基于P89LPC935的智能調平系統(tǒng)設計＊

劉杰，李德勝，王穎，陳佐龍

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

1 引言

調平是靶場許多大型精密測量設備正常工作的前提條件，調平精度直接影響其性能和總體精度。因此，固定站設備在初次安裝及以后的使用中需要對基座進行調平，活動站設備在每次轉場后都需要調平。目前，普遍采用數(shù)字式電子水平儀作為高精度平臺（設備）的水平測量儀器，該儀器采用液晶屏數(shù)字顯示，無聲光指示。整個手動調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，又要轉動設備以測量不同支點的傾斜角，進而判斷支點的高低關系；另一人需要根據(jù)支點的高低關系用扳手來調節(jié)相應支點上的方頭螺釘。正常情況下設備調平大概需要20min，如果點位地基傾斜嚴重，超出了設備的調平范圍，經過長時間調整才能發(fā)現(xiàn)無法調平，無疑會延長設備準備時間。因此目前的調平程序復雜，需要反復調整，費時費力，對設備快速展開極為不利。

本文設計了專門針對三支點平臺的智能調平系統(tǒng)，該系統(tǒng)以數(shù)字式電子水平儀、高性能單片機以及新型數(shù)碼語音芯片為基本硬件架構，以三點確定一個平面的幾何原理作為算法基礎，實現(xiàn)了具有自動聲光指示的高精度智能快速調平，徹底解決了設備快速調平的技術難題，提高了設備的測量精度和測控能力，同時也為調平技術應用探尋出一條行之有效的新路。

2 調平原理與系統(tǒng)功能

2.1 三支點平臺調平原理

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

如圖1所示，假設A，B，C是設備的3個支撐點（繞設備重心相差120°分布，以下簡稱支點），通過調整外部的方頭螺釘可以調整設備平面的水平度。設備調平時，一般把水平儀放在設備平面上不動，靠轉動設備來測量傾斜角。假設支點B和支點C不在同一條水平線上，起始時水平儀放在A點，如圖1a所示，測得值a1；設備轉動180°到A1點，如圖1b所示，測得值a2；則支點B，C的水平誤差為（a1－a2）／2。當水平誤差為0時即認為支點B，C達到水平［2］。

圖1 三支點平臺調平示意圖Fig.1 Schematic of the leveling of the platform with 3points

因此，設備調平首先要判斷A，B，C3個支點的大概高低關系；然后調節(jié)其中的2個支點到一個水平面上，這一過程需要轉動設備至少2周，測量5次傾斜角，操作人員要計算水平誤差；然后調整第3點和第1點或第2點水平，這一步又至少需要轉動設備1周，測量兩次傾斜角；最后還要確認3點是否已經調平。一般情況下，此時不可能調平（符合設備測量技術指標），還需要按上述步驟反復調平。

2.2 智能調平系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下幾方面的功能。

1）對三支點平臺的調平過程進行逐步聲光提示：LED燈光指示待調整的支點，語音提示操作方法和待調整量。

2）整個調平過程，只需要轉動設備2周，測5個點（次）的傾斜角，5min即可調整完畢。

3）開始調整后，根據(jù)調整情況，語音實時提示水平儀所在支點的水平誤差（高差）。

4）如果地基傾斜過大，設備無法調平，系統(tǒng)及時提示“無法調平，請關機”，需要在設備底座上加墊片。

5）如果調整方向錯誤，及時提示“方向錯誤，請反轉”。

6）如果調整過量，及時提示“調整過量”。

7）如果量程檔位選擇錯誤，及時提示“量程錯誤”，量程選擇正確后才能正式開始調平。

3 智能調平系統(tǒng)的硬件設計

根據(jù)三支點平臺智能調平設備的功能需求，設計中采用了數(shù)字式電子水平儀作為測量元件，選用新型、低功耗單片機P89LPC935作為核心處理器，通過MAX3232接口芯片讀取水平儀的實時測量數(shù)據(jù)，由ISD1720數(shù)碼語音芯片實時語音提示操作步驟以及調整情況，LED燈光指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)及待調整支點。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量設備工作平面的傾斜角；智能終端由按鍵進行控制，通過RS232接口讀取電子水平儀測量數(shù)據(jù)，經過處理后，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)和待調整的支點。

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

3.1 P89LPC935單片機簡介［3］

整個系統(tǒng)的核心是NXP公司推出的高性能、微功耗、51內核微處理器P89LPC935，其運行速度是標準80C51的6倍。該單片機以先進的CMOS工藝制造，通過片內集成的豐富特性實現(xiàn)了非常高的性價比：可選的多時鐘源（外部高／中／低頻晶體及片內RC、WDT振蕩器），增強型I／O端口（可配置為準雙向／開漏／推挽／輸入模式，20 mA高電流驅動，支持鍵盤中斷，兼容3V／5V邏輯），5個定時／計數(shù)器，多個串行接口（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)直接在半導體存儲器中存儲的技術，不需經過A／D和D／A轉換，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂音調和效果聲，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新功能：包括內置專利的多信息管理系統(tǒng)、新信息提示（vAlert）、雙運作模式（獨立式和嵌入式）以及可定制的信息操作指示音效等。芯片內部還包含有自動增益控制、麥克風前置擴大器、揚聲器驅動線路、振蕩器與內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個電阻、1個電容、1個揚聲器即可構成高音質、聲音自然的語音電路。用戶利用振蕩電阻可設定芯片的采樣頻率，從而選擇芯片的錄放時間和錄放音質。在振蕩電阻為80kΩ的情況下，ISD1720采樣率為8kHz，可以存放20s的語音內容。ISD1720芯片將存儲聲音數(shù)據(jù)的空間分成若干段，每段都有一個獨立的地址，通過段地址，可以刪除某一部分存儲空間，也可以播放或錄制某一部分存儲空間，這樣就可以將不同段的聲音連起來播放，組成相應的語句。

