基于PC104嵌入式總線軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換的研究

朱欣穎，陳園園

（周口師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，河南 周口466001）

在數(shù)控機(jī)床、武器隨動(dòng)單元、雷達(dá)等伺服控制系統(tǒng)中，角度測(cè)量傳感器是常用到的.測(cè)得的角度信息除反饋給伺服控制系統(tǒng)，更多的是交給微處理終端對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［1，2］.測(cè)角傳感器輸出的是成正弦特性的模擬電信號(hào)，而微處理終端的數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)氖菙?shù)字量.因此，必須對(duì)角度傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由微處理終端完成數(shù)據(jù)的檢測(cè)與處理.

1 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

軸角傳感器有很多種類型，比如已經(jīng)廣泛使用的光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、電位計(jì)、接觸式編碼器等［2］.旋轉(zhuǎn)變壓器是一種高可靠性、高精度且具有絕對(duì)位置輸出的軸角測(cè)量傳感器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、武器隨動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航和國防軍工領(lǐng)域［3］.旋轉(zhuǎn)變壓器是基于電磁原理的磁感應(yīng)交流微電機(jī)，輸入的是角度數(shù)據(jù)，輸出信號(hào)與角度有關(guān)，常為正余弦函數(shù)，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)器件中軸角的位移、速度.旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)部，固定不變的磁感應(yīng)繞組接收激勵(lì)電信號(hào)，信號(hào)的頻率范圍是400～5 000Hz.變壓器另一端的磁感應(yīng)繞組旋轉(zhuǎn)，在激勵(lì)電信號(hào)的作用下產(chǎn)生磁感應(yīng)信號(hào)，表現(xiàn)形式為正余弦波形.在武器隨動(dòng)控制中，旋轉(zhuǎn)變壓器主要任務(wù)是精確計(jì)算隨動(dòng)單元與目標(biāo)物體之間角度偏差量，對(duì)軸角信息精度要求比較高，這就有了粗精組合的雙通道軸角傳感器，即多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器［4］.粗機(jī)傳感器僅有一對(duì)磁極，測(cè)量軸角的粗略信息，存在較大的測(cè)量誤差.精機(jī)傳感器加入若干對(duì)磁極，測(cè)量值更加細(xì)致準(zhǔn)確.因此，多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器降低了角度定位誤差.多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器工作時(shí)，精機(jī)轉(zhuǎn)速是粗機(jī)轉(zhuǎn)速的n倍，工作原理圖1所示：在輸入端，正弦信號(hào)Uisinωτ是激勵(lì)電壓.粗機(jī)的輸出信號(hào)頻率是1／2πHz，精機(jī)輸出信號(hào)的頻率是n／2πHz.兩者根據(jù)精粗組合原則，計(jì)算出精確的角度信息，并反饋給隨動(dòng)控制單元，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的定位跟蹤.

圖1 多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖

輸出的信號(hào)：

Um是旋轉(zhuǎn)變壓器的電壓信號(hào)最大值.精機(jī)軸角α的轉(zhuǎn)速是粗機(jī)軸角β轉(zhuǎn)速的n倍.公式5是精粗組合的計(jì)算公式，INT是取整符號(hào).

2 軸角數(shù)字化方案的總體研究

軸角－數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法很多，總體可以劃分為兩類：一類是實(shí)時(shí)追蹤式硬件數(shù)字轉(zhuǎn)換法，另一類是設(shè)計(jì)合理的程序算法來分析正弦特性波形中的角度信息.硬件轉(zhuǎn)換法可靠、準(zhǔn)確，但同時(shí)加重成本開銷；相比之下，軟件解算成本較低，但是轉(zhuǎn)換精度有所限制.硬件實(shí)現(xiàn)軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換的流程分為三個(gè)環(huán)節(jié)，初始信號(hào)的隔離運(yùn)放、A／D轉(zhuǎn)換、軸角信息定位與分析.圖2中旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦原始信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理設(shè)備濾波、放大增益后，得到規(guī)則平滑的正弦波形；角度轉(zhuǎn)換芯片對(duì)正弦波形抽樣、量化、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最后，由處理終端的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)處理、分析解算得出精確的角度信息.本方案中的軸角轉(zhuǎn)換監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是某型武器總體性能檢測(cè)設(shè)備的子系統(tǒng)，具有高效的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理的功能.軸角轉(zhuǎn)換芯片以PC104嵌入式總線為載體，結(jié)合快速運(yùn)算的PC104CPU，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角度信號(hào)的實(shí)時(shí)、高效地采集.程序算法在性能穩(wěn)定的Windows操作平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行環(huán)境選用Visual C＋＋，這使軸角轉(zhuǎn)換監(jiān)測(cè)終端具有良好的人機(jī)交互平臺(tái).

圖2 系統(tǒng)連接圖

3 軸角轉(zhuǎn)換電路

武器隨動(dòng)控制中，對(duì)軸角數(shù)字化的精度要求極為嚴(yán)格，本課題研究采用硬件解算的方法，軸角數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片選用中船重工的XSZ系列旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片.硬件電路解算有鑒幅式和鑒相式，XSZ系列芯片是采用鑒幅式的原理來設(shè)計(jì)的.XSZ系列轉(zhuǎn)換芯片是一種常用的旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部由高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路組成，且具有分辨率和速度輸出電壓均可編程的優(yōu)點(diǎn).

