自適應導航姿態信息實時轉換系統

楊傳順，王學萬，徐 僖

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港222006)

0 引言

作為角度測量的傳感器自整角機和旋轉變壓器被廣泛應用于航空、航天、航海、雷達、火炮、數控機床、機器人等軍民用系統或裝備中，這些領域都需要高精度、高分辨率的角度測量控制系統。

以船舶的導航系統為例，中央陀螺穩定系統負責實時采集船舶的縱搖和橫搖軸角模擬量信息，陀螺航向指示器負責實時采集船舶航行時的首向軸角模擬量信息、計程儀負責實時采集船舶的航速軸角模擬量信息。而整個船舶中有很多電子設備需要該類導航信息，例如雷達、光電、火炮、導彈以及航行控制中心等，并且不同的電子設備對該類信息的需求參數也可能不同，有的需要自整角機信號，有的需要旋轉變壓器信號;有的需要粗精雙通道數據，有的只需要粗通道數據即可;除此外，在信號的參考電壓和參考頻率、跟蹤速率以及轉換精度方面等也可能存在不同的需求。這就需要設計出具有自適應功能的高精度導航姿態信息實時轉換裝置，以滿足整個船舶系統的不同電子設備的導航姿態信息需求。

1 系統體系結構

系統體系結構示意圖如圖1所示。其中導航設備實時采集的模擬量軸角姿態信息 (縱搖、橫搖、航向、航速等)輸入到SDC(自整角機-數字轉換器)或RDC(旋轉變壓器-數字轉換器)中，具體是SDC還是RDC模塊由模擬量姿態信息是自整角機形式還是旋轉變壓器形式決定。經過SDC或RDC模塊轉換為數字量姿態信息，常見的轉換精度可以是12位、14位、16位、18位或者20位，這由所選軸角-數字轉換模塊的具體轉換精度決定。然后把轉換后的數字量姿態信息一路分多路輸入到DSC(數字-自整角機轉換器)或DRC(數字-旋轉變壓器轉換器)中，具體是DSC還是DRC模塊由需要該模擬量姿態信息的模擬接口設備是需要軸角形式的還是需要旋轉變壓器形式的決定，在DSC或DRC中根據系統內需要該軸角姿態信息的各個電子設備的具體需求轉換為相應的模擬量姿態信息發送出去，實現了導航姿態信息的實時轉換和分配，在進行高精度轉換的同時，滿足了各個電子設備的模擬量姿態信息的不同接口需求，實現了導航姿態信息的自適應轉換，起到了接口適配器的作用。當然，如果是數字接口設備則直接接收DSC或DRC轉換后的數字量姿態信息即可。

總之，該系統的接口自適應的功能，主要體現在:

1)輸入/輸出模擬量信息為自整角機或旋轉變壓器的自適應;取決于模擬量信息是自整角機形式還是旋轉變壓器形式;

圖1 系統體系結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

2)輸入/輸出信號的單速或雙速轉換能力的自適應，取決于轉換模塊選擇雙速還是單速，當然雙速的可以只使用粗通道從而作為單速使用;

3)輸入/輸出信號的不同速比自適應，可以通過更改SDC或RDC的固件程序改變速比;

4)轉換精度的自適應，取決于SDC或RDC模塊的轉換精度(位數)，但需要滿足DSC或DRC模塊的數字量處理精度(位數)不小于SDC或RDC模塊數字量輸出精度(位數);否則會造成轉換精度下降或者轉換出的數據錯誤(最高位的有用信息丟失)。

5)輸出信號的不同設備的模擬量需求接口自適應;這由接口需求設備提供的激磁信號的參考電壓和參考頻率決定。

2 軸角轉換技術

自整角機和旋轉變壓器都是按照電磁感應原理輸出模擬電信號的元件，基本的電磁結構是定子、轉子上都有線圈繞組，彼此耦合聯系，都屬于微特電機［1］。自整角機一般采用三相繞組方式，轉子上放置單相激磁繞組。3個定子繞組成Y型排列，兩兩之間的夾角為120°。旋轉變壓器采用正交的兩相繞組。定子繞組為變壓器的原邊，通過固定在殼體上的接線柱引出軸角信號，感應電動勢由定子繞組輸出。轉子繞組為變壓器的副邊，激磁電壓接到轉子繞組上。

