一種基于DSP的軸角測量系統設計

梁韜+李富榮+王玉峰

摘 要： 介紹了一種由12ZSZ和TMS320F2812構成的軸角測量系統，對自整角機的工作原理進行了介紹，并給出了數字轉換芯片與DSP之間的引腳連接圖，最后闡述了部分軟件方面的設計。該測量系統實時性好，可以滿足對軸角實時顯示的要求。

關鍵字： 軸角測量系統； 自整角機； TMS320F2812； 接口電路； 實時性

中圖分類號： TN06?34 文獻標識碼： 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

隨著現代技術的發展，在各個控制領域，角度信息是一個重要的參數，如何快速、精確的采集角度信號在工程應用中受到廣泛關注。傳統的角度測量方法[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、交流微電機等。自整角機一種微電機，由于其測量精度較高、性能穩定、工作可靠，可以在抗震動、沖擊和油污等惡劣環境下工作等原因而被廣泛應用，由于自整角機輸出的是包含位置信息的模擬信號，必須轉換成數字信號才能輸入到DSP中進行處理，本文選用的12ZSZ是中船重工生產的數字轉換芯片，該芯片不但精度高、可靠性高，而且體積小、壽命長。在以前的測角系統中，大部分采用單片機進行數據處理[2]，隨著技術的不斷提高，單片機的處理速度、檢測精度遠遠達不到要求，本文采用TI公司的TMS320F2812作為整個測量系統的核心芯片[3]，基于DSP的高速數據處理能力，能夠保證數據采集和處理的實時性，能夠大大提高整個系統的工作效率，在高速實時數據采集和處理領域具有一定的應用價值。

1 軸角測量系統組成

軸角測量系統由自整角機、數字轉換器、DSP TMS320F2812組成，當軸角信號傳送到自整角機時，自整角機將其轉變成三相交流調制信號，再輸入到數字轉換器中，轉換成12位的數字信號，通過DSP解算出軸角信號，最后通過顯示模塊進行顯示，其系統組成如圖1所示。

圖1 軸角測量系統組成

2 自整角機測量原理

在控制系統中，自整角機通常是2個或2個以上組合使用的，當作為角度傳感器實現角度測量時，只用一個發送機就可以了，其工作原理[4]如圖2所示。

圖中[S1、][S2]和[S3]為三相繞組，左邊圈內的為單相繞組，工作時單相繞組作為轉子，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。

設正弦交流激磁繞組以轉速[n]恒速旋轉，星型輸出繞組感應電勢亦為正弦交流電勢，則三相感應電勢[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的最大值，[ω]=60，[n]是激磁電壓的角速度，[θ]是角位移。設信號[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，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A/D電路的設計

在整個測量系統中，A/D轉換器是整個系統數據采集部分的關鍵核心器件，本系統中采用的是中船重工的12ZSZ作為測量系統的A/D轉換器。12ZSZ是中船重工716所生產的一種模塊式、高精度、高可靠性的自整角機數字轉換器[6]，采用二階伺服原理設計，可應用于伺服機構、導航系統、火控系統等多個領域。該系列轉換器和美國AD公司SAC1764系列轉換器兼容。該轉換器還有一個重要的特點，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換器相連，這就意味著一個標準轉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2.2 kΩ電阻。

自整角機的三線輸入應連接到轉換器的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]為自整角機軸角；[K]為變比，[VRH?RL]是激勵電壓。

12ZSZ是精度12位的數字轉換器，與DSP的D0～D11的數據總線相連[7]，測量系統的結構原理圖如圖3所示。由于DSP的I/O口電平是3.3 V，數字轉換器的是5 V TTL電平輸出，所以中間加了一個電平轉換。數據在采樣時，CPU發出I/O指令，內部的地址總線信號經過譯碼后，控制數字轉換器模塊傳送軸角信號，然后進行采集處理，最后送到顯示模塊。

圖3 測量系統結構原理圖

4 系統的軟件設計

軸角測量系統的軟件是DSP的主要編程任務[8]，包括DSP的初始化，顯示模塊的初始化及實現數字信號處理的算法。軟件設計采用C語言編程，在這里由TI公司提供的功能強大的CCS（Code Composer Studio）作為集成開發環境。

程序的主要任務是控制接收由數字轉換器發送到的數據進行處理并實時的顯示[9]，系統上電復位后，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，設計定時器的工作模式及中斷，然后進入循環運行狀態。

系統軟件設計如圖4所示。

圖4 系統軟件設計

5 測量結果

在完成系統的硬軟件設計后，做出了實物，然后對系統做了測試，測試過程中選擇了不同的旋轉角進行了測試，并且在同一旋轉角位置進行了50次采樣，計算得到平均值進行了比較，部分測試數據見表1。

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

6 結 論

本設計的軸角測量系統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，并用專用的數字轉換模塊，與傳統的測量系統設計方案相比，不僅使得整個測量系統的具有體積小，精度高等特點，還大大提高了跟蹤測量的速度和動態測量的精度，而且用CCS作為軟件開發環境，無論從編程還是在軟件調試方面都變得簡單方便。

參考文獻

[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設計[J].光學精密工程，2010，18（5）：1182?1187.