單片機通過4線（SCLK，MOSI，MISO，／SS）SPI協(xié)議控制ISD1720隨機組合放音。SPI（serial peripheral interface：串行外圍設備接口）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3Mbit／s的速率；還具有傳輸完成標志和寫沖突保護標志。本系統(tǒng)為單主單從模式，單片機作為主機，ISD1720作為從機。指令數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)隊列的形式從 MOSI（主機輸出從機接收，SPI接口的串行輸出端）移入ISD1720，第一個移入的字節(jié)是命令字節(jié)，這個字節(jié)決定了緊跟其后的數(shù)據(jù)類型；與此同時，芯片狀態(tài)、當前行地址以及其它數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)隊列的方式通過MISO（主機接收從機輸出，SPI接口的數(shù)據(jù)輸入端）被返回主機。SCLK是SPI接口的時鐘，由單片機產生，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，必須拉高。／SS是從機選擇管腳，當其為低電平時，該芯片作為當前被控設備并且開啟SPI接口，空閑時，此管腳需要拉高。

為了降低噪聲、提高音質，在印制板電路設計時要確保語音電路的數(shù)字地（vssd）、模擬地（vssa）、揚聲器驅動器地（vssp）單點接地；同時，數(shù)字電源（vccd）、模擬電源（vcca）、揚聲器驅動器電源（vccp）也要單點與系統(tǒng)電源VCC相接。

3.3 接口電路

接口電路實現(xiàn)單片機和水平儀之間的串行通信。P89LPC935集成有增強型通用異步接收／發(fā)送器（UART）：具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測、自動地址檢測等功能。P89LPC935的串口模塊自帶有一個波特率發(fā)生器，其不僅可以精確地產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。以下為波特率計算公式：

本系統(tǒng)的波特率設為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（由干電池產生6V左右的電壓），為此，采用了三端正向電壓調節(jié)芯片HT7533來產生3.3V電源。HT7533非常適合電池供電的應用：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，僅需幾個濾波電容即可。

語音芯片發(fā)音時功耗較大，為了減小電壓波動對單片機的影響，采用與HT7533同系列的HT7550產生5V電源，作為語音電路的獨立電源。

4 智能調平系統(tǒng)的軟件設計

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個支點的相對高低關系、判斷能否調平、判斷調整方向對錯、是否調節(jié)過量以及是否調平等子程序模塊。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫，其流程如圖3所示，帶雙引號的內容為系統(tǒng)提示語音，＃1，＃2，＃3表示支點序號，XX，YY為數(shù)字（單位：角秒）。

系統(tǒng)上電復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，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

該單片機提供幾個可由用戶選擇的振蕩器選項來產生CPU時鐘［3］。這些選項在對FLASH進行編程時配置，包括片內看門狗振蕩器、片內RC振蕩器、使用外部晶振的振蕩器或外部時鐘源，本系統(tǒng)采用片內RC振蕩器。通過配置分頻寄存器DIVM可進行高達510分頻來提供CPU時鐘，該特性可使CPU暫時以較低頻率工作以降低功耗。系統(tǒng)在等待用戶按鍵確認時通過分頻，CPU時鐘以14kHz運行，CPU仍保持對事件的響應能力但功耗大大降低，當用戶按鍵確認后系統(tǒng)又恢復到7.373MHz的頻率運行。另外，通過置位AUXR1寄存器的CLKLP位也進一步降低了功耗。

該單片機還嵌有內部WDT（watchdogtimer：看門狗）［3］：當軟件沒能在定時器溢出之前將其清零，WDT定時器就會導致系統(tǒng)產生一次復位，使系統(tǒng)從錯誤的操作中恢復。WDT具有一個獨立的振蕩器，頻率標稱為400kHz。WDT主要包括1個控制寄存器（WDCON）、1個裝載寄存器（WDL）和2個看門狗清零寄存器（WFEED1，WFEED2）。WDCON 控制著 WDT 的開／關、WDT的時鐘源預分頻值和溢出時是否使能WDT使器件復位；WDL中存放數(shù)值，在每次看門狗溢出或執(zhí)行清零序列時裝入8位倒計數(shù)器；WFEED1，WFEED2主要在清零序列上使用。首先要對WDT初始化：

上述程序中，WDCON和WDL并不直接由用戶裝載，用戶對 WDCON和 WDL進行寫操作，但在清零序列結束時才裝入WDCON寄存器和WDL倒計數(shù)器。為了避免WDT復位，WDT必須定時進行清零。下面是一個清零序列實例：

5 結論

基于單片機P89LPC935設計的智能調平系統(tǒng)結構簡單、價格低廉，使用方便快捷、穩(wěn)定可靠、調平精度高，解決了大型測量設備調平程序復雜的難題，提高了設備測量精度，能以最少的步驟快速調平設備，提高工效70%以上。該成果已獲得國家實用新型專利，并在多項靶場試驗任務中成功應用；同時，在其他精密測量及光、機、電一體化技術中也具有廣闊的應用前景。

［1］ 歐同庚，王琪，傅輝清，等.水平面基準系統(tǒng)的自動調平方法研究［J］.大地測量與地球動力學，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