無論是自整角機還是旋轉變壓器都主要實現2種功能:一是將輸入的機械轉角信號按照指定函數關系轉換為電信號，二是將輸入的電信號按照指定函數關系轉換為機械轉角信號。這2種功能都經常應用在同步伺服系統中，使遠距離的多個機械轉軸能夠精確的保持相同的轉角變化或同步變化，實現角度位置的遠距離傳輸和轉換［2］。

將自整角機或旋轉變壓器的軸角模擬量信號轉換為數字信號，或者數字信號轉換為軸角模擬量信號，常見的是采用專用的轉換器。

2.1 軸角模擬量-數字轉換器

ZSZ型系列轉換器是一種小型化、具有連續跟蹤轉換技術的自整角機/旋轉變壓器-數字轉換器，采用II階伺服回路設計。它接收三線自整角機信號和參考信號或者四線旋轉變壓器信號和參考信號，輸出的數字信號經三態鎖存器緩沖后轉為16位并行自然二進制碼數字量，通過控制信號，既可以輸出1個16位的數字全角量，又可以以2個字節輸出［3］。原理圖見圖2所示。

圖2 軸角-數字轉換器原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotary to digital converter

如果輸入的模擬軸角量是自整角機信號，則自整角機的三線輸出應連接到轉換器的S1，S2和S3端;如果輸入的模擬軸角量是旋轉變壓器信號，則旋轉變壓器的四線輸出應連接到轉換器的S1，S2，S3和S4端。輸入的軸角信號經過轉換器內部的微型Scott變壓器，進行信號隔離和變壓后，將這些信號轉換成正、余弦形式，即

式中，θ為自整角機信號輸入的軸角量。

假設加/減計數器(又稱可逆計數器)的當前字狀態為φ，那么把φ輸入到高速正余弦乘法器中，V1乘以cosφ、V2乘以sinφ分別變為:

這2個信號經誤差放大器相減，即得

該交流信號經過同頻同相位的參考信號相敏調節器、積分器、壓控振蕩器 (VCO)和加/減計數器等組成的一個閉環回路，直至使

2.2 數字-軸角模擬量轉換器

SZZ系列轉換器是一種全電子的自整角機/旋轉變壓器模擬輸出裝置，其功能是將輸入的數字全角量轉換成自整角機/旋轉變壓器形式的模擬電壓輸出。

SZZ系列轉換器的原理圖見圖3所示［4］。輸入的參考信號經電子變壓器隔離降壓，給正余弦乘法器提供給參考信號;數字角度量輸入，經數字鎖存器把低12位或14位數字量送到正余弦乘法器，把高兩位數字量連接到象限選擇開關，以形成全角量的正、余弦模擬信號，經過功率放大器進行放大，最后由輸出變壓器升壓隔離形成三線自整角機信號輸出或者四線二相的旋轉變壓器信號輸出。同時，轉換器設計中增加了電流限制電路，防止由于過載或者由于輸出波形畸變而導致轉換器拉偏某一電源，大大提高了可靠性能。

圖3 數字-軸角轉換器原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of digital to rotary converter

假設輸入的參考電壓為:Vref=E0sinωt，E0為參考電壓的幅值，則輸出的自整角機信號為:

輸出的旋轉變壓器信號為:

K為輸出變壓器的變化，RH和RL為參考信號的輸入端，RH為高端，RL為低端。ENL和ENM為數字鎖存器的控制端，ENM控制高字節數字量，ENL控制低字節數字量。當ENL和ENM為邏輯高電平時，轉換器的輸出跟隨數字輸入量變化;當ENL和ENM為邏輯低電平時，轉換器的輸出將被鎖存為下降沿的時刻的輸入數據，并保持不變。

3 姿態信息實時轉換和分配

3.1 實時轉換和分配

實際實現的姿態信息轉換系統采取軸角模擬量-數字轉換和數字-軸角模擬量轉換的2個功能單元邏輯上獨立，圖4為軸角-數字轉換邏輯單元的功能示意圖，圖5為數字-軸角轉換邏輯單元的功能示意圖。物理上位于系統內同一個電子設備內，共用同一塊底板，通過底板的走線連接2個功能單元，實時的傳送數據;并把轉換后的導航數據發送到需要數據的各電子設備中。該轉換通道不受其他設備的運行影響，避免了傳統的處理方式導致的軟件處理和硬件傳輸的時間延遲，使系統數據處理的實時性和可靠性得到了進一步加強［5］。