XSZ軸角轉(zhuǎn)換芯片接收的四線旋變信號(hào)，輸出的數(shù)字角為正邏輯的并行自然二進(jìn)制代碼，且TTL／CMOS兼容，非常適合在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的傳輸.PC104總線是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線［5］，具有很好的擴(kuò)展性和兼容性.板卡以堆棧式的結(jié)構(gòu)集成到PC104主板上，與PC104CPU構(gòu)成嵌入式計(jì)算機(jī)，并且，在這種微型計(jì)算機(jī)上可以運(yùn)行多種語言編寫的應(yīng)用程序.XSZ系列軸角轉(zhuǎn)換芯片作為擴(kuò)展卡，嵌入到PC104主板上，通過PC104總線與CPU進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)指令的上傳下達(dá)，完成角度數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換與處理，軸角轉(zhuǎn)換電路如圖3所示.

轉(zhuǎn)換電路選用輸出為12位的XSZ軸角轉(zhuǎn)換芯片.＋5V，GND，＋15V，－15V四個(gè)引腳屬于直流供電引腳，并允許直流電源在±10%范圍內(nèi)波動(dòng)；CASE引腳與PC104嵌入式計(jì)算機(jī)的外殼相連，引腳S1～S4接收四線旋變信號(hào)，RH，RL連接旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)電信號(hào)，BUSY引腳直接反映了轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，當(dāng)BUSY為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部二階電路環(huán)路正在轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸出引腳不能直接輸出；當(dāng)BUSY為低電平時(shí)，輸出引腳數(shù)據(jù)有效.

圖3 軸角轉(zhuǎn)換電路圖

XSZ芯片輸入的是模擬正弦量，輸出的是邏輯電平值.由于信號(hào)的轉(zhuǎn)換存在延時(shí)，在通過總線與CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)換與讀取不能同步.因此，經(jīng)XSZ轉(zhuǎn)換芯片后的數(shù)字信號(hào)先由74LS574鎖存下來，在新的數(shù)字量到來之前，禁止鎖存器更新數(shù)據(jù)，74LS574Q端的數(shù)據(jù)通過PC104總線傳輸給PC104CPU終端.

4 軟件設(shè)計(jì)

本課題的應(yīng)用程序運(yùn)行在基于窗口Windows XP系統(tǒng)下，開發(fā)工具是Visual C＋＋，可以很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話.Visual C＋＋封裝了大量API函數(shù)，縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期.應(yīng)用程序采用C＋＋語言編寫，類與對(duì)象的引入，可以使程序操作封裝在一起，禁止外部對(duì)應(yīng)用程序的非法篡改與操作.同時(shí)，C＋＋支持面向過程，與C語言完全兼容，對(duì)硬件端口的訪問易于實(shí)現(xiàn).

程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示，首先加載軸角轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(dòng)程序，完成初始化，為數(shù)據(jù)讀取分析做準(zhǔn)備.Windows操作系統(tǒng)自身的保護(hù)機(jī)制屏蔽了對(duì)I／O端口直接訪問，應(yīng)用程序沒有足夠的資格去與硬件資源建立聯(lián)系.在軟件開發(fā)中，WinIo函數(shù)庫的引入解決了這一難題.WinIo是端口訪問的函數(shù)庫，它利用內(nèi)核模式虛擬驅(qū)動(dòng)器的工作原理，繞過Windows保護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)／O端口的直接訪問［6］.通過 WinIo函數(shù)庫的Get－PortVal（）函數(shù)讀取到XSZ轉(zhuǎn)換采集卡的數(shù)據(jù)信息，由精粗組合子程序得到最終的角度信息.

圖4 程序流程圖

5 結(jié)果分析

某型武器隨動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行追蹤定位時(shí)，隨動(dòng)單元與目標(biāo)物體之間的差角信息由受信儀上的旋轉(zhuǎn)變壓器獲得后，經(jīng)XSZ芯片采集轉(zhuǎn)換，最終交給應(yīng)用程序分析處理.在人機(jī)交互窗口（如圖5所示），可以看到軸角轉(zhuǎn)動(dòng)的位移量，單位可以由度、軍事常用單位密位來表示.方位表示空間角度的水平位移，高低表示垂直位移.

圖5 人機(jī)交互界面圖

6 結(jié)論

本課題采用PC104主板和中船重工的XSZ采集轉(zhuǎn)換板相結(jié)合的方式，通過PC104嵌入式終端實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)軸角信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換.PC104的堆棧式結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)系統(tǒng)的體積，便于野外戰(zhàn)場(chǎng)的需要.Visual C＋＋與Windows XP提供的人機(jī)交互界面使用戶可以直觀地了解到軸角的具體信息，很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的跟蹤.本課題的研究方案具有良好的推廣前景和學(xué)術(shù)價(jià)值，目前已經(jīng)成功地應(yīng)用于許多需要測(cè)量角位移的場(chǎng)合，取得了非常滿意的效果.

［1］陳慧，馬躍強(qiáng)，王磊.旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測(cè)在EPS中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（4）：70－71.

［2］馬克剛.自整角機(jī)／旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角傳感器的信息處理［J］.傳感器世界，1997（10）：33－36

［3］鄒旭.旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)處理與設(shè)計(jì)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2008.

［4］徐大林，高文政.基于FPGA的多極旋轉(zhuǎn)變壓器粗／精數(shù)據(jù)組合雙速處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)控技術(shù)，2006，25（5）：42－45.

［5］魏立軍，游有鵬.基于PC104總線和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制接口卡的設(shè)計(jì)［J］.信息技術(shù)，2008，37（4）：127－129.

［6］朱欣穎.某火炮性能檢測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.西安：西安工業(yè)大學(xué)，2012.