三路旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊接口電路設(shè)計(jì)

李　熠　張京娟　張仲毅　劉俊成

摘 要：介紹基于ISA總線的三路旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊接口電路的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。接口電路采用三個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊分別控制三路測角信號的數(shù)字量轉(zhuǎn)換,測角的時(shí)間周期短,精度高,且輸出順序不受硬件電路的限制,既可以三個(gè)角度同時(shí)準(zhǔn)確輸出,也可以某一個(gè)角度單路輸出。接口電路已經(jīng)成功應(yīng)用在某平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)俯仰、橫滾、航向三個(gè)姿態(tài)角的測量中,能夠在平臺慣導(dǎo)100 ms的控制周期內(nèi)準(zhǔn)確輸出三個(gè)姿態(tài)角,測角精度達(dá)到10″。接口電路在測量精度和時(shí)間周期上都達(dá)到了要求。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊；ISA總線；接口電路；平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-065-03

Design of Interface Circuit Based on Three Resolver/Digital Converter Modules

LI Yi,ZHANG Jingjuan,ZHANG Zhongyi,LIU Juncheng

(School of Instrumentation Science & Optoelectronics Engineering,Beijing University of Aeronautics & Astronautics,Beijing,100083,China)

Abstract：The design and application of interface circuit based on three resolver/digital converter modules and the ISA bus are presented.Three resolver/digital converter modules are applied to control three digital angles′ conversions separately.The measurement period is short and the accuracy is high.The output orders are not limited by the circuit,which can acquire accurately three angles′ outputs as well as control a single angle′s output.The interface circuit has been successfully applied to measure the three attitude angles of pitch,roll and heading in a certain platform inertial navigation system.The circuit can acquire accurately three attitude angles′ outputs in 100 ms of the platform inertial navigation system′s control period.The measurement accuracy can reach 10 s.The interface circuit can satisfy the demand in measurement accuracy and period.

Keywords：resolver/digital converter module;ISA bus;interface circuit;platform inertial navigation system

0 引 言

旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器是角位移測量和控制的重要組件,它把測角模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號,廣泛應(yīng)用于飛行器姿態(tài)控制和檢測、導(dǎo)彈控制、雷達(dá)天線監(jiān)控、火控系統(tǒng)等軍事裝備中。隨著集成電路的高速發(fā)展,這種類型的轉(zhuǎn)換器已有許多產(chǎn)品以固態(tài)電路封裝形式應(yīng)市。在國內(nèi)這種數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊有12位到22位不等,轉(zhuǎn)換精度基本能夠滿足應(yīng)用需求,但由于數(shù)字轉(zhuǎn)換器內(nèi)部響應(yīng)速度的限制［1,2］,轉(zhuǎn)換器只能跟蹤一定速度范圍內(nèi)的軸角變化,在要求多路信號切換速度較高的數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中,用一個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊控制多路信號的數(shù)字量輸出時(shí),將不可避免地出現(xiàn)數(shù)字量輸出滯后于軸角的變化。為了準(zhǔn)確地獲取角度信號,就需要增加多路測角的時(shí)間周期,為此介紹一種基于ISA總線的三路旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊接口電路,該電路已經(jīng)成功應(yīng)用在某平臺慣導(dǎo)三個(gè)姿態(tài)角的測量中,測角速度快,精度高。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊是電路的重要元器件,根據(jù)需求采用中船重工集團(tuán)第716所生產(chǎn)的型號為19XSZ2413-S32的19位旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊,其測角精度能達(dá)到10″。根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的基本原理［1,2］生產(chǎn)出的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊［3,4］，其內(nèi)部包括粗通道旋轉(zhuǎn)變壓器到數(shù)字轉(zhuǎn)換器、精通道旋轉(zhuǎn)變壓器到數(shù)字轉(zhuǎn)換器、雙速處理器和三態(tài)鎖存器。粗通道旋轉(zhuǎn)變壓器到數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字角度,精通道旋轉(zhuǎn)變壓器到數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字角度,兩數(shù)字角度量再經(jīng)一個(gè)雙速處理器進(jìn)行硬件實(shí)時(shí)糾錯(cuò)處理、粗精組合后,輸出一個(gè)19位并行數(shù)字角度量到鎖存器。該模塊內(nèi)部原理框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)及分析

整個(gè)接口電路主要由3部分構(gòu)成：譯碼電路、旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊控制電路和脈寬控制電路,接口電路原理框圖如圖2所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部原理框圖

圖2 接口電路原理框圖

2.1 譯碼電路

譯碼電路主要由譯碼芯片SN74HC154組成,用來產(chǎn)生接口電路的端口地址。當(dāng)ISA總線的地址線SA 15~SA 10,SA4和SA0為邏輯“0”,SA9~SA7和SA5為邏輯“1”,SA1,SA2,SA3,SA6分別對應(yīng)SN74HC154的輸入端A,B,C,D時(shí),選通接口電路,由此知該接口電路的地址范圍為：0x03A0~0x03AE和0x03E0~0x03EA,其中,0x03E0~0x03EA分別為讀俯仰、橫滾、航向的低16位和高3位數(shù)字信號,0x03A0和0x03A8分別為三路同時(shí)解除和禁止 INH信號,0x03A2~0x03A6分別為解除俯仰、橫滾、航向的 INH信號,0x03AA~0x03E分別為禁止俯仰、橫滾、航向的 INH信號。

