基于SSI通訊的吸附式水平測量儀設(shè)計(jì)

沙春哲 王鍇磊 王春喜

（北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076）

1引言

某飛行器發(fā)射前必須快速準(zhǔn)確的測量出發(fā)射臺相對大地水平面的不水平傾斜，并通過傾角值將臺面精確調(diào)平，保證飛行器的初始水平姿態(tài)，從而提高導(dǎo)彈的飛行穩(wěn)定性和命中精度。為滿足該測量需求，設(shè)計(jì)了一款基于SSI（Synchronous Serial Interface）通訊的吸附式水平測量儀，在滿足發(fā)射臺水平測量的基礎(chǔ)上，通過SSI通訊接口將測量結(jié)果發(fā)送至地面工控機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和顯示。

吸附式水平測量儀使用重力加速度計(jì)為測角敏感元件，通過采樣電路采集重力加速度計(jì)在傾斜面上的正弦分量原理，精確解算出被測面的不水平傾斜。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)互相獨(dú)立的測量元件分別敏感兩個(gè)方向（X軸，Y軸）的重力加速度值，通過對信號的放大濾波以及AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而精確的測試出發(fā)射臺基準(zhǔn)面的水平度。并通過設(shè)備的SSI接口將測試結(jié)果，實(shí)時(shí)傳輸給發(fā)射平臺控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射平臺的自動調(diào)平。

2 SSI通訊原理

SSI通訊協(xié)議為縮寫，其全稱為同步串行接口。從名字可以得知這是一種串行通訊協(xié)議［1］。SSI通訊可以分為主機(jī)和從機(jī)，主機(jī)是一些控制器，如PLC、人機(jī)界面等等，從機(jī)是被控制設(shè)備。主機(jī)發(fā)送同步時(shí)鐘脈沖，從機(jī)在接收到同步脈沖以后在時(shí)鐘的上升沿送出數(shù)據(jù)給主機(jī)，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘傳輸?shù)姆较蚨际菃蜗虻模?］。

SSI通訊的幀格式如圖1所示。數(shù)據(jù)傳輸采用同步傳輸方式，在數(shù)據(jù)傳輸間隔階段即不發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候時(shí)鐘和數(shù)據(jù)都保持高電平，在第一個(gè)脈沖的下降沿觸發(fā)水平測量儀載入發(fā)送數(shù)據(jù)，然后每一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿水平測量儀發(fā)送出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的高位在前，低位在后，當(dāng)傳送完所有的數(shù)據(jù)位數(shù)以后時(shí)鐘回到高電平，數(shù)據(jù)也相應(yīng)的回到高電平［3］。

SSI通訊幀格式中的幾個(gè)參數(shù)定義如下：

T——時(shí)鐘的脈沖周期時(shí)間；

f——時(shí)鐘頻率；

tp——數(shù)據(jù)傳輸間隔；

tm——單穩(wěn)觸發(fā)時(shí)間；

tv——數(shù)據(jù)輸出與時(shí)鐘輸入相比的延遲時(shí)間；

n——傳輸位數(shù)。

傳輸?shù)奈粩?shù)可以是任意位數(shù)，本設(shè)計(jì)中水平測量儀采用的是13位的數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)。對于從機(jī)水平測量儀而言是無法事先知道主機(jī)發(fā)送的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)的，因而無法確定幀的起始位和停止位。解決問題的方法是采用高電平保持一段時(shí)間沒有變化作為幀結(jié)束標(biāo)志。tm單穩(wěn)時(shí)間就是指這個(gè)時(shí)間［4］。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)CPLD的時(shí)鐘，當(dāng)計(jì)數(shù)的時(shí)鐘時(shí)間為單穩(wěn)態(tài)時(shí)間時(shí)，SSI的輸出狀態(tài)回到初始狀態(tài)，高電平置位，準(zhǔn)備開始下次數(shù)據(jù)輸出的循環(huán)過程。

3 總體設(shè)計(jì)

吸附式水平測量儀組成示意圖如圖2所示，主要由測量本體、磁性基座、控制盒以及控制電纜組成。

3.1 測量本體

測量本體主要由2個(gè)重力加速度傳感器和固定基座組成。

重力加速度傳感器為水平測量儀的核心測角部件，通過敏感被測斜面的相對于重力方向的正弦分量值實(shí)現(xiàn)傾角度的測量。

固定基座提供安裝和測量兩個(gè)基準(zhǔn)面，安裝基準(zhǔn)面用于安裝重力加速度傳感器，測量基準(zhǔn)面為外部測量提供測試基準(zhǔn)。首先采用精密車、鏜、銑等加工工藝，形成三個(gè)互相垂直的工作面，最后，通過研磨加工保證其測量基準(zhǔn)面的平面度以及2個(gè)安裝面之間的垂直度。實(shí)現(xiàn)了測量儀穩(wěn)定的機(jī)械性能。

