一種基于DSP的軸角測量系統(tǒng)設(shè)計

梁韜+李富榮+王玉峰

摘 要： 介紹了一種由12ZSZ和TMS320F2812構(gòu)成的軸角測量系統(tǒng)，對自整角機(jī)的工作原理進(jìn)行了介紹，并給出了數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片與DSP之間的引腳連接圖，最后闡述了部分軟件方面的設(shè)計。該測量系統(tǒng)實(shí)時性好，可以滿足對軸角實(shí)時顯示的要求。

關(guān)鍵字： 軸角測量系統(tǒng)； 自整角機(jī)； TMS320F2812； 接口電路； 實(shí)時性

中圖分類號： TN06?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0110?03

Design of shaft angle measuring system based on DSP

LIANG Tao1，2， LI Fu?rong1， WANG Yu?feng1

（1. Qingdao Branch， Naval Aviation Engineering Institute， Qingdao 266041， China； 2. Nanchang Aviation University， Nanchang 330063， China）

Abstract： A shaft angle measuring system composed of 12ZSZ and TMS320F2812 is introduced in this paper. The opera?ting principle of synchro is described. The diagram of pin connection between digital converter and DSP is offered. The design of partial software is elaborated. The measuring system has a perfect real?time performance， so it can meet the requirement of the shaft angle real?time display.

Keywords： shaft angle measuring system； synchro； TMS320F2812； interface circuit； real?time performance

0 引 言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，在各個控制領(lǐng)域，角度信息是一個重要的參數(shù)，如何快速、精確的采集角度信號在工程應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的角度測量方法[1]有許多種，按傳感器可分為電位器、有刷接觸式編碼器、光電編碼器、交流微電機(jī)等。自整角機(jī)一種微電機(jī)，由于其測量精度較高、性能穩(wěn)定、工作可靠，可以在抗震動、沖擊和油污等惡劣環(huán)境下工作等原因而被廣泛應(yīng)用，由于自整角機(jī)輸出的是包含位置信息的模擬信號，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能輸入到DSP中進(jìn)行處理，本文選用的12ZSZ是中船重工生產(chǎn)的數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，該芯片不但精度高、可靠性高，而且體積小、壽命長。在以前的測角系統(tǒng)中，大部分采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[2]，隨著技術(shù)的不斷提高，單片機(jī)的處理速度、檢測精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，本文采用TI公司的TMS320F2812作為整個測量系統(tǒng)的核心芯片[3]，基于DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力，能夠保證數(shù)據(jù)采集和處理的實(shí)時性，能夠大大提高整個系統(tǒng)的工作效率，在高速實(shí)時數(shù)據(jù)采集和處理領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。

1 軸角測量系統(tǒng)組成

軸角測量系統(tǒng)由自整角機(jī)、數(shù)字轉(zhuǎn)換器、DSP TMS320F2812組成，當(dāng)軸角信號傳送到自整角機(jī)時，自整角機(jī)將其轉(zhuǎn)變成三相交流調(diào)制信號，再輸入到數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號，通過DSP解算出軸角信號，最后通過顯示模塊進(jìn)行顯示，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 軸角測量系統(tǒng)組成

2 自整角機(jī)測量原理

在控制系統(tǒng)中，自整角機(jī)通常是2個或2個以上組合使用的，當(dāng)作為角度傳感器實(shí)現(xiàn)角度測量時，只用一個發(fā)送機(jī)就可以了，其工作原理[4]如圖2所示。

圖中[S1、][S2]和[S3]為三相繞組，左邊圈內(nèi)的為單相繞組，工作時單相繞組作為轉(zhuǎn)子，整步繞組作為定子，取繞組中的[S2]為參考繞組，用單相繞組軸線和[S2]繞組軸線的夾角[θ]表示某一時刻軸角的位置。