2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊控制電路

三路旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊控制電路是整個(gè)接口電路的核心,由3個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊及其外圍控制電路組成。旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊中的兩個(gè)重要信號“ INH”和“CB”分別控制輸入模擬信號的轉(zhuǎn)換和輸出19位數(shù)字信號的鎖存。 INH禁止信號輸入端,內(nèi)部已經(jīng)用上拉電阻接到+5 V,當(dāng) INH為邏輯“0”,即禁止 INH信號時(shí),延遲600 ns后鎖存器內(nèi)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,可讀取數(shù)據(jù)；當(dāng) INH為邏輯“1”,即解除 INH信號時(shí),鎖存器內(nèi)數(shù)據(jù)更新,此時(shí)禁止讀取數(shù)據(jù)。CB為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束的檢測信號,當(dāng)CB為高電平時(shí),表示轉(zhuǎn)換器內(nèi)處于跟蹤轉(zhuǎn)換狀態(tài),此時(shí)數(shù)據(jù)輸出不穩(wěn)定；當(dāng)CB為低電平時(shí),表示轉(zhuǎn)換器內(nèi)已經(jīng)轉(zhuǎn)換結(jié)束,此時(shí)數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定有效,可以讀取。其中一路旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊控制電路原理框圖如圖3所示。

該電路在工控機(jī)剛開始上電時(shí),“RES”( RESET DRV)輸出一負(fù)脈沖［5-7］,此時(shí)SN54HC74的輸出為高,此信號用來控制旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的 INH,此時(shí)平臺慣導(dǎo)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的俯仰、橫滾、航向3個(gè)姿態(tài)角的粗精通道正余弦模擬信號進(jìn)入19XSZ2413-S32旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊,這是電路工作的初始狀態(tài)。之后旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過編程控制地址譯碼的輸出,實(shí)現(xiàn)三路模塊同時(shí)工作或單路模塊工作。其中,對3塊旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊CB信號的控制采用查詢方式,CB用來控制鎖存器U1,U2和U3(SN74HC373)的使能端LE,由于輸出為19位數(shù)字量,所以采用3個(gè)SN74HC373,當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后,CB自動變?yōu)榈?從而使能LE,當(dāng)CPU讀取數(shù)據(jù)時(shí),鎖存器 OE使能,19位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時(shí)打入3個(gè)鎖存器等待CPU的讀取。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊控制電路原理圖

2.3 脈寬控制電路

脈寬控制電路主要用來控制ISA接口板上的 I/O CS16,當(dāng) I/O CS16信號有效時(shí),通知系統(tǒng)板當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳送是一個(gè)有等待狀態(tài)的16位I/O周期［8,9］。在電路調(diào)試中通過調(diào)節(jié)R1,C 11的大小可以控制 I/O CS16低脈沖的時(shí)間,使得通過ISA總線讀取低16位數(shù)據(jù)時(shí)正確穩(wěn)定?，F(xiàn)在電路中采用3個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊分別控制三路角度量信號的轉(zhuǎn)換輸出,當(dāng) INH為邏輯“0”之后,經(jīng)過600 ns的延時(shí),CB為“0”,CPU即可讀取19位數(shù)字量信號。脈寬控制電路如圖4所示。

圖4 脈寬控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

接口電路基于工控機(jī)上的ISA總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換控制和讀取 。程序采用C語言編寫,在TC環(huán)境下運(yùn)行正常。三路模塊同時(shí)工作時(shí)程序流程圖如 圖5所示,三路模塊可依次讀取數(shù)據(jù),經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明不需要切換延時(shí)時(shí)間,這也是滿足三路快速測角所必須的。當(dāng)然,也可通過選擇譯碼地址控制單路模塊工作。

圖5 三路模塊同時(shí)工作程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)室已有的數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器板產(chǎn)生的信號作為輸入,角度測試結(jié)果如表1所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測角精度可以達(dá)到10″,滿足精度要求。

5 結(jié) 語

該接口電路已經(jīng)應(yīng)用在某平臺慣導(dǎo)3個(gè)姿態(tài)角的測量中,工作正常,證明該電路設(shè)計(jì)合理。在電路中測角精度達(dá)到10″,能夠滿足精度要求,更重要的是縮短了該平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)三個(gè)姿態(tài)角的測角周期,達(dá)到應(yīng)用的目的。

表1 角度測試結(jié)果

實(shí)際角度測試角度誤差

0.00°0°0′2″2″

22.50°22°30′2″2″

45.00°45°0′2″2″

67.50°67°30′2″2″

90.00°90°0′2″2″

112.50°112°30′2″2″

135.00°135°0′0″0″

157.50°157°30′0″0″

180.00°180°0′0″0″

190.00°190°0′1″1″

201.00°200°59′54″-6″

239.00°238°59′57″-3″

298.00°297°59′55″-5″

316.00°315°59′51″-9″

343.00°342°59′57″-3″

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作者簡介

李 熠 女,1983年出生,河南許昌人,碩士研究生。研究方向?yàn)槠脚_慣導(dǎo)及車載導(dǎo)航系統(tǒng)。

張京娟 女,1975年出生,陜西人,講師,碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閼T性及組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

張仲毅 男,1985年出生,河南南陽人,博士研究生。研究方向?yàn)閼T性導(dǎo)航技術(shù)。

劉俊成 男,1981年出生,山東人,博士研究生。研究方向?yàn)闄C(jī)群組網(wǎng)定位技術(shù)