王俊林，惠進(jìn)，宋金鴻，詹浩然，高強(qiáng)，王亞楠

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安 710065）

旋轉(zhuǎn)變壓器作為光電轉(zhuǎn)臺(tái)[1]中關(guān)鍵的伺服運(yùn)動(dòng)角度輸出單元，其接線(xiàn)正確與否直接影響光電轉(zhuǎn)臺(tái)角度解算效率。當(dāng)接線(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，傳統(tǒng)解決辦法是裝調(diào)人員依靠經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)查驗(yàn)，當(dāng)角度輸出不符合轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，說(shuō)明接線(xiàn)錯(cuò)誤，則調(diào)換線(xiàn)序，并開(kāi)機(jī)驗(yàn)證，直至接線(xiàn)正確。為了取代人工倒線(xiàn)序的現(xiàn)狀，基于可編程邏輯器件和微控制器實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器接線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的功能，進(jìn)而提高了光電轉(zhuǎn)臺(tái)角度解算的工作效率。

1 總體思路設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)變壓器[2-3]是一種電磁感應(yīng)式傳感器，可測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角角度位移和角速度，它是由兩種不同極對(duì)數(shù)的定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子繞組作為變壓器的原邊，接收激磁電源提供的勵(lì)磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊通過(guò)電磁耦合輸出包含角度位移信息的信號(hào)，其為正、余弦模擬電壓信號(hào)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器接線(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，輸出的模擬電壓信號(hào)不是正確的正、余弦模擬信號(hào)，將導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)臺(tái)角度解算[4-7]錯(cuò)誤。該文將以某典型陸用光電轉(zhuǎn)臺(tái)中的一種旋轉(zhuǎn)變壓器為例，設(shè)計(jì)一種接線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)變壓器、信號(hào)切換模塊、主控模塊、角度解算模塊、角度判斷模塊以及顯示模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成

其中，主控模塊用來(lái)存儲(chǔ)待檢測(cè)旋轉(zhuǎn)變壓器所有接線(xiàn)組合的地址信號(hào)，并將該地址信號(hào)逐一自動(dòng)發(fā)送給信號(hào)切換模塊；信號(hào)切換模塊與待檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)變壓器連接，負(fù)責(zé)將當(dāng)前接線(xiàn)組合下的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)提供給角度解算模塊，并依據(jù)主控模塊的地址信號(hào)切換旋轉(zhuǎn)變壓器的接線(xiàn)組合；角度解算模塊解算接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，并將解算結(jié)果輸出給主控模塊，主控模塊隨即將該結(jié)果輸出給角度判斷模塊；角度判斷模塊對(duì)輸入的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果反饋給主控模塊，最終主控模塊將判斷結(jié)果輸出給顯示模塊顯示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

針對(duì)自動(dòng)檢測(cè)需求，該文選用的主控芯片為Intel 公司的可編程邏輯器件EPM7192SQI160C8[8-9]，EPM7192SQI160C8 采用CMOS 工藝，是一種基于EPROM 的器件。該器件有160 個(gè)引腳，其中五個(gè)用于ISP(In-System Programmability)下載，以方便對(duì)其進(jìn)行在線(xiàn)系統(tǒng)編程。此器件共3 750 個(gè)典型可用門(mén)，192 個(gè)邏輯單元，124 個(gè)IO 口，含兩個(gè)全局時(shí)鐘，可單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式，支持多種編程方式。同時(shí)該芯片支持在多種電壓下工作，芯片傳輸延時(shí)為7.5 ns，最高工作頻率為125 MHz。

主控模塊存儲(chǔ)待檢測(cè)旋轉(zhuǎn)變壓器所有接線(xiàn)組合的地址信號(hào)，并自動(dòng)將該地址信號(hào)逐一發(fā)送給信號(hào)切換模塊，信號(hào)切換模塊將根據(jù)該地址信號(hào)對(duì)應(yīng)的接線(xiàn)組合進(jìn)行線(xiàn)序切換。角度解算模塊解算出旋轉(zhuǎn)變壓器在當(dāng)前接線(xiàn)組合下的輸出信號(hào)后再將數(shù)據(jù)經(jīng)主控模塊輸出給角度判斷模塊完成最終檢測(cè)。主控模塊主要電路如圖2 所示。

圖2 主控電路

信號(hào)切換模塊選用8 片八路譯碼模擬開(kāi)關(guān)器件CD4051[10-11]芯片，每片CD4051 有八路模擬輸入端，一路模擬輸出端，具有3-8 譯碼器功能，可解碼不同的地址碼。這里選擇八路輸入中的其中一路作為輸出，在信號(hào)切換模塊中有三路地址段實(shí)現(xiàn)對(duì)八路模擬輸入的編碼，輸出八路模擬信號(hào)，以完成對(duì)輸入端線(xiàn)序的更新調(diào)整。信號(hào)切換模塊部分電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)切換電路

由于旋變輸出的模擬信號(hào)額定電壓為26 V，而CD4051 能接收的最大模擬輸入信號(hào)為VDD-VEE 即10 V，因此在信號(hào)切換模塊前端增加信號(hào)衰減模塊，將旋變輸出的模擬信號(hào)同比例縮小到CD4051 能接收的范圍內(nèi)，具體電路如圖4 所示。同樣，在信號(hào)切換模塊后端增加信號(hào)放大模塊，將調(diào)整后的旋變信號(hào)同比例放大到角度解算模塊接收的信號(hào)范圍內(nèi)，具體電路如圖5 所示。

