基于RTLinux的高精度角位置測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周會(huì)達(dá)

（南京江寧中等專業(yè)學(xué)校，江蘇南京，211110）

基于RTLinux的高精度角位置測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周會(huì)達(dá)

（南京江寧中等專業(yè)學(xué)校，江蘇南京，211110）

根據(jù)雙通道測(cè)角系統(tǒng)粗精耦合的原理，在RTLinux嵌入式系統(tǒng)中對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器兩種測(cè)量傳感器經(jīng)變換輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行耦合處理，并對(duì)耦合后信號(hào)的進(jìn)行補(bǔ)償處理，實(shí)現(xiàn)角位置的高精度測(cè)量。

RTLinux；AD2S80A；角位置；測(cè)量系統(tǒng)

0　引言

基于RTlinux和AD2S80A的角位置測(cè)量系統(tǒng)選用旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器為傳感器。首先由旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量1周內(nèi)的粗角位置信號(hào)，由感應(yīng)同步器測(cè)量1度內(nèi)的高精度角位置信號(hào)。其次，利用AD2S80A軸角變換器將兩種測(cè)量傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。最后，根據(jù)雙通道測(cè)角系統(tǒng)粗精耦合的原理，在RTLinux中通過(guò)對(duì)信號(hào)的耦合和補(bǔ)償處理，實(shí)現(xiàn)1周內(nèi)的高精度角位置信號(hào)測(cè)量。

1　測(cè)量系統(tǒng)的組成和工作原理

基于RTlinux和AD2S80A的角位置測(cè)量系統(tǒng)主要包括旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、AD2S80A軸角變換器、接口轉(zhuǎn)換電路和RTlinux嵌入式處理平臺(tái)，它們之間的基本關(guān)系如圖1所示。

圖1　測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

從圖1中可以看出，該測(cè)量系統(tǒng)首先由旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器將角位置變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同的模擬電信號(hào)，受限于傳感器的工作原理，這種信號(hào)不能直接表示為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。因此，在測(cè)量系統(tǒng)中的第二個(gè)部分選用由美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD2S80A軸角變換器對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。這是一款針對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器輸出信號(hào)處理的專用芯片，一方面，它對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的波形失真、幅值穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)要求不高，有利于實(shí)現(xiàn)精確測(cè)角；另一方面，它的輸出信號(hào)更新速度很快（為微秒級(jí)），有利于提高數(shù)字控制方案的采樣頻率，由它處理后輸出的數(shù)字信號(hào)可以直接與通用的數(shù)字通訊接口或微處理器接口相連?？紤]實(shí)際使用的RTlinux是一款基于PC的嵌入式操作系統(tǒng)，選用一款PCI插槽的I/O板卡采集相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；為了節(jié)約板卡資源，降低系統(tǒng)成本，在AD2S80A 芯片和RTLinux嵌入式處理平臺(tái)之間添加了一塊接口轉(zhuǎn)換板。由于制造工藝的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的電信號(hào)表示的角位置范圍大、精度低；感應(yīng)同步器輸出的電信號(hào)表示的角位置范圍較小、精度高。它們中的任意一個(gè)都不能同時(shí)滿足系統(tǒng)高精度、絕對(duì)編碼的要求。因此，在RTlinux處理的過(guò)程中，首先需要對(duì)采集到兩路信號(hào)進(jìn)行耦合處理，再根據(jù)外界基準(zhǔn)對(duì)耦合后的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，以消除系統(tǒng)機(jī)械安裝、電磁干擾等造成的測(cè)量誤差，提高測(cè)量的精度。

2　測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)這種測(cè)量系統(tǒng)的組成和基本原理，在設(shè)計(jì)時(shí)可以分為硬件電路和軟件算法兩個(gè)部分。這里以某飛行姿態(tài)雙軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)為對(duì)象對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出相關(guān)的電路圖和軟件流程。

2.1測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器工作需要的激磁電路設(shè)計(jì)、AD2S80A的外圍電路設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的接口外擴(kuò)電路三個(gè)部分。這里首先對(duì)硬件的通訊接口進(jìn)行分析，再分別簡(jiǎn)單介紹各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)。

