(qū)動電流，同時還將勵磁信號放大到適當(dāng)?shù)闹?，以提高勵磁信號的抗干擾能力。在12 V供電的情況下，AD8397輸出的勵磁信號幅度為3.6Vp-p×5=18Vp-p。

1.4 AD2S1210信號接收電路

由于旋變輸出的SIN/COS信號要經(jīng)過較長線路傳輸，傳輸過程中容易受到噪聲干擾，且信號的幅度不滿足AD2S1210信號輸入的要求，因此，AD2S1210信號接收電路的主要作用是消除傳輸線路上產(chǎn)生的干擾信號，并將SIN/COS信號調(diào)整到AD2S1210能接受的3.15 Vp-p±27%范圍內(nèi)。AD2S1210信號接收電路如圖5所示。

圖5 AD2S1210信號接收電路

信號接收電路由兩級組成，前級為一階有源低通濾波器，增益為-R55/R60=-0.889，后級為多反饋有源低通濾波器，其增益為-R47/R8=-0.426。信號接收電路總的增益和-3 dB截止頻率分別如式（3）、（4）。

圖6 接收電路輸入、輸出信號

由于氣象雷達(dá)選用旋變的變比為0.45，因此旋變輸出的差分SIN/COS信號幅度最大為8.1 Vp-p，AD2S1210輸入信號的幅度為8.1 V×0.378=3.062 Vp-p，滿足AD2S1210的輸入電壓要求。

圖6為AD2S1210信號接收電路的輸入信號（上）、輸出信號（下）的對比圖。

從圖6可以看出，由于旋變自身良好的抗干特性以及系統(tǒng)中屏蔽傳輸線的使用，信號幾乎不受外界干擾。濾波電路引起信號-2.16°的相移。

1.5 信號的相移

圖7 相位差

從圖7可以看出，由于旋變相移的存在，整個信號鏈路的總相移約為2.87°，大大低于±44°的最大允許值。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件流程

在氣象雷達(dá)控制系統(tǒng)中，微處理器采用STM32F407VGT6，其主頻高達(dá) 168 MHz，并帶 DSP、FPU以及豐富的外設(shè)，使其非常適合氣象雷達(dá)伺服電機的控制以及相關(guān)浮點數(shù)據(jù)的計算[12]。STM32F407VGT6通過SPI接口對AD2S1210進(jìn)行設(shè)置和讀取相關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)。AD2S1210的軟件操作流程如圖8所示。

圖8 軟件流程

2.2 通信接口選擇

AD2S1210與控制器之間既可以通過4線串行SPI接口進(jìn)行通信[13]，也可以通過16位并行接口通信，但SPI接口占用的硬件IO資源少，且時鐘速率最高可達(dá)25 MHz，完全滿足系統(tǒng)的要求，因此，氣象雷達(dá)控制系統(tǒng)中，AD2S1210與控制器之間通過SPI接口進(jìn)行通信。通信接口的選擇，由信號的電平?jīng)Q定，當(dāng)為高電平時，并行接口使能；當(dāng)引腳處于低電平時，串行接口使能。

2.3 工作模式選擇

AD2S1210有配置模式和普通模式兩種工作模式[14]。配置模式用于對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如勵磁頻率、分辨率和故障檢測閾值等。配置模式也可用于讀取故障寄存器中的信息。位置和速度寄存器中的數(shù)據(jù)也可以在配置模式下進(jìn)行讀取。AD2S1210可以完全工作在配置模式下，也可以在配置完成后，工作在普通模式下。在普通模式下，可以讀取位置和速度數(shù)據(jù)。A0和A1引腳的電平用來確定工作模式，以及普通模式下輸出的是位置還是速度數(shù)據(jù)[15]，具體如表1所示。

2.4 參數(shù)設(shè)置

在實際應(yīng)用中，AD2S1210的設(shè)置主要是勵磁頻率的設(shè)置和分辨率的設(shè)置。

表1 工作模式設(shè)置

AD2S1210的勵磁頻率范圍是從2 kHz到20 kHz，以250 Hz為增量。勵磁頻率的設(shè)置主要是修改寄存器0x91的值FCW，勵磁頻率的計算如式（5）。

