AD2S1210在氣象雷達中的應用

劉仁貴 ，李偉華 ，黨建林 ，馬勝毅 ，侯成英

（1.西北工業(yè)大學明德學院陜西西安710124；2.陜西捷普控制技術有限公司陜西西安712000；3.西安晨曦航空科技股份有限公司陜西西安710077）

氣象雷達是用于探測天氣的雷達，氣象雷達在工作的過程中，有時需要對特定的空間區(qū)域進行反復掃描，實時跟蹤特定云系的變化和走向，以提高預報的準確性。因此，在氣象雷達運動控制系統(tǒng)中，需要對方位和俯仰的角度位置實時解碼，并精確定點到某個特殊的角度，否則容易造成前后掃描云圖的重合性變差。

旋轉變壓器（旋變）[1]的定子和轉子是分開安裝的，為非接觸式結構，結構簡單，堅固耐用，維護方便，對機械和電氣噪音不敏感，抗干擾能力好，具有很高的可靠性，因此廣泛應用于各種條件惡劣環(huán)境下的角度測量。

由于旋變的輸入端是具有一定頻率的交流勵磁電壓[2]，輸出端也是模擬量信號。在用旋變進行角度測量時，需要為其產生勵磁信號并將旋變輸出的模擬量變換成表示角度的數字信號的解碼器。

本文闡述了一種新型單芯片旋變數字轉換器AD2S1210的外圍硬件電路設計以及軟件設計，并對設計進行了驗證，給出了試驗結果。

1 硬件設計

1.1 氣象雷達運動控制方案

為了減少經過滑環(huán)的電纜的數量，提高控制系統(tǒng)的可靠性，氣象雷達的俯仰運動和方位[3]運動分別由兩塊獨立的控制板卡完成，兩塊控制板卡通過兩個獨立的RS232通信端口接收主控計算機發(fā)出的定速或定點控制指令。定速則是方位運動或者俯仰運動按照主控計算機指定的速度勻速轉動，定點運動則是方位運動或者俯仰運動轉動到指定的角度位置并停止轉動。氣象雷達的控制方案如圖1所示。

圖1 氣象雷達控制方案

1.2 AD2S1210概述

AD2S1210[4]是ADI公司推出的完整的單芯片旋變數字轉換器（R/DC），在分辨率為10位且時鐘為8.192 MHz的情況下，最大跟蹤速率可達2 500 rps。AD2S1210的最大分辨可達16位，可由用戶設定，最大精度可達0.005°?？赏ㄟ^并行或者串行SPI接口對其進行配置以及讀取絕對位置、實時速度以及故障代碼數據。

AD2S1210的外圍電路主要是旋變勵磁信號驅動電路和旋變輸出的SIN/COS信號接收電路[5]，AD2S1210與外圍電路的硬件接線關系如圖2所示。

圖2 AD2S1210的硬件接線圖

1.3 AD2S1210勵磁信號電路

由于旋變與AD2S1210的距離較遠，且旋變的阻抗一般都不大，從幾十歐姆到幾百歐姆，例如160XZ01-1B型旋變的直流阻抗為200Ω左右，而AD2S1210輸出的差分勵磁信號EXC/------EXC幅度僅為3.6Vp-p，抗干擾能力和驅動能力弱，因此，為了提高勵磁信號的抗干擾能力和驅動能力，需要對勵磁信號進行電壓和電流的放大[6]，為旋變提供足夠的驅動電流。另外，AD2S1210輸出的勵磁信號EXC/------EXC來自其內部D/AC，由于D/AC過程會產生一定的量化噪聲，因此，勵磁驅動電路中還應增加濾波電路，以減少驅動信號中的噪聲[7]。AD2S1210勵磁信號電路如圖3所示。

圖3 勵磁信號電路

圖3中，勵磁信號經過以雙通道運算放大器AD8692[8]為核心的三階巴特沃茲低通濾波器[9]以及AD8397構成的高電流驅動后，與旋變的勵磁端連接。

三階巴特沃茲低通濾波器由前、后兩級組成，前級由R31、R33、R35、C33、C35、U4A構成多反饋有源低通濾波器，后級由R37、C37組成一階無源RC濾波器。三階巴特沃茲低通濾波器的直流增益和-3 dB的截止頻率分別如式（1）和式（2）。