激磁電路在設(shè)計(jì)時(shí)，先用5MHz晶振產(chǎn)生基波信號(hào)，再利用兩個(gè)分頻芯片CC4020和CC4017將信號(hào)轉(zhuǎn)換為AD2S80A期望的2KHz信號(hào)。AD2S80A的外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)，主要按照AD2S80A數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型應(yīng)用配置具體參數(shù)。接口外擴(kuò)電路只需要AD2S80A 外圍電路板中加入一個(gè)DB25針的插座即可，這是由于AD2S80A輸出單元自帶鎖存寄存器，在AD2S80A外圍電路板設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)板內(nèi)走線的方式將對(duì)應(yīng)的信號(hào)連接起來(lái)就實(shí)現(xiàn)了端口復(fù)用的功能。

根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的組成和工作原理，設(shè)計(jì)時(shí)選用兩片AD2S80A軸角變換器分別對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。為了滿足用戶不同的設(shè)計(jì)要求，AD2S80A提供10bit、12bit、14bit和16bit四種輸出分辨率工作方式，由SC1和SC2管腳確定，輸出的接口總是為16bit。顯然，如果不加處理，單片AD2S80A就要占用板卡16位I/O端口，為滿足測(cè)量系統(tǒng)接口需要選擇一塊I/O為32位的板卡。為了充分利用系統(tǒng)資源，節(jié)省開發(fā)成本，在不影響系統(tǒng)功能的前提下，可以采用端口分時(shí)復(fù)用的方法，即所有2片AD2S80SA輸出信號(hào)共用一個(gè)16位I/O端口，由另外2位I/O端口負(fù)責(zé)分時(shí)選通相應(yīng)的測(cè)角芯片。這樣，完成RTlinux嵌入式平臺(tái)與AD2S80A之間的數(shù)據(jù)采集就只需18位I/ O端口，一塊I/O為24位的板卡就可以滿足系統(tǒng)要求，實(shí)際系統(tǒng)中選擇臺(tái)灣泓格公司生產(chǎn)的PIO-D24。

2.2測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)的軟件功能主要包括兩個(gè)端口的數(shù)據(jù)采集、粗精耦合和耦合后的誤差補(bǔ)償三個(gè)部分。在RTlinux系統(tǒng)中首先用創(chuàng)建一個(gè)周期為1ms的周期進(jìn)程，在該進(jìn)程中每次都要完成一次數(shù)據(jù)采集、耦合和誤差補(bǔ)償?shù)奶幚磉^(guò)程。由泓格公司生產(chǎn)的PIO-D24 I/O板卡寄存器地址與PC機(jī)內(nèi)存地址之間是固定不變的關(guān)系，且該板卡是以字節(jié)為單位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取操作。數(shù)據(jù)采集時(shí)，只需調(diào)用RTLinux內(nèi)核下的inb（）函數(shù)就能完成數(shù)據(jù)的采集。具體的流程如圖2所示。

圖2　粗精耦合和補(bǔ)償流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選用23面棱體和自準(zhǔn)直光管對(duì)以上設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的結(jié)果如圖3所示。圖中的虛線表示補(bǔ)償前的誤差曲線，圖中的點(diǎn)劃線表示補(bǔ)償后的誤差曲線。從圖中可以看出，補(bǔ)償前這種測(cè)量系統(tǒng)的精度在峰-峰12”左右，補(bǔ)償后系統(tǒng)的精度在±2.5’以內(nèi)，充分說(shuō)明這種測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)±2.5’以內(nèi)的精度。

圖3　誤差補(bǔ)償曲線圖

4　結(jié)論

基于RTLinux和AD2S80A的角位置測(cè)量系統(tǒng)，選用旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器作為測(cè)量系統(tǒng)中的粗測(cè)和精測(cè)傳感器。利用AD2S80A軸角變換器對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，并通過(guò)RTLinux嵌入式處理平臺(tái)對(duì)AD2S80A處理后的信號(hào)進(jìn)行耦合和補(bǔ)償處理，最終實(shí)現(xiàn)角位置的高精度測(cè)量。

［1］姜復(fù)興，龐志成.慣導(dǎo)測(cè)試設(shè)備原理與設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998（2）：208-216.

［2］鄒思軼.嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社，2002：5-6.

Design and implementation of high accuracy angular position measurement system based on RTLinux

Zhou Huida
（Jiangning Nanjing secondary specialized school，Nanjing Jiangsu，211110）

According to the principle of double channel angle measuring system of coarse and fine coupling，in RTLinux embedded system of resolver and inductosyn two sensor by change the output digital signal coupling treatment，and for coupling signal to compensate，angular position of high precision measurement.

RTLinux；AD2S80A；angular position；measurement system