一種用數(shù)模混合電路實(shí)現(xiàn)的多電刷電位器

李坤武 馬大兵

摘要 針對(duì)遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)中線繞電位器協(xié)調(diào)速度慢、產(chǎn)品體積大、產(chǎn)品安裝復(fù)雜的不足，本文提出一種用數(shù)模混合電路模擬多電刷電位器，它以C8051F020和DAC8831MCDREP集成電路為核心芯片，實(shí)現(xiàn)角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電位器電壓信號(hào)輸出功能。模擬電位器硬件電路主要由C8051F020單片機(jī)、DAC8831MCDREP數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和放大電路三部分組成;軟件部分主要有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊三個(gè)功能模塊;并用軟件修正電壓的方法提高模擬電位器的精度。

【關(guān)鍵詞】角度 轉(zhuǎn)換 電位器 單片機(jī)

電位器遠(yuǎn)距離傳輸角度信號(hào)在遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，尤其在機(jī)載設(shè)備中。電位器是遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)中的一個(gè)重要器件，過(guò)去多采用線繞電位器，但其協(xié)調(diào)速度慢、產(chǎn)品體積大、產(chǎn)品安裝復(fù)雜。針對(duì)線繞電位計(jì)的不足，本設(shè)計(jì)用一種電路模擬遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)的電位器，采用數(shù)學(xué)方法擬合輸出電壓，用電子電路實(shí)現(xiàn)電位器電壓輸出來(lái)進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)驗(yàn)證取得了良好的效果。電路設(shè)計(jì)上結(jié)合單片機(jī)控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大電路等設(shè)計(jì)技術(shù)，解決電位器進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)的電子化，協(xié)調(diào)速度快、減小了體積，安裝簡(jiǎn)捷，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品整體電子化的更新?lián)Q代。

1 電位器遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)

電位遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)的原理如圖1所示，直流27V電源加在a、b點(diǎn)，只有c、d和e、f處于同電位的位置上，系統(tǒng)才處于協(xié)調(diào)狀態(tài)。各電刷位置如圖1所示，c、d和e、f點(diǎn)間的連線與a、b點(diǎn)間的連線互成90°關(guān)系。協(xié)調(diào)狀態(tài)下，c、d和e、f點(diǎn)間沒(méi)有電位差，即無(wú)信號(hào)輸出。

如果其中一個(gè)電位器或其電刷相對(duì)協(xié)調(diào)位置轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，將會(huì)在c、d和e、f點(diǎn)間產(chǎn)生電位差，即有信號(hào)輸出，此信號(hào)經(jīng)各自的隨動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)相應(yīng)電刷架或電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，以消除失調(diào)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)傳輸角度信號(hào)的目的。

本文模擬的電位器具有三個(gè)滑動(dòng)電刷A、B、C，三個(gè)滑動(dòng)電刷互成120°，通過(guò)對(duì)該電位遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析，確定了三個(gè)滑動(dòng)電刷A、B、C電位與角度的關(guān)系如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用數(shù)模混合電路實(shí)現(xiàn)多電刷電位器（后面簡(jiǎn)稱模擬電位器），其原理圖如圖3所示，RS422串口格式的角度信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)微處理器接收、處理、轉(zhuǎn)換，輸出三路具有120°相位差的數(shù)字量電壓信號(hào)，通過(guò)三路片選信號(hào)及一路時(shí)鐘信號(hào)控制三塊數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片工作，將三路數(shù)字量的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為三路模擬量電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)直流電壓放大電路放大，輸出A、B、C三路直流電壓信號(hào)，基準(zhǔn)電壓源為數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片提供數(shù)模轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓。

模擬電位器的硬件電路由C8051F020單片機(jī)、DAC8831MCDREP數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和放大電路三部分組成，采用16位D/A轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.01 V。C8051F020單片機(jī)的輸入為串口格式的RS422角度信號(hào)，RS422角度信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊處理、轉(zhuǎn)換為三路16位的數(shù)字量電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)MOSI串口（P0.4）輸出，P0.2輸出時(shí)鐘信號(hào);P3.0輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片寄存器控制信號(hào);單片機(jī)通過(guò)P3.1、P3.2、P3.3輸出片選信號(hào)，控制三個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片工作。

如果數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8831MCDREP（U2）被選通，A通道的U2將接收數(shù)字量A電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為0V～2.5V的電壓信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換所需的2.5V基準(zhǔn)電壓，由高精度的溫度補(bǔ)償式帶隙基準(zhǔn)電壓源芯片AD580SH提供。0v～2.5V的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓放大電路輸出0v～27V電壓A信號(hào)。同理，通過(guò)片選信號(hào)控制通道B和C可以將數(shù)字量電壓信號(hào)B、C轉(zhuǎn)換為電壓B、C信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

模擬電位器的數(shù)據(jù)處理軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Windows XP系統(tǒng)和Silcon laboratories IDEV3.20開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，根據(jù)數(shù)字電位計(jì)的功能需求，確定軟件總體架構(gòu)，再劃分不同功能模塊，主要包括：參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。

3.1 參數(shù)初始化

初始化C8051F020芯片內(nèi)部相關(guān)寄存器，包含看門(mén)狗、交叉開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)器配置、SPI接口、串口、定時(shí)器其它寄存器;初始化DAC88 31芯片SPI接口、控制寄存器。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是采集RS422接口數(shù)據(jù)，進(jìn)行解算處理，為數(shù)據(jù)處理模塊提供角度信息信號(hào)。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊用于實(shí)現(xiàn)角度/電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換和電壓信號(hào)數(shù)據(jù)的修正等功能。

（1）角度/電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換按照?qǐng)D2中電壓信號(hào)與角度信號(hào)的函數(shù)關(guān)系，將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為三路相位差為120°的電壓信號(hào)。

（2）對(duì)角度/電壓進(jìn)行分段，采用一次線性插值和二次拋物線插值法擬合三路輸出電壓與角度函數(shù)關(guān)系，二次拋物線插值比一次線性插值的計(jì)算復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，在擬合時(shí)要考慮測(cè)試負(fù)載差異，從中分離出有效的數(shù)據(jù)根據(jù)函數(shù)曲線形狀的變化確定插值間距，分區(qū)及計(jì)算同時(shí)要考慮計(jì)算速度，存儲(chǔ)容量，精度要求等多種因素。

（3）電壓信號(hào)修正。輸出誤差包括：擬合電壓與角度函數(shù)關(guān)系的偏差;硬件放大電壓失真造成偏差;電壓分段時(shí)拐點(diǎn)處偏差;經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析，確定最終電壓修正函數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)輸出模塊

經(jīng)過(guò)修正后的三路電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的串行外設(shè)接口SPIO輸出給外部硬件電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬變換。

為驗(yàn)證電路輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)情況，連接原電位計(jì)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)的綜合航向指示器進(jìn)行了試驗(yàn)，精度優(yōu)于原電位計(jì)輸出驅(qū)動(dòng)，達(dá)到了滿意的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種以C8051F020和DAC8831MCDREP集成電路為核心芯片的模擬電位器，介紹了模擬電位器的工作原理，給出了硬件設(shè)計(jì)電路及軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，將電路與產(chǎn)品其他功能電路集成在電路板上，減小了產(chǎn)品體積，提高了可靠性和精度，己在某機(jī)載系統(tǒng)中得到應(yīng)用，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]潘琢金，施國(guó)君.C8051FXXX高速soc單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]郭寶寧，周濤，電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[3] DAC8831 Voltage-Output Digital-to-Analog Converters.