濾波前與濾波后的勵磁信號如圖4所示。圖4中，上面的波形為濾波前的波形，下面的波形為濾波后的波形。

從圖4可以看出，濾波器電路的引入，有效減少了勵磁信號中的噪聲，但由于濾波電路中電容的存在，引起了信號的相移[10]，其相移為-5°左右。

圖4 濾波效果

高電流驅動電路以AD8397為核心，其最大輸出電流高達310 mA，高電流驅動電路的單端增益為1+R43/R41=2.5，差分信號增益為5。因此，高電流驅動電路不僅為旋變提供了足夠的驅動電流，同時還將勵磁信號放大到適當的值，以提高勵磁信號的抗干擾能力。在12 V供電的情況下，AD8397輸出的勵磁信號幅度為3.6Vp-p×5=18Vp-p。

1.4 AD2S1210信號接收電路

由于旋變輸出的SIN/COS信號要經過較長線路傳輸，傳輸過程中容易受到噪聲干擾，且信號的幅度不滿足AD2S1210信號輸入的要求，因此，AD2S1210信號接收電路的主要作用是消除傳輸線路上產生的干擾信號，并將SIN/COS信號調整到AD2S1210能接受的3.15 Vp-p±27%范圍內。AD2S1210信號接收電路如圖5所示。

圖5 AD2S1210信號接收電路

信號接收電路由兩級組成，前級為一階有源低通濾波器，增益為-R55/R60=-0.889，后級為多反饋有源低通濾波器，其增益為-R47/R8=-0.426。信號接收電路總的增益和-3 dB截止頻率分別如式（3）、（4）。

圖6 接收電路輸入、輸出信號

由于氣象雷達選用旋變的變比為0.45，因此旋變輸出的差分SIN/COS信號幅度最大為8.1 Vp-p，AD2S1210輸入信號的幅度為8.1 V×0.378=3.062 Vp-p，滿足AD2S1210的輸入電壓要求。

圖6為AD2S1210信號接收電路的輸入信號（上）、輸出信號（下）的對比圖。

從圖6可以看出，由于旋變自身良好的抗干特性以及系統(tǒng)中屏蔽傳輸線的使用，信號幾乎不受外界干擾。濾波電路引起信號-2.16°的相移。

1.5 信號的相移

圖7 相位差

從圖7可以看出，由于旋變相移的存在，整個信號鏈路的總相移約為2.87°，大大低于±44°的最大允許值。

2 軟件設計

2.1 軟件流程

在氣象雷達控制系統(tǒng)中，微處理器采用STM32F407VGT6，其主頻高達 168 MHz，并帶 DSP、FPU以及豐富的外設，使其非常適合氣象雷達伺服電機的控制以及相關浮點數據的計算[12]。STM32F407VGT6通過SPI接口對AD2S1210進行設置和讀取相關寄存器的數據。AD2S1210的軟件操作流程如圖8所示。

圖8 軟件流程

2.2 通信接口選擇

AD2S1210與控制器之間既可以通過4線串行SPI接口進行通信[13]，也可以通過16位并行接口通信，但SPI接口占用的硬件IO資源少，且時鐘速率最高可達25 MHz，完全滿足系統(tǒng)的要求，因此，氣象雷達控制系統(tǒng)中，AD2S1210與控制器之間通過SPI接口進行通信。通信接口的選擇，由信號的電平決定，當為高電平時，并行接口使能；當引腳處于低電平時，串行接口使能。

2.3 工作模式選擇

AD2S1210有配置模式和普通模式兩種工作模式[14]。配置模式用于對相關參數進行設置，如勵磁頻率、分辨率和故障檢測閾值等。配置模式也可用于讀取故障寄存器中的信息。位置和速度寄存器中的數據也可以在配置模式下進行讀取。AD2S1210可以完全工作在配置模式下，也可以在配置完成后，工作在普通模式下。在普通模式下，可以讀取位置和速度數據。A0和A1引腳的電平用來確定工作模式，以及普通模式下輸出的是位置還是速度數據[15]，具體如表1所示。