圖4 信號(hào)衰減電路

圖5 信號(hào)放大電路

角度判斷模塊由微控制器AT89S51[12-13]完成主要功能，AT89S51是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，內(nèi)部集成4 kBytesFlash程序存儲(chǔ)器，128 Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（IO）口，兩個(gè)16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行通信口；具有五向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，可兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結(jié)構(gòu)。

角度判斷模塊首先通過(guò)并口從主控模塊處讀取角度解算模塊解算出的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)變壓器接線(xiàn)線(xiàn)序下的角度數(shù)據(jù)，隨后按照設(shè)定程序?qū)ψx取的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，判別完成后將判斷結(jié)果再通過(guò)并口輸出給主控模塊，主控模塊將判斷結(jié)果最終輸出給顯示模塊顯示，這里顯示模塊選用數(shù)碼管。角度判斷模塊的電路如圖6 所示。

圖6 角度判斷電路

角度解算模塊接收信號(hào)切換模塊提供的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)進(jìn)行角度解算，解算出的角度數(shù)據(jù)輸出給主控模塊。角度解算模塊電路圖如圖7 所示。

圖7 角度解算電路

選用連云港杰瑞公司的16XSZ3412-S16-07-T16[14-16]型解算-數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行角度信號(hào)解算，16X SZ3412-S16-07-T16 型轉(zhuǎn)換器是一種單塊式解算-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包含有粗、精兩路解算-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一個(gè)用于粗、精組合糾錯(cuò)的處理器，產(chǎn)品規(guī)定的粗、精組合速比為1∶16。該系列轉(zhuǎn)換器可接收兩路四線(xiàn)解算器信號(hào)。轉(zhuǎn)換器輸出為自然并行二進(jìn)制數(shù)碼，最高可達(dá)19 位，通過(guò)控制三個(gè)使能信號(hào)，即可輸出一個(gè)19 位數(shù)字量，又可分別輸出三個(gè)字節(jié)。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)變壓器接線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)邏輯：信號(hào)切換模塊接收待檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)變壓器原始的線(xiàn)序，主控模塊通過(guò)對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行譯碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原始線(xiàn)序的調(diào)整，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，主控模塊生成一組新的接線(xiàn)線(xiàn)序組合對(duì)應(yīng)的地址信號(hào)，隨后，這一組信號(hào)作為角度解算模塊的輸入被解算為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)范圍為0-65535,其中65535 代表旋轉(zhuǎn)變壓器的零位。此時(shí)角度判斷模塊以10 ms的周期通過(guò)主控模塊從角度解算模塊中采樣角度數(shù)據(jù)序列，采樣完成后對(duì)角度數(shù)據(jù)序列進(jìn)行判別。判別結(jié)果作為主控模塊的下一步控制指令，當(dāng)角度判斷模塊判斷角度數(shù)據(jù)序列是錯(cuò)誤線(xiàn)序下的角度數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊將重新生成下一個(gè)線(xiàn)序，開(kāi)始新的檢測(cè)循環(huán)，而當(dāng)角度判斷模塊判斷角度數(shù)據(jù)序列是正確線(xiàn)序下的角度數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊將保存當(dāng)前的正確線(xiàn)序，并送入顯示模塊顯示。工作原理流程如圖8所示。

圖8 工作原理流程

其中，核心的角度判斷模塊為接線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)提供直接的線(xiàn)序正確與否的判斷依據(jù)，其判斷流程如圖9 所示。

圖9 角度判斷流程圖

當(dāng)角度判斷模塊查詢(xún)到檢測(cè)周期開(kāi)始標(biāo)志時(shí)，則進(jìn)入檢測(cè)，接收新的線(xiàn)序信號(hào)Xn，否則等待查詢(xún)開(kāi)始標(biāo)志；接收到Xn后，角度判斷模塊以10 ms 作為采集周期從主控模塊中獲取角度數(shù)據(jù)，采集完成后先存入當(dāng)前數(shù)組Data1，隨后角度判斷模塊判斷Data1 數(shù)組中的數(shù)據(jù)是否包含零位數(shù)據(jù)，即是否包含65535 值，如果包含，則對(duì)零位值及其之后采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加65535 操作，完成后先按數(shù)據(jù)遞增性對(duì)Data 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，如果滿(mǎn)足數(shù)據(jù)遞增性，再按數(shù)據(jù)等差性對(duì)Data 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，如果滿(mǎn)足數(shù)據(jù)等差性，角度判斷模塊將發(fā)送顯示信號(hào)到主控模塊，代表判讀出正確線(xiàn)序，若不滿(mǎn)足，則說(shuō)明當(dāng)前線(xiàn)序錯(cuò)誤，需要繼續(xù)接收新的線(xiàn)序判斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文針對(duì)傳統(tǒng)辦法糾正光電轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器接線(xiàn)錯(cuò)誤效率低下的問(wèn)題，提出了一套自動(dòng)接線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)思路，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)總體構(gòu)成、硬件電路等的設(shè)計(jì)以及軟件實(shí)現(xiàn)中的流程規(guī)劃，完成了基于可編程邏輯器件和微控制器的光電轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器接線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)可快速實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的接線(xiàn)線(xiàn)序判斷，解決了目前人工倒線(xiàn)重復(fù)驗(yàn)證的問(wèn)題，成本低，可靠性高，大大提高了光電轉(zhuǎn)臺(tái)裝調(diào)過(guò)程的工作效率。