設(shè)正弦交流激磁繞組以轉(zhuǎn)速[n]恒速旋轉(zhuǎn)，星型輸出繞組感應(yīng)電勢亦為正弦交流電勢，則三相感應(yīng)電勢[5]有效值[E1、][E2]和[E3]分別為：

[E1=Emsin（ωt）cos（θ+120°）] （1）

[E2=Emsin（ωt）cosθ] （2）

[E3=Emsin（ωt）cos（θ-120°）] （3）

因此有：

[E21=E2-E1=Emsin（ωt）[cosθ-cos（θ+120°）]] （4）

[E23=E2-E3=Emsin（ωt）[cosθ-cos（θ-120°）]] （5）

其中[Em]是每相繞組軸線與激磁繞組軸線重合，且激勵正弦電壓處于峰值時線圈感應(yīng)的最大值，[ω]=60，[n]是激磁電壓的角速度，[θ]是角位移。設(shè)信號[E21]和[E23]的相位差為[ψ，]由式（4）、式（5）得：

[ψ=cos（θ-120°）-cos（θ+120°）]

可見[ψ]只與[θ]有關(guān)，測出相位差[ψ，]即可求出角位移。

圖2 單相繞組和整步繞組

3 軸角測量系統(tǒng)A/D電路的設(shè)計

在整個測量系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分的關(guān)鍵核心器件，本系統(tǒng)中采用的是中船重工的12ZSZ作為測量系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。12ZSZ是中船重工716所生產(chǎn)的一種模塊式、高精度、高可靠性的自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換器[6]，采用二階伺服原理設(shè)計，可應(yīng)用于伺服機(jī)構(gòu)、導(dǎo)航系統(tǒng)、火控系統(tǒng)等多個領(lǐng)域。該系列轉(zhuǎn)換器和美國AD公司SAC1764系列轉(zhuǎn)換器兼容。該轉(zhuǎn)換器還有一個重要的特點(diǎn)，是能夠使有高電壓信號和參考輸入的傳感器用比例匹配電阻分壓的方法與低電壓信號和參考輸入的轉(zhuǎn)換器相連，這就意味著一個標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器與一個專用插件板可以在一個傳感器和參考輸入電壓較寬的范圍中使用，其外加比例電阻的計算方法是：信號每增加1 V，分別在S1，S2和S3端串連1.11 kΩ電阻，參考信號每增加1 V，在RH端串聯(lián)2.2 kΩ電阻。

自整角機(jī)的三線輸入應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1，S2和S3引腳端，則：

[VS1?S3=KVRH?RLsinωtsinθVS3?S2=KVRH?RLsinωtsin（θ+120°）VS2?S1=KVRH?RLsinωtsin（θ+240°）]

式中：[θ]為自整角機(jī)軸角；[K]為變比，[VRH?RL]是激勵電壓。

12ZSZ是精度12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，與DSP的D0～D11的數(shù)據(jù)總線相連[7]，測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。由于DSP的I/O口電平是3.3 V，數(shù)字轉(zhuǎn)換器的是5 V TTL電平輸出，所以中間加了一個電平轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)在采樣時，CPU發(fā)出I/O指令，內(nèi)部的地址總線信號經(jīng)過譯碼后，控制數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊傳送軸角信號，然后進(jìn)行采集處理，最后送到顯示模塊。

圖3 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軸角測量系統(tǒng)的軟件是DSP的主要編程任務(wù)[8]，包括DSP的初始化，顯示模塊的初始化及實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法。軟件設(shè)計采用C語言編程，在這里由TI公司提供的功能強(qiáng)大的CCS（Code Composer Studio）作為集成開發(fā)環(huán)境。

程序的主要任務(wù)是控制接收由數(shù)字轉(zhuǎn)換器發(fā)送到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)時的顯示[9]，系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先完成對DSP自身的初始化，然后配置RAM空間，配置I/O口工作模式，設(shè)計定時器的工作模式及中斷，然后進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5 測量結(jié)果

