三路旋轉變壓器／數字轉換模塊接口電路設計

李　熠　張京娟　張仲毅　劉俊成

摘 要：介紹基于ISA總線的三路旋轉變壓器/數字轉換模塊接口電路的設計及應用。接口電路采用三個旋轉變壓器/數字轉換模塊分別控制三路測角信號的數字量轉換,測角的時間周期短,精度高,且輸出順序不受硬件電路的限制,既可以三個角度同時準確輸出,也可以某一個角度單路輸出。接口電路已經成功應用在某平臺慣導系統俯仰、橫滾、航向三個姿態角的測量中,能夠在平臺慣導100 ms的控制周期內準確輸出三個姿態角,測角精度達到10″。接口電路在測量精度和時間周期上都達到了要求。

關鍵詞：旋轉變壓器/數字轉換模塊；ISA總線；接口電路；平臺慣導系統

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：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

旋轉變壓器/數字轉換器是角位移測量和控制的重要組件,它把測角模擬量轉換成數字量信號,廣泛應用于飛行器姿態控制和檢測、導彈控制、雷達天線監控、火控系統等軍事裝備中。隨著集成電路的高速發展,這種類型的轉換器已有許多產品以固態電路封裝形式應市。在國內這種數字轉換器模塊有12位到22位不等,轉換精度基本能夠滿足應用需求,但由于數字轉換器內部響應速度的限制［1,2］,轉換器只能跟蹤一定速度范圍內的軸角變化,在要求多路信號切換速度較高的數字轉換系統中,用一個數字轉換器模塊控制多路信號的數字量輸出時,將不可避免地出現數字量輸出滯后于軸角的變化。為了準確地獲取角度信號,就需要增加多路測角的時間周期,為此介紹一種基于ISA總線的三路旋轉變壓器/數字轉換模塊接口電路,該電路已經成功應用在某平臺慣導三個姿態角的測量中,測角速度快,精度高。

1 旋轉變壓器/數字轉換模塊工作原理

旋轉變壓器/數字轉換模塊是電路的重要元器件,根據需求采用中船重工集團第716所生產的型號為19XSZ2413-S32的19位旋轉變壓器/數字轉換模塊,其測角精度能達到10″。根據旋轉變壓器/數字轉換模塊的基本原理［1,2］生產出的旋轉變壓器/數字轉換模塊［3,4］，其內部包括粗通道旋轉變壓器到數字轉換器、精通道旋轉變壓器到數字轉換器、雙速處理器和三態鎖存器。粗通道旋轉變壓器到數字轉換器轉換成12位數字角度,精通道旋轉變壓器到數字轉換器轉換成14位數字角度,兩數字角度量再經一個雙速處理器進行硬件實時糾錯處理、粗精組合后,輸出一個19位并行數字角度量到鎖存器。該模塊內部原理框圖如圖1所示。

2 硬件設計及分析

整個接口電路主要由3部分構成：譯碼電路、旋轉變壓器/數字轉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 旋轉變壓器/數字轉換模塊內部原理框圖

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,用來產生接口電路的端口地址。當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SN74HC154的輸入端A,B,C,D時,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位數字信號,0x03A0和0x03A8分別為三路同時解除和禁止 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 旋轉變壓器/數字轉換模塊控制電路

三路旋轉變壓器/數字轉換模塊控制電路是整個接口電路的核心,由3個旋轉變壓器/數字轉換模塊及其外圍控制電路組成。旋轉變壓器/數字轉換模塊中的兩個重要信號“ INH”和“CB”分別控制輸入模擬信號的轉換和輸出19位數字信號的鎖存。 INH禁止信號輸入端,內部已經用上拉電阻接到+5 V,當 INH為邏輯“0”,即禁止 INH信號時,延遲600 ns后鎖存器內數據穩定,可讀取數據；當 INH為邏輯“1”,即解除 INH信號時,鎖存器內數據更新,此時禁止讀取數據。CB為數據轉換結束的檢測信號,當CB為高電平時,表示轉換器內處于跟蹤轉換狀態,此時數據輸出不穩定；當CB為低電平時,表示轉換器內已經轉換結束,此時數據輸出穩定有效,可以讀取。其中一路旋轉變壓器/數字轉換模塊控制電路原理框圖如圖3所示。

該電路在工控機剛開始上電時,“RES”( RESET DRV)輸出一負脈沖［5-7］,此時SN54HC74的輸出為高,此信號用來控制旋轉變壓器/數字轉換模塊的 INH,此時平臺慣導內部旋轉變壓器輸出的俯仰、橫滾、航向3個姿態角的粗精通道正余弦模擬信號進入19XSZ2413-S32旋轉變壓器/數字轉換模塊,這是電路工作的初始狀態。之后旋轉變壓器/數字轉換模塊通過編程控制地址譯碼的輸出,實現三路模塊同時工作或單路模塊工作。其中,對3塊旋轉變壓器/數字轉換模塊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位數字量,所以采用3個SN74HC373,當數據轉換完成之后,CB自動變為低,從而使能LE,當CPU讀取數據時,鎖存器 OE使能,19位轉換數據同時打入3個鎖存器等待CPU的讀取。

圖3 旋轉變壓器/數字轉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 I/O CS16信號有效時,通知系統板當前的數據傳送是一個有等待狀態的16位I/O周期［8,9］。在電路調試中通過調節R1,C 11的大小可以控制 I/O CS16低脈沖的時間,使得通過ISA總線讀取低16位數據時正確穩定。現在電路中采用3個旋轉變壓器/數字轉換模塊分別控制三路角度量信號的轉換輸出,當 INH為邏輯“0”之后,經過600 ns的延時,CB為“0”,CPU即可讀取19位數字量信號。脈寬控制電路如圖4所示。

圖4 脈寬控制電路

3 軟件設計

接口電路基于工控機上的ISA總線進行數據的轉換控制和讀取 。程序采用C語言編寫,在TC環境下運行正常。三路模塊同時工作時程序流程圖如 圖5所示,三路模塊可依次讀取數據,經實驗證明不需要切換延時時間,這也是滿足三路快速測角所必須的。當然,也可通過選擇譯碼地址控制單路模塊工作。

圖5 三路模塊同時工作程序流程圖

4 實驗結果

利用實驗室已有的數字/旋轉變壓器板產生的信號作為輸入,角度測試結果如表1所示,實驗結果表明測角精度可以達到10″,滿足精度要求。

5 結 語

該接口電路已經應用在某平臺慣導3個姿態角的測量中,工作正常,證明該電路設計合理。在電路中測角精度達到10″,能夠滿足精度要求,更重要的是縮短了該平臺慣導系統三個姿態角的測角周期,達到應用的目的。

表1 角度測試結果

實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″

參考文獻

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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。研究方向為平臺慣導及車載導航系統。

張京娟 女,1975年出生,陜西人,講師,碩士生導師。研究方向為慣性及組合導航系統。

張仲毅 男,1985年出生,河南南陽人,博士研究生。研究方向為慣性導航技術。

劉俊成 男,1981年出生,山東人,博士研究生。研究方向為機群組網定位技術