DSP航姿信號(hào)模擬器硬件設(shè)計(jì)

梁 韜 ， 李富榮 ， 王玉峰 ， 劉曉波

（1．海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 山東 青島 266041；2.南昌航空大學(xué) 江西 南昌 330063）

飛機(jī)的航向與姿態(tài)是飛機(jī)操縱的重要參數(shù)，航姿信號(hào)包括航向信號(hào)和姿態(tài)信號(hào)，一般把飛機(jī)的俯仰角、傾斜角、航向角、轉(zhuǎn)彎角速度等稱為全姿態(tài)。測(cè)量全姿態(tài)，通常采用的陀螺儀進(jìn)行，也稱為陀螺儀表，根據(jù)各種飛機(jī)的使用要求，有多種陀螺儀表，比如地平儀、綜合羅盤、轉(zhuǎn)彎儀、航向姿態(tài)系統(tǒng)[1]等。但是無(wú)論哪種情況，其信號(hào)輸出的變換大多是通過自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

航姿信號(hào)模擬器是為了給待測(cè)的儀表設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室研究提供可以人工調(diào)節(jié)和控制的信號(hào)源而設(shè)計(jì)的，可以產(chǎn)生各種頻率的航姿信號(hào)及用戶自己定義的任意波形等，以便對(duì)飛機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試。傳統(tǒng)的航姿信號(hào)模擬系統(tǒng)開發(fā)是基于VXI、PCI[2]等總線基礎(chǔ)上，大多使用硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過PC機(jī)進(jìn)行分析處理，功能相對(duì)來(lái)說也比較完善，但是電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積過于龐大，不適合在外場(chǎng)使用，并且傳統(tǒng)的模擬器使用范圍比較局限，就造成了在成本方面有許多的浪費(fèi)，因此開發(fā)一個(gè)新型的、可編程的通用型模擬器是非常有必要的。本文設(shè)計(jì)的是一種便攜式的航姿信號(hào)模擬器，不但體積小攜帶方便，而且處理器采用的是具有高速數(shù)據(jù)計(jì)算能力的DSP[3]?？梢詫?duì)旋轉(zhuǎn)變壓器[4]輸出的軸角信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、傳輸、顯示及存儲(chǔ)等。該系統(tǒng)可以廣泛用于航空、航天、雷達(dá)和火炮控制等軍用裝備，也可以用于數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等民用設(shè)備中，應(yīng)用前景廣闊。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器是自動(dòng)控制中一種精密的微電機(jī)，其輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子角度呈一定的函數(shù)關(guān)系，即可以單機(jī)運(yùn)行，也可以成對(duì)或多機(jī)組合使用。從物理本質(zhì)看，旋轉(zhuǎn)變壓器是一種能轉(zhuǎn)動(dòng)的變壓器，其原邊、副邊分別放置在定子、轉(zhuǎn)子上，原、副邊繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的角度有關(guān)，其工作原理在本質(zhì)上和普通變壓器沒有多大區(qū)別。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)出繞組和定子勵(lì)磁繞組相對(duì)位置發(fā)生變化引起互感變化，使得輸出電壓與轉(zhuǎn)角成正余弦關(guān)系，所以旋轉(zhuǎn)變壓器又稱正余弦變壓器[5]。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理如圖1所示，兩對(duì)定子的繞組在空間上正交放置。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理圖Fig.1 Working principle of resolver

當(dāng)在轉(zhuǎn)子接線端R1、R2施加頻率為ω激勵(lì)信號(hào)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，分別在定子繞組上得到的信號(hào)為：

其中θ是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，E是電磁感應(yīng)的幅值，然后可以根據(jù)它們的相位關(guān)系解算出轉(zhuǎn)子的位置。

2 DSP控制外圍電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的核心控制芯片是TMS320F2812，但是必須提供基本的外圍電路[6]才能發(fā)揮核心控制電路的作用。一個(gè)典型的 DSP最小系統(tǒng)應(yīng)該包括 DSP芯片、還有為 DSP芯片提供合適電源的電源電路、觸發(fā) DSP初始化的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路及用于在線仿真和下載的 JTAG接口電路。另外由于考慮到需要跟上位機(jī)進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳送，在此基礎(chǔ)上添加了串口通信電路。DSP的基本系統(tǒng)框圖如圖2所示，外擴(kuò)RAM是用來(lái)放置大量的信號(hào)數(shù)據(jù)，而外擴(kuò) FLASH是用來(lái)存放控制程序。DSP基本系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 DSP基本系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of DSP basic system

1）電源設(shè)計(jì)

DSP芯片由于采用兩種不同的電壓[7]，內(nèi)核 1.8 V電壓和 IO口3.3 V電壓，所以對(duì)DSP系統(tǒng)供電時(shí)一般都采取雙電源，本設(shè)計(jì)方案中采用 TI公司專門為 DSP配套的電源芯片TPS767D301來(lái)提供電源，這款芯片屬于線性 DC/DC變換芯片，給 TPS767D301提供 5 V的直流電源就可以產(chǎn)生滿足F2812的 3.3 V和 1.8 V的電壓，直接給DSP提供電源，此外這個(gè)電源芯片的最大輸出電流可以達(dá)到1 A，可以同時(shí)給DSP芯片和少量的外圍電路供電。

2）時(shí)鐘和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

DSP2812芯片的時(shí)鐘有兩種引腳連接方式，一種是利用其內(nèi)部所提供的晶振電路，在其X1/XCLKIN和X2引腳之間連接一晶體來(lái)啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器；另一種是直接將外部的時(shí)鐘源直接輸入X1/XCLKIN引腳上，X2引腳懸空，本設(shè)計(jì)中采用的為第一種方法，如圖3所示。