在完成系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計后，做出了實(shí)物，然后對系統(tǒng)做了測試，測試過程中選擇了不同的旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行了測試，并且在同一旋轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行了50次采樣，計算得到平均值進(jìn)行了比較，部分測試數(shù)據(jù)見表1。

由于轉(zhuǎn)換器為12位的，所以轉(zhuǎn)換器最小分辨率為[360°212=360°4 096=0.088°，]再加上電壓誤差、硬件電路中的干擾及轉(zhuǎn)換器的機(jī)械誤差[10]，導(dǎo)致其輸出的精度無法達(dá)到3位有效數(shù)字，所以在LCD上只設(shè)定了4個字符的顯示空間。

6 結(jié) 論

本設(shè)計的軸角測量系統(tǒng)能夠完成對軸角信號的采集與處理，由于采用了TI公司的高性能DSP芯片，并用專用的數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)設(shè)計方案相比，不僅使得整個測量系統(tǒng)的具有體積小，精度高等特點(diǎn)，還大大提高了跟蹤測量的速度和動態(tài)測量的精度，而且用CCS作為軟件開發(fā)環(huán)境，無論從編程還是在軟件調(diào)試方面都變得簡單方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫瑩，萬秋華，王樹潔，等.航天級光電編碼器的信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2010，18（5）：1182?1187.

[2] 王海濤，謝壽生.基于DSP的自整角機(jī)的設(shè)計[J].傳感器技術(shù)，2005，24（12）：66?68.

[3] Texas Instruments. TMS320F/24xDSP controllers reference guide CPU and instruction set [R]. USA： Texas Instruments， 1999.

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

[5] 何秀然，李天亮，謝壽生，等.航空發(fā)動機(jī)自整角機(jī)的數(shù)字化設(shè)計[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2006（1）：14?17.

[6] 716研究所.716研究所產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊[M].連云港：716研究所，2009.

[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] 劉桂林，張志文.基于DSP的MEMS陀螺儀信號處理平臺的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（9）：127?129.

[9] 李思維，徐躍鑒，項(xiàng)國輝.自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換器原理及其在軸角測量中的應(yīng)用[J].應(yīng)用天地，2007（3）：60?62.

[10] 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[J].微電機(jī)，2011（10）：44?46.

自整角機(jī)的三線輸入應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1，S2和S3引腳端，則：

[VS1?S3=KVRH?RLsinωtsinθVS3?S2=KVRH?RLsinωtsin（θ+120°）VS2?S1=KVRH?RLsinωtsin（θ+240°）]

式中：[θ]為自整角機(jī)軸角；[K]為變比，[VRH?RL]是激勵電壓。

12ZSZ是精度12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，與DSP的D0～D11的數(shù)據(jù)總線相連[7]，測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。由于DSP的I/O口電平是3.3 V，數(shù)字轉(zhuǎn)換器的是5 V TTL電平輸出，所以中間加了一個電平轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)在采樣時，CPU發(fā)出I/O指令，內(nèi)部的地址總線信號經(jīng)過譯碼后，控制數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊傳送軸角信號，然后進(jìn)行采集處理，最后送到顯示模塊。

圖3 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軸角測量系統(tǒng)的軟件是DSP的主要編程任務(wù)[8]，包括DSP的初始化，顯示模塊的初始化及實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法。軟件設(shè)計采用C語言編程，在這里由TI公司提供的功能強(qiáng)大的CCS（Code Composer Studio）作為集成開發(fā)環(huán)境。

程序的主要任務(wù)是控制接收由數(shù)字轉(zhuǎn)換器發(fā)送到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)時的顯示[9]，系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先完成對DSP自身的初始化，然后配置RAM空間，配置I/O口工作模式，設(shè)計定時器的工作模式及中斷，然后進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5 測量結(jié)果