3.2 磁性基座

使用磁性基座的磁性吸力實(shí)現(xiàn)測量儀的測量基面與被測臺體面的緊密貼合，達(dá)到被測臺體面傾角的穩(wěn)定測試，主要是由鑄鐵殼體、銅制隔磁條、磁鋼和磁性開關(guān)組成。磁鋼安裝在鑄鐵殼體內(nèi)，殼體表面中間位置嵌入隔磁條，通過旋轉(zhuǎn)磁性開關(guān)控制磁鋼的方向，實(shí)現(xiàn)順磁和逆磁兩個(gè)狀態(tài)切換，從而達(dá)到吸合和斷開的功能。

使用時(shí)將測量本體放置在上面并通過固定螺釘固緊，然后將其放在被測平面上，打開磁性開關(guān)即可將傳感器固定在被測平面上。

3.3 控制盒

控制盒由電源轉(zhuǎn)換板、信號采集控制板組成。電源轉(zhuǎn)換板將28V電源電壓轉(zhuǎn)換為+5V和±15V電壓供控制系統(tǒng)和傳感器使用。

信號采集控制板實(shí)現(xiàn)對重力加速度傳感器信號的采集、放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過CPLD控制電路將處理完的測量數(shù)據(jù)通過SSI串行通訊方式傳輸出去。

4 電路設(shè)計(jì)

水平測量儀的電路整體框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。電源模塊提供+5V和±15V電壓為控制系統(tǒng)供電。X軸、Y軸兩個(gè)軸的加速度計(jì)輸出信號經(jīng)過I/V變換、放大濾波進(jìn)入24位的A/D采集單元，進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，微處理器對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，通過SSI通訊模塊與外部設(shè)備進(jìn)行通信。SSI通訊模塊主要由CPLD芯片加差分輸出電路組成。

4.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊選用Murata PS公司的完全隔離的電

源轉(zhuǎn)換器，型號TWR-53000-15500-D12A-C。該電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)參數(shù)如下：

輸入電壓：（9～36）V，直流

輸出1：±15V dc，±0.5A

輸出2：+5V，3A

工作溫度：-40℃～100℃

隔離電壓：1.5kV

電源模塊28V輸入，±15V，+5V輸出為系統(tǒng)供電。輸入端、輸出端均有電源濾波設(shè)計(jì)，抑制電磁噪聲。電源電路原理圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

4.2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號調(diào)理電路即是對加速度計(jì)輸出的微弱電流的信號進(jìn)行I/V變換、放大和濾波處理。設(shè)計(jì)電路如圖5所示。R9與U2C構(gòu)成I/V變換電路，R9為加速度計(jì)采樣電阻。R6、R8和U2A構(gòu)成放大電路，R8/R6的比值為電路的放大倍數(shù)。R2、R3為運(yùn)放的平衡電阻。

圖5中，R4、R5、C1、C3和U2B構(gòu)成二階低通濾波電路。該電路實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)輸出電壓信號的低通濾波，消除高頻雜波，保證測量的穩(wěn)定性。靜態(tài)條件下，加速度計(jì)敏感重力加速度，其輸出信號為緩變的電流信號。截正頻率的計(jì)算式：

4.3 信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

信號轉(zhuǎn)換電路完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傾角的測量。ADC選用選擇AD公司生產(chǎn)的AD7734芯片，該轉(zhuǎn)A/D轉(zhuǎn)換器采用+5V數(shù)字和+5VA模擬兩種電源供電。具備24位轉(zhuǎn)換分辨率，四通道模擬信號輸入，用戶通過SPI接口對芯片進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)最高12.3kHz的轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)具備可編程的測量范圍設(shè)定。

該A/D轉(zhuǎn)換器外圍電路簡單，只需簡單的外圍元器件和電壓基準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)搭建，外圍電路圖如圖6所示。A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源采用AD780ARZ輸出的2.5V的基準(zhǔn)電壓。外部使用6.144MHz的晶振。片內(nèi)SPI資源與主控芯片的SPI接口直接相連，通訊方式采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI通訊。芯片的通道AIN0采集加速度計(jì)輸出信號。

