光電轉臺旋轉變壓器接線自動檢測設計

王俊林，惠進，宋金鴻，詹浩然，高強，王亞楠

（西安應用光學研究所，陜西西安 710065）

旋轉變壓器作為光電轉臺[1]中關鍵的伺服運動角度輸出單元，其接線正確與否直接影響光電轉臺角度解算效率。當接線錯誤時，傳統解決辦法是裝調人員依靠經驗手動查驗，當角度輸出不符合轉臺運動狀態時，說明接線錯誤，則調換線序，并開機驗證，直至接線正確。為了取代人工倒線序的現狀，基于可編程邏輯器件和微控制器實現了光電轉臺旋轉變壓器接線自動檢測的功能，進而提高了光電轉臺角度解算的工作效率。

1 總體思路設計

旋轉變壓器[2-3]是一種電磁感應式傳感器，可測量旋轉物體的轉軸角角度位移和角速度，它是由兩種不同極對數的定子和轉子組成，其中定子繞組作為變壓器的原邊，接收激磁電源提供的勵磁電壓，轉子繞組作為變壓器的副邊通過電磁耦合輸出包含角度位移信息的信號，其為正、余弦模擬電壓信號。當旋轉變壓器接線錯誤時，輸出的模擬電壓信號不是正確的正、余弦模擬信號，將導致光電轉臺角度解算[4-7]錯誤。該文將以某典型陸用光電轉臺中的一種旋轉變壓器為例，設計一種接線自動檢測系統。

該系統主要由旋轉變壓器、信號切換模塊、主控模塊、角度解算模塊、角度判斷模塊以及顯示模塊等構成，系統組成如圖1 所示。

圖1 系統組成

其中，主控模塊用來存儲待檢測旋轉變壓器所有接線組合的地址信號，并將該地址信號逐一自動發送給信號切換模塊；信號切換模塊與待檢測的旋轉變壓器連接，負責將當前接線組合下的旋轉變壓器輸出信號提供給角度解算模塊，并依據主控模塊的地址信號切換旋轉變壓器的接線組合；角度解算模塊解算接收到的旋轉變壓器信號，并將解算結果輸出給主控模塊，主控模塊隨即將該結果輸出給角度判斷模塊；角度判斷模塊對輸入的角度數據進行判斷，并將判斷結果反饋給主控模塊，最終主控模塊將判斷結果輸出給顯示模塊顯示。

2 硬件電路設計

針對自動檢測需求，該文選用的主控芯片為Intel 公司的可編程邏輯器件EPM7192SQI160C8[8-9]，EPM7192SQI160C8 采用CMOS 工藝，是一種基于EPROM 的器件。該器件有160 個引腳，其中五個用于ISP(In-System Programmability)下載，以方便對其進行在線系統編程。此器件共3 750 個典型可用門，192 個邏輯單元，124 個IO 口，含兩個全局時鐘，可單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式，支持多種編程方式。同時該芯片支持在多種電壓下工作，芯片傳輸延時為7.5 ns，最高工作頻率為125 MHz。

主控模塊存儲待檢測旋轉變壓器所有接線組合的地址信號，并自動將該地址信號逐一發送給信號切換模塊，信號切換模塊將根據該地址信號對應的接線組合進行線序切換。角度解算模塊解算出旋轉變壓器在當前接線組合下的輸出信號后再將數據經主控模塊輸出給角度判斷模塊完成最終檢測。主控模塊主要電路如圖2 所示。

圖2 主控電路

信號切換模塊選用8 片八路譯碼模擬開關器件CD4051[10-11]芯片，每片CD4051 有八路模擬輸入端，一路模擬輸出端，具有3-8 譯碼器功能，可解碼不同的地址碼。這里選擇八路輸入中的其中一路作為輸出，在信號切換模塊中有三路地址段實現對八路模擬輸入的編碼，輸出八路模擬信號，以完成對輸入端線序的更新調整。信號切換模塊部分電路如圖3所示。

圖3 信號切換電路

由于旋變輸出的模擬信號額定電壓為26 V，而CD4051 能接收的最大模擬輸入信號為VDD-VEE 即10 V，因此在信號切換模塊前端增加信號衰減模塊，將旋變輸出的模擬信號同比例縮小到CD4051 能接收的范圍內，具體電路如圖4 所示。同樣，在信號切換模塊后端增加信號放大模塊，將調整后的旋變信號同比例放大到角度解算模塊接收的信號范圍內，具體電路如圖5 所示。

圖4 信號衰減電路

圖5 信號放大電路

角度判斷模塊由微控制器AT89S51[12-13]完成主要功能，AT89S51是一個低功耗、高性能的CMOS 8位單片機，內部集成4 kBytesFlash程序存儲器，128 Bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32 個外部雙向輸入/輸出（IO）口，兩個16 位可編程定時計數器，兩個全雙工串行通信口；具有五向量兩級中斷結構，可兼容標準MCS-51 指令系統及