3.2 數值解碼

數值解碼就是把輸入的角度模擬量轉換為相應的角度數字量，或者是把輸入的角度數字量轉換為相應的角度模擬量，這2個轉換過程相反，原理類似。下面以角度模擬量轉換為角度數字量為例說明數值解碼過程［6］。

對于圖4中所示的軸角-數字轉換邏輯單元，為了提高軸角轉換的精度，通常采用粗、精組合的雙通道技術。粗通道和精通道通過速比 (1∶N)聯系。假設圖4中的N=32，即速比為1∶32，若粗通道轉一周代表360°，則精通道轉一周代表360°/32=11.25°。

這樣精通道就有9位的權值和粗通道重合，則粗、精數據組合時，取粗通道的前5位，然后取精通道的全部，組成19位數，即輸出的數字量為C1，C2，C3，C4，C5，F1，F2，F3，…，F14。其中C1為最高位 (MSB)，代表 180°;F14為最低位(LSB)，代表 0.0006866°。

4 精度測試和分析

對姿態信息轉換系統的精度測試示意圖如圖6所示，采用自整角機或旋轉變壓器模擬器向轉換系統輸入自整角機信號或旋轉變壓器信號，轉換系統輸出的自整角機信號或旋轉變壓器信號輸出到JWZ548A雙速角度位置指示器中［7］，同時轉換系統經由SDC或RDC轉換后的數字量軸角信息通過接口轉換插件直接在顯示器中顯示出來。這樣就可以對如下的轉換精度做統計分析:

1)由自整角機/旋轉變壓器模擬器的輸入值對比雙速角度位置指示器的數值可以得到整個轉換系統的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度;

2)由自整角機/旋轉變壓器模擬器的輸入值對比顯示器的顯示值可以得到轉換系統中SDC或RDC的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度;

3)由顯示器的顯示值對比雙速角度位置指示器的數值可以得到轉換系統中DSC或DRC的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度。

圖6 實時轉換系統的精度測試示意圖Fig.6 Accuracy test schematic diagram of real-time conversion system

轉換模塊的本身的數字量輸入或輸出位數多少會影響轉換精度，粗精通道的速比值，以及經過雙速處理器處理后的數字量位數多少也會影響轉換精度。表1為轉換位數的精度對應表［8］，且這些誤差的疊加不會超過表1中精度值的2倍。

這樣，就得到了整個實時轉換系統的精度統計分析，測試結果表明系統的實際轉換精度主要和轉換模塊 (SDC，RDC，DSC或DRC)的固有精度指標相關。從系統的體系結構也可以分析出，轉換系統的輸入和輸出之間通過底板的走線連接起來，并且傳輸的信號全部是數字信號，不存在傳輸差錯的問題 (采用校驗方式)，并且如果20位或以上的雙速處理器，疊加到系統上的誤差不會超過0.0007°，即0.004'，這個誤差對系統的影響基本可以忽略不計。因此需要根據系統的轉換精度要求，調整轉換模塊的型號;通過選擇合適精度的轉換模塊，以滿足整個轉換系統的精度指標要求［9］。

表1 轉換位數精度對應表Tab.1 Corresponding accuracy table of conversion bit

5 結語

該姿態信息轉換系統因其在輸入(SDC或RDC)和輸出(DSC或DRC)之間有4種不同的信號轉換組合方式，輸入和輸出的速比也可以由軟件控制，可以同時滿足粗精雙通道的轉換方式，對不同電子設備的導航姿態信息接口具有很強的自適應性。并且由于轉換系統具有結構簡單，性能穩定可靠，轉換通道不受外界影響，強實時、低延遲的轉換和分配等優點，已裝備于多個艦船的導航控制系統和武器控制系統中，應用效果良好，同時也增強了不同系統之間不同設備的互操作性和互換性，提高了整個系統的穩定性和可靠性。

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