2.4 參數設置

在實際應用中，AD2S1210的設置主要是勵磁頻率的設置和分辨率的設置。

表1 工作模式設置

AD2S1210的勵磁頻率范圍是從2 kHz到20 kHz，以250 Hz為增量。勵磁頻率的設置主要是修改寄存器0x91的值FCW，勵磁頻率的計算如式（5）。

式（5）中，fCLKIN為AD2S120的晶振頻率。在本控制系統(tǒng)中，AD2S1210的勵磁頻率采用2 kHz，頻率低可以減小信號的相移。

AD2S1210最大跟蹤速度與分辨率有關，分辨率越高，其最大跟蹤速度越低。氣象雷達在轉動的過程中，方位最大轉速僅為36°/秒，但定點精度要求最大誤差不大于0.1°，因此在氣象雷達控制系統(tǒng)中，AD2S1210的分辨率設置為16位。在普通模式下，分辨率由RES0和RES1輸入引腳電平決定，在配置模式下，分辨率由設置控制寄存器0x92中的D0和D1位，即RES0和RES1位決定。具體設置如表2所示。

表2 分辨率設置

2.5 數據讀取

AD2S1210位置[16]數據高、低字節(jié)分別存儲于0x80和0x81寄存器中，速度數據高、低字節(jié)分別存儲于0x82和0x83寄存器中。在氣象雷達控制系統(tǒng)中，AD2S1210的分辨率采用16位，因此，可以將位置數據的兩個字節(jié)組合成一個無符號的短整型數據，并乘以0.005493（360/65536）即可得到角度位置。將速度數據的兩個字節(jié)組合成一個有符號的短整型數據，并乘以0.003815（125/32768）即可得到實時速度，實時速度為正值，表示旋轉方向為順時針方向，為負值，則表示旋轉方向為逆時針方向。

2.6 故障處理

AD2S1210的故障寄存器0xFF是一個8位的寄存器，每一位的值代表一種故障是否發(fā)生，如表3所示。

表3 故障寄存器位功能描述

AD2S1210能夠自動檢測輸入信號故障，當沒有故障發(fā)生時，寄存器的值為0，當發(fā)生故障時，對應的位為1，且讀取到的位置和速度數據也為無效數據，因此通過讀取故障寄存器的值可以判定當前讀取的數據是否有效，以及故障發(fā)生的原因，方便故障的排除。該功能在氣象雷達控制系統(tǒng)中非常有用，為系統(tǒng)的平穩(wěn)運行提供了有力的保證，因為錯誤的數據將可能導致定點控制算法失效，造成雷達劇烈震動，對系統(tǒng)結構造成損壞。在氣象雷達控制系統(tǒng)中，當檢測到有故障發(fā)生時，微處理器將上報主控計算機，并立即停止轉動，確保系統(tǒng)安全。

3 實際效果

基于AD2S1210的旋變信號采集板如圖9所示。

圖9 信號采集板實物圖

定點控制測試結果如圖10所示。

從圖10可以看出，方位定點180°時，實際定點為 180.02°，誤差為 0.02°；俯仰定點 45°時，實際定點為45.00°，誤差為0.00°。

4 結論

圖10 定點控制測試

本文著重介紹了AD2S1210的外圍硬件電路設計以及AD2S1210的軟件操作，并制作實際電路對設計經行了驗證，從實驗的結果來看，俯仰控制誤差不大于0.01°，方位控制誤差不大于0.02°，且AD2S1210的讀數非常準確、穩(wěn)定，為系統(tǒng)的高精度定點控制和長期的穩(wěn)定運行提供了重要的保證。從實際裝機運行的結果來看，定點迅速、精確，系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，最終雷達掃描空間區(qū)域得到的云圖效果也非常好。