[2] 王海濤，謝壽生.基于DSP的自整角機的設計[J].傳感器技術，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的自整角機的軸角檢測方法研究[D].濟南：山東大學，2006.

[5] 何秀然，李天亮，謝壽生，等.航空發動機自整角機的數字化設計[J].電機與控制學報，2006（1）：14?17.

[6] 716研究所.716研究所產品數據手冊[M].連云港：716研究所，2009.

[7] 顧衛鋼.手把手教你學DSP：基于TMS320X281X[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

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

[9] 李思維，徐躍鑒，項國輝.自整角機/數字轉換器原理及其在軸角測量中的應用[J].應用天地，2007（3）：60?62.

[10] 何林，牛二兵，高潔，等.基于DSP I/O空間與旋轉變壓器的位置采樣系統設計[J].微電機，2011（10）：44?46.

自整角機的三線輸入應連接到轉換器的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]為自整角機軸角；[K]為變比，[VRH?RL]是激勵電壓。

12ZSZ是精度12位的數字轉換器，與DSP的D0～D11的數據總線相連[7]，測量系統的結構原理圖如圖3所示。由于DSP的I/O口電平是3.3 V，數字轉換器的是5 V TTL電平輸出，所以中間加了一個電平轉換。數據在采樣時，CPU發出I/O指令，內部的地址總線信號經過譯碼后，控制數字轉換器模塊傳送軸角信號，然后進行采集處理，最后送到顯示模塊。

圖3 測量系統結構原理圖

4 系統的軟件設計

軸角測量系統的軟件是DSP的主要編程任務[8]，包括DSP的初始化，顯示模塊的初始化及實現數字信號處理的算法。軟件設計采用C語言編程，在這里由TI公司提供的功能強大的CCS（Code Composer Studio）作為集成開發環境。

程序的主要任務是控制接收由數字轉換器發送到的數據進行處理并實時的顯示[9]，系統上電復位后，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，設計定時器的工作模式及中斷，然后進入循環運行狀態。

系統軟件設計如圖4所示。

圖4 系統軟件設計

5 測量結果

在完成系統的硬軟件設計后，做出了實物，然后對系統做了測試，測試過程中選擇了不同的旋轉角進行了測試，并且在同一旋轉角位置進行了50次采樣，計算得到平均值進行了比較，部分測試數據見表1。

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

6 結 論

本設計的軸角測量系統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，并用專用的數字轉換模塊，與傳統的測量系統設計方案相比，不僅使得整個測量系統的具有體積小，精度高等特點，還大大提高了跟蹤測量的速度和動態測量的精度，而且用CCS作為軟件開發環境，無論從編程還是在軟件調試方面都變得簡單方便。

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[10] 何林，牛二兵，高潔，等.基于DSP I/O空間與旋轉變壓器的位置采樣系統設計[J].微電機，2011（10）：44?46.

自整角機的三線輸入應連接到轉換器的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]為自整角機軸角；[K]為變比，[VRH?RL]是激勵電壓。

12ZSZ是精度12位的數字轉換器，與DSP的D0～D11的數據總線相連[7]，測量系統的結構原理圖如圖3所示。由于DSP的I/O口電平是3.3 V，數字轉換器的是5 V TTL電平輸出，所以中間加了一個電平轉換。數據在采樣時，CPU發出I/O指令，內部的地址總線信號經過譯碼后，控制數字轉換器模塊傳送軸角信號，然后進行采集處理，最后送到顯示模塊。

圖3 測量系統結構原理圖

4 系統的軟件設計

軸角測量系統的軟件是DSP的主要編程任務[8]，包括DSP的初始化，顯示模塊的初始化及實現數字信號處理的算法。軟件設計采用C語言編程，在這里由TI公司提供的功能強大的CCS（Code Composer Studio）作為集成開發環境。

程序的主要任務是控制接收由數字轉換器發送到的數據進行處理并實時的顯示[9]，系統上電復位后，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，設計定時器的工作模式及中斷，然后進入循環運行狀態。

系統軟件設計如圖4所示。

圖4 系統軟件設計

5 測量結果

在完成系統的硬軟件設計后，做出了實物，然后對系統做了測試，測試過程中選擇了不同的旋轉角進行了測試，并且在同一旋轉角位置進行了50次采樣，計算得到平均值進行了比較，部分測試數據見表1。

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

6 結 論

本設計的軸角測量系統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，并用專用的數字轉換模塊，與傳統的測量系統設計方案相比，不僅使得整個測量系統的具有體積小，精度高等特點，還大大提高了跟蹤測量的速度和動態測量的精度，而且用CCS作為軟件開發環境，無論從編程還是在軟件調試方面都變得簡單方便。

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