4.4 SSI通訊電路設(shè)計(jì)

SSI通訊通常有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)。一種方式用單片機(jī)搭建模擬電路實(shí)現(xiàn)SSI通訊，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SSI通訊功能雖然比較容易簡單，但是軟件的響應(yīng)速度限制了通訊速度。為了達(dá)到較高的通信速度需要采用CPLD來實(shí)現(xiàn)高速同步傳輸?shù)墓δ堋Ｒ獙?shí)現(xiàn)SSI通訊。采用計(jì)數(shù)脈沖的方式實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)。脈沖個(gè)數(shù)n1=tp×J，n2=T×J其中J為CPLD選用晶振值，技術(shù)脈沖個(gè)數(shù)n應(yīng)滿足n2＜n＜n1。當(dāng)輸入為脈沖上升沿時(shí)觸發(fā)計(jì)數(shù)開始，當(dāng)電平變?yōu)橄陆笛貢r(shí)計(jì)數(shù)結(jié)束，這時(shí)脈沖個(gè)數(shù)如果大于n時(shí)，輸出一個(gè)復(fù)位信號，將數(shù)據(jù)裝入移位寄存器，準(zhǔn)備并轉(zhuǎn)串移位輸出，在下一個(gè)脈沖上升沿移位輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出結(jié)束后進(jìn)行復(fù)位，等待下一個(gè)周期開始。

SSI通訊電路圖如圖7所示。CPLD芯片選用ALTERA公司的EPM7128STC100-15芯片。+5V供電，采用有源晶振50MHz。CPLD_TDI、CPLD_TDO、CPLD_TCK、CPLD_TMS引腳為程序下載口，DATA_0～DATA_15引腳為單片機(jī)并行數(shù)據(jù)傳輸入口，SSI_DATA引腳為串行數(shù)據(jù)輸出口，SSI_CLK為外部時(shí)序經(jīng)過MAX490ESA輸入口。差分輸出采用MAXIM公司的MAX490ESA芯片。

5 通訊軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)為13位，并轉(zhuǎn)串?dāng)?shù)據(jù)傳輸時(shí)采用高位在前低位在后的方式，并串轉(zhuǎn)換的寄存器用verilog語言描述如下。

其中，ssiclk是SSI輸入時(shí)鐘，flag_c是數(shù)據(jù)傳輸間隔標(biāo)志變量，當(dāng)flag_c置位時(shí)，indata是要載入的數(shù)據(jù)，ssidata是串行數(shù)據(jù)輸出變量，下一個(gè)上升沿時(shí)并轉(zhuǎn)串移位輸出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SSI通信。按照上述設(shè)計(jì)SSI通訊板，成功與西門子S7-300模塊進(jìn)行了通信，西門子模塊能夠正確讀出水平測量儀測量的角度值。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室使用三軸精密轉(zhuǎn)臺對水平測量儀兩個(gè)方向的測角精度進(jìn)行驗(yàn)證，測試結(jié)果見表1和表2。三軸轉(zhuǎn)臺的測角精度優(yōu)于0.5″（3σ），其輸出值作為基準(zhǔn)值。數(shù)據(jù)以1000″為一測試點(diǎn)，共采用14組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示X軸最大誤差為5″，3倍均方差為8″，Y軸最大誤差為4″，3倍均方差為8″。試驗(yàn)表明吸附式水平測量儀設(shè)計(jì)正確，工作可靠，測量精度誤差不大于10″（3σ），測量范圍及性能指標(biāo)滿足使用要求。

表1 X軸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 單位：（″）

（續(xù)）

表2 Y軸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 單位：（″）

7 結(jié)束語

這種基于SSI通訊的吸附式水平測量儀通過敏感重力加速度分量原理，實(shí)現(xiàn)對被測對象上下表面傾角的精確測量，測試精度優(yōu)于10″（3σ），同時(shí)采用Verilog語言對CPLD芯片進(jìn)行硬件編程，完成SSI串口通訊接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與外部工控系統(tǒng)的信息交互與傳輸，解決了目前市場上還沒有現(xiàn)成可用的SSI通訊工控采集板卡及接口模塊的難題。該設(shè)備具有動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于精密測角領(lǐng)域，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 卓璐，陳富林，沈金龍.Win CE 6.0下的SSI協(xié)議流接口驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)［J］.網(wǎng)絡(luò)新媒體技術(shù)，2013，2(2)：57～60.

［2］ 張鵬飛，王瑋，趙哲.基于FPGA的多通道SSI通信控制器設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(10)：36～38.

［3］ 王青，俞建定，袁飛，等.采用SSI協(xié)議實(shí)現(xiàn)的絕對值編碼器［J］，微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(13)：4～5’9.

［4］ 席鵬，李軍，於二軍.基于DSP和CPLD的高精度頻率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2010，40(2)：114～115.