式（5）中，fCLKIN為AD2S120的晶振頻率。在本控制系統(tǒng)中，AD2S1210的勵磁頻率采用2 kHz，頻率低可以減小信號的相移。

AD2S1210最大跟蹤速度與分辨率有關(guān)，分辨率越高，其最大跟蹤速度越低。氣象雷達(dá)在轉(zhuǎn)動的過程中，方位最大轉(zhuǎn)速僅為36°/秒，但定點精度要求最大誤差不大于0.1°，因此在氣象雷達(dá)控制系統(tǒng)中，AD2S1210的分辨率設(shè)置為16位。在普通模式下，分辨率由RES0和RES1輸入引腳電平?jīng)Q定，在配置模式下，分辨率由設(shè)置控制寄存器0x92中的D0和D1位，即RES0和RES1位決定。具體設(shè)置如表2所示。

表2 分辨率設(shè)置

2.5 數(shù)據(jù)讀取

AD2S1210位置[16]數(shù)據(jù)高、低字節(jié)分別存儲于0x80和0x81寄存器中，速度數(shù)據(jù)高、低字節(jié)分別存儲于0x82和0x83寄存器中。在氣象雷達(dá)控制系統(tǒng)中，AD2S1210的分辨率采用16位，因此，可以將位置數(shù)據(jù)的兩個字節(jié)組合成一個無符號的短整型數(shù)據(jù)，并乘以0.005493（360/65536）即可得到角度位置。將速度數(shù)據(jù)的兩個字節(jié)組合成一個有符號的短整型數(shù)據(jù)，并乘以0.003815（125/32768）即可得到實時速度，實時速度為正值，表示旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向，為負(fù)值，則表示旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向。

2.6 故障處理

AD2S1210的故障寄存器0xFF是一個8位的寄存器，每一位的值代表一種故障是否發(fā)生，如表3所示。

表3 故障寄存器位功能描述

AD2S1210能夠自動檢測輸入信號故障，當(dāng)沒有故障發(fā)生時，寄存器的值為0，當(dāng)發(fā)生故障時，對應(yīng)的位為1，且讀取到的位置和速度數(shù)據(jù)也為無效數(shù)據(jù)，因此通過讀取故障寄存器的值可以判定當(dāng)前讀取的數(shù)據(jù)是否有效，以及故障發(fā)生的原因，方便故障的排除。該功能在氣象雷達(dá)控制系統(tǒng)中非常有用，為系統(tǒng)的平穩(wěn)運行提供了有力的保證，因為錯誤的數(shù)據(jù)將可能導(dǎo)致定點控制算法失效，造成雷達(dá)劇烈震動，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成損壞。在氣象雷達(dá)控制系統(tǒng)中，當(dāng)檢測到有故障發(fā)生時，微處理器將上報主控計算機，并立即停止轉(zhuǎn)動，確保系統(tǒng)安全。

3 實際效果

基于AD2S1210的旋變信號采集板如圖9所示。

圖9 信號采集板實物圖

定點控制測試結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，方位定點180°時，實際定點為 180.02°，誤差為 0.02°；俯仰定點 45°時，實際定點為45.00°，誤差為0.00°。

4 結(jié)論

圖10 定點控制測試

本文著重介紹了AD2S1210的外圍硬件電路設(shè)計以及AD2S1210的軟件操作，并制作實際電路對設(shè)計經(jīng)行了驗證，從實驗的結(jié)果來看，俯仰控制誤差不大于0.01°，方位控制誤差不大于0.02°，且AD2S1210的讀數(shù)非常準(zhǔn)確、穩(wěn)定，為系統(tǒng)的高精度定點控制和長期的穩(wěn)定運行提供了重要的保證。從實際裝機運行的結(jié)果來看，定點迅速、精確，系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，最終雷達(dá)掃描空間區(qū)域得到的云圖效果也非常好。