火控系統中角度測量系統的設計與實現

摘 要：現有角度測量設備成本高，不利于大批量采購，為滿足火控系統中教學實驗需要，研究設計了一種基于單片機C8051F330D的智能角度測量系統。該設計采用了分區間正余弦相比編碼和控制采樣時機的方法，其電路簡單，成本低廉，功能易于擴展，實驗測試結果表明可達到滿意精度，滿足了火控實驗中角度測量需要。

關鍵詞：C8051F330D；角度測量系統；低成本；設計與實現

中圖分類號：TP274文獻標識碼：B

文章編號：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中，載體平臺的姿態，傳感器和火炮伺服系統中的高低、方位等離不開角度位置信號的測量、控制和傳遞，一般采用自整角機或旋轉變壓器^［1］形式的模擬信號，角度位置信號的正確與否和精度決定了火控設備的整體工作狀況和性能。旋轉變壓器-數字轉換裝置是基于旋轉變壓器的方位角測量系統的重要組件，其方案選擇直接影響整個系統的準確度，國內外知名半導體公司將其發展成單片集成或模塊電路，如AD2S80ARDC，ZSZ/XSZ系列^［2］等，它們性能優越，但是價格昂貴，不適合低成本要求。

介紹的數字轉換器是以高性能單片機C8051F330D為核心，配以簡單的信號處理電路、成本低、易于實現，能滿足多數火控教學實驗的要求，且模塊化軟硬件設計易于功能擴展。

2 旋轉變壓器特性分析

旋轉變壓器是模擬型機電元件。根據其偏移角度θ的不同，旋轉變壓器勵磁信號和輸出信號為:

Z=Asin ωt

X=kAsin ωtsin θ

Y=kAsin ωtcos θ(1)

其中，Z為勵磁信號；X，Y為正余弦信號輸出；ω為信號角頻率，400 Hz中頻為2π/400 Hz；k為原副邊比；θ為偏移角度。旋轉變壓器軸角-數字轉換器的功能就是根據這3路模擬信號求出偏移角度θ的13位數字量。當旋轉變壓器負載運行時，由于其繞組的漏阻抗而導致輸出繞組上有一定壓降，使輸出電壓不再與轉子轉角成正、余弦函數關系，出現一些偏差。為消除輸出畸變，采用原副邊同時補償的旋轉變壓器接線方法。可消除由于負載阻抗變化和交流磁通的影響，減小誤差，提高輸出信號精度。

3 硬件實現

3.1 軸角轉換系統工作原理

系統主要由旋轉變壓器、信號調理電路、大小分選和采樣控制電路、單片機控制電路和通信顯示電路5部分^［3-5］構成。其中主控芯片C8051F330D^［6］內部集成有A/D，SPI，UART等功能模塊，大幅度減少了系統電路復雜性和成本，系統工作原理如圖1所示。

旋轉變壓器3路模擬信號先經過信號調理電路^［7］調理成單片機可接受的整流信號和相位信息的數字編碼以區分角度區間，同時通過勵磁整流信號相位控制A/D采樣克服電子開關低電壓造成的交越失真影響，提高系統精度和采樣率。兩路正余弦整流信號經過大小分選后送入A/D，大者做采樣基準信號，小者做采樣信號，單片機控制A/D采樣轉換得到ADC值為:

ADC=|Umin||Umax|×210=|tan θ|×1 024

(或|cot θ|×1 024)(2)

在單片機內部經過軟件濾波處理后進行反正切變換得到單區間的角度數字量，根據區間編碼求出絕對角度θ，最后選擇4位LED顯示或RS 232輸出角度。

圖1 基于旋轉變壓器的角度測量系統原理框圖

3.2 信號調理電路

由于sin ωt，sin θ和cos θ都有正負之分，信號調理電路主要功能是把輸入交流信號X，Y，Z轉換成3路為滿足A/D基準和輸入要求的單極性模擬信號。系統共有3路信號調理電路，首先將輸入信號峰值進行分壓衰減到2.7 V，然后采用能區分輸入信號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，將輸入信號經過監零電路輸出相位方波控制電子開關CD4053，在輸入信號的前半個周期內選擇輸入信號；在后半個周期內選擇反相信號，使用經過嚴格老化篩選的電阻保證正反相和正余弦等幅，同時將比較電路輸出的雙極性邏輯信號經過電子開關變換為單極性TTL信號，信號波形如圖2所示。本系統采用通用的模擬開關和運算放大器設計了一簡單可靠的信號調理電路，易于調試。

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端總輸出兩信號中的電壓大者。大小分選電路^［7］將正余弦信號將整流調理過的勵磁信號送入比較器和基準電壓進行比較，如圖3中波形所示，通過可調電阻調整采樣區間。