在完成系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計后，做出了實(shí)物，然后對系統(tǒng)做了測試，測試過程中選擇了不同的旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行了測試，并且在同一旋轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行了50次采樣，計算得到平均值進(jìn)行了比較，部分測試數(shù)據(jù)見表1。

由于轉(zhuǎn)換器為12位的，所以轉(zhuǎn)換器最小分辨率為[360°212=360°4 096=0.088°，]再加上電壓誤差、硬件電路中的干擾及轉(zhuǎn)換器的機(jī)械誤差[10]，導(dǎo)致其輸出的精度無法達(dá)到3位有效數(shù)字，所以在LCD上只設(shè)定了4個字符的顯示空間。

6 結(jié) 論

本設(shè)計的軸角測量系統(tǒng)能夠完成對軸角信號的采集與處理，由于采用了TI公司的高性能DSP芯片，并用專用的數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)設(shè)計方案相比，不僅使得整個測量系統(tǒng)的具有體積小，精度高等特點(diǎn)，還大大提高了跟蹤測量的速度和動態(tài)測量的精度，而且用CCS作為軟件開發(fā)環(huán)境，無論從編程還是在軟件調(diào)試方面都變得簡單方便。

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自整角機(jī)的三線輸入應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1，S2和S3引腳端，則：

[VS1?S3=KVRH?RLsinωtsinθVS3?S2=KVRH?RLsinωtsin（θ+120°）VS2?S1=KVRH?RLsinωtsin（θ+240°）]

式中：[θ]為自整角機(jī)軸角；[K]為變比，[VRH?RL]是激勵電壓。

12ZSZ是精度12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，與DSP的D0～D11的數(shù)據(jù)總線相連[7]，測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。由于DSP的I/O口電平是3.3 V，數(shù)字轉(zhuǎn)換器的是5 V TTL電平輸出，所以中間加了一個電平轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)在采樣時，CPU發(fā)出I/O指令，內(nèi)部的地址總線信號經(jīng)過譯碼后，控制數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊傳送軸角信號，然后進(jìn)行采集處理，最后送到顯示模塊。

圖3 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軸角測量系統(tǒng)的軟件是DSP的主要編程任務(wù)[8]，包括DSP的初始化，顯示模塊的初始化及實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法。軟件設(shè)計采用C語言編程，在這里由TI公司提供的功能強(qiáng)大的CCS（Code Composer Studio）作為集成開發(fā)環(huán)境。

程序的主要任務(wù)是控制接收由數(shù)字轉(zhuǎn)換器發(fā)送到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)時的顯示[9]，系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先完成對DSP自身的初始化，然后配置RAM空間，配置I/O口工作模式，設(shè)計定時器的工作模式及中斷，然后進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5 測量結(jié)果

在完成系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計后，做出了實(shí)物，然后對系統(tǒng)做了測試，測試過程中選擇了不同的旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行了測試，并且在同一旋轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行了50次采樣，計算得到平均值進(jìn)行了比較，部分測試數(shù)據(jù)見表1。

由于轉(zhuǎn)換器為12位的，所以轉(zhuǎn)換器最小分辨率為[360°212=360°4 096=0.088°，]再加上電壓誤差、硬件電路中的干擾及轉(zhuǎn)換器的機(jī)械誤差[10]，導(dǎo)致其輸出的精度無法達(dá)到3位有效數(shù)字，所以在LCD上只設(shè)定了4個字符的顯示空間。

6 結(jié) 論

本設(shè)計的軸角測量系統(tǒng)能夠完成對軸角信號的采集與處理，由于采用了TI公司的高性能DSP芯片，并用專用的數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)設(shè)計方案相比，不僅使得整個測量系統(tǒng)的具有體積小，精度高等特點(diǎn)，還大大提高了跟蹤測量的速度和動態(tài)測量的精度，而且用CCS作為軟件開發(fā)環(huán)境，無論從編程還是在軟件調(diào)試方面都變得簡單方便。

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