圖3 DSP時(shí)鐘電路Fig.3 DSP clock circuit

DSP2812芯片具有鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊（PLL），可以輸入時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，所以采用30 MHz的外接晶振，經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的150 MHz要求。

由于電源模塊TPS767D301芯片自身能夠產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，且此復(fù)位信號(hào)可以直接供DSP芯片使用，所以本設(shè)計(jì)中沒有設(shè)置專門的復(fù)位芯片。

3 12SXZ D/A轉(zhuǎn)換芯片工作原理及其與DSP接口設(shè)計(jì)

12SXZ轉(zhuǎn)換芯片由以下幾部分組成：參考變壓器、象限選擇開關(guān)、正余弦乘法器、功率放大器、輸出變壓器等五部分。數(shù)字全角量和參考信號(hào)輸入經(jīng)正 、余弦乘法器之后 ，被轉(zhuǎn)換成代表角度的正余弦信號(hào)，再經(jīng)功率放大器放大后，具有了1.3VA的負(fù)載能力，再經(jīng)輸出變壓器隔離、升壓后，變成自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器形式的三線 、四線模擬信號(hào)輸出[6]。模擬輸出的表達(dá)式為：

其中等式左邊為輸出電壓，θ為輸入數(shù)字角，K為比例系數(shù)，URH-RL是參考電壓。

轉(zhuǎn)換器的工作原理[7]框圖如圖4所示。

圖4 SXZ轉(zhuǎn)換器工作原理Fig.4 Working principle of SXZ converters

模擬器的核心是DSP 2812，通過軟件控制能產(chǎn)生所需要的航姿信號(hào)，并且系統(tǒng)帶有自檢功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，DSP控制I/O口[8]直接對(duì)12SXZ進(jìn)行操作，產(chǎn)生模擬信號(hào)。上面我們知道DSP有兩種電壓，I/O口的電壓為3.3 V，我們所用到的轉(zhuǎn)換芯片為TTL電平5 V電壓，考慮到DSP產(chǎn)生信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，首先需要電平轉(zhuǎn)換，把DSP端口輸出的3.3 V電平轉(zhuǎn)變?yōu)? V。采用的電平轉(zhuǎn)換芯片為SN74ALVC164245，此芯片是16路雙向的電平轉(zhuǎn)換芯片，由引腳DIR控制其轉(zhuǎn)換方向。轉(zhuǎn)換芯片SXZ為12位數(shù)度的轉(zhuǎn)換器，用DSP的數(shù)據(jù)口D0～D11與電平轉(zhuǎn)換芯片中的12路相連，轉(zhuǎn)換后的12位電平再與SXZ的12位數(shù)字量輸入端相連，DSP與12 SXZ轉(zhuǎn)換器接口電路如圖5所示。

圖5 TMS320F2812與12 SXZ轉(zhuǎn)換器接口電路Fig.5 Interface circuit of TMS320F2812 and 12 SXZ

4 結(jié) 論

文中介紹了基于DSP技術(shù)的航姿信號(hào)模擬器的硬件設(shè)計(jì)電路，該方法克服了傳統(tǒng)模擬技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、可靠性差[9]等缺點(diǎn)。通過軟件編程能夠?qū)崿F(xiàn)航向姿態(tài)信號(hào)，通過對(duì)本模擬器的開發(fā)、調(diào)試到應(yīng)用，使得模擬器具有低功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可以在多種環(huán)境下使用，能夠在排除飛機(jī)故障及維護(hù)飛機(jī)安全及提高飛行質(zhì)量等方面會(huì)有重大改善。

[1]李禾.基于DSP的數(shù)字航姿模擬器及其在機(jī)載雷達(dá)ATE中的應(yīng)用[D].成都：四川大學(xué)，2006.

[2]孫 瑩，萬(wàn)秋華，王樹潔，等.航天級(jí)光電編碼器的信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2010，18（5）:1182-1187.SUN Ying，WAN Qiu-hua，WANG Shu-jie，et al.Design of signal process system for spaceborne photoelectric encoder[J].Optics and Precision Engineering，2010，18（5）:1182-1187.

[3]Texas Instruments.TMS320F/24xDSP Controllers Referenece Guide CPU And Instruetion Set[R].1999.

[4]龐紅.基于DSP的自整角機(jī)的軸角檢測(cè)方法研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.

[5]M.拉赫曼，夏超英，鄭水妹.基于AU6802的旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].控制與應(yīng)用技術(shù)，2006（5）:16-19.Rahaman M，XIA Chao-ying，ZHENG Shui-mei.Design of interface circuit for magslip based AU6802[J].Control and Application Technology，2006（5）:16-19.

[6]奚志林，杜雪珍，顏玲龍.一種基于 DSP的高精度軸角模擬器[J].電子質(zhì)量，2012（12）:18-22.XI Zhi-lin，DU Xue-zhen，YAN Ling-long.High accuracy resolver/synchro simulatorbased on DSP[J].Electronics Quality，2012（12）:18-22.

[7]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP—基于TMS320X281X[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[8]何林，牛二兵，高潔，等.基于DSP I/O空間與旋轉(zhuǎn)變壓器的位置采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī)，2011（10）:44-46.HE Lin，NIU Er-bing，GAO Jie，et al.Sampling system design on DSP I/O space and rotary transformer position[J].Micromotors，2011（10）:44-46.

[9]朱利曉.一種多功能便攜式信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.