圖3 大小分選和采樣控制電路原理圖

3.4 系統控制芯片C8051F330D

Cygnal近年來推出一系列功能齊全的混合信號片上系統單片機^［6］。它的處理速度達到25 MIPS，是普通51單片機的20倍以上；采用先進的JTAG在線調試功能，不占用任何片內數字資源且開發成本低；集成了數據采集系統的所有常用模擬器件，內部10位A/D速度達到200 kb/s，并有電壓型D/A，片內可編程晶振，簡化了外圍電路設計；可通過交叉開關將內部的SPI，SMBUS，UART，PCA等豐富的數字信號資源分配到外部I/O接口上。此外，看門狗、低功耗、工業工作范圍、貼片封裝和多系列產品滿足了大多數工程應用。具體電路如圖4所示。

圖4 單片機控制系統電路原理圖

單片機系統設計中，由于單片機內部晶振工作速度達24.5 MIPS，A/D采樣速度設置為100 kb/s，在調試系統和設計PCB時，注重了抗干擾設計，提高了系統可靠性。

3.5 顯示和通信電路

顯示系統是為了滿足大多數角度離線測量，主要在軸角變化較慢時使用，實時顯示。顯示電路采用增強型串行接口（SPI）的8位共陰式數碼管智能鍵盤、顯示驅動芯片HD7279A^［8］，可接受單片機BCD碼或16進制碼，讀寫對應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，編寫相應子程序簡單。其硬件電路只需8支200 Ω電阻限流，復位RC阻容，電路簡單，且有直插和貼片封裝，方便調試和系統集成。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RS 232電平轉換器MAX 3232，只需4個0.1 μF電容即可完成轉換。串口通信速率設定為19.2 kb/s，數據格式為無奇偶校驗8位數據格式。

4 軟件實現

考慮到系統中有各種數值計算，單片機程序采用C51語言^［6，9］編寫，編寫簡單，模塊化子程序設計，易于調試和移植，通用性可讀性較強。系統流程如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖

系統上電復位后，首先進行初始化設置，包括交叉開關、內部晶振和引腳配置，SPI和UART初始化，對片上各功能模塊進行設置，然后進入角度采集死循環，當采樣控制器滿足采樣條件即ADCSTA=1，開始A/D采樣存儲，滿8次后，對采樣數據進行冒泡排序，取中間4個數據進行平均得tan θ或cot θ的數字量，并同時記錄信號調理電路各信號變換狀態編碼信息，由于A/D采樣速率極高，可保證角度的動態跟蹤采樣，之后進行反正切變換求得在一個45°區間內的角度值，再根據狀態編碼信息求出在一周內的絕對角度值，最后通過I/O接口上開關決定角度輸出方式，可選擇數碼管顯示輸出，可直接觀察軸角速度緩慢的角度變化；當角速度超出數碼管更新速率時，可關閉數碼管顯示開啟串口通信，提高系統采集和輸出速率。串口數據接收方面，使用VC++開發了串口調試軟件進行測試，并可使用Matlab，LabView等軟件開發串口角度讀取顯示存儲軟件，取得了很好效果。

5 性能指標

經過實驗調試測試，系統可達到以下指標：輸入方式：旋轉變壓器正余弦信號；分辨率： 理論13位，實際到11位；精度：0.2°；轉換速率：利用采樣控制可調；信號電壓：使用衰減電阻調整；數據輸出：數碼管顯示與串行數據。

可擴展功能^［10］：多通道、多極轉換；軟件自動校準；模塊化貼片厚膜封裝；擴展數據輸出方式，如USB，CAN總線，以太網等；配合虛擬儀器規范開發上位機驅動開發包；根據各種定制要求選用系統控制芯片，如可使用片上D/A實現數字正弦機，實現數字伺服系統設計。

6 結 語

主要討論了旋轉變壓器一數字轉換器的硬件設計和軟件實現。該系統具有簡單、實時、低價等許多優點。用混合信號單片機C8051F330D代替普通的51單片機，能使電路集成度更高，體積更小。測試結果表明所采用的方案能夠在電路簡單、低成本、操作簡單的基礎上使整個系統達到令人滿意的準確度。

參考文獻

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作者簡介 顧東杰 男，1985年出生，河南信陽人，碩士研究生。研究方向為火力控制系統，艦艇C3I系統。

邢昌風 男，1957年出生，安徽蕪湖人，教授，博導。研究方向為作戰系統工程。

周 豐 男，1972年出生，江蘇贛余人，副教授。研究方向為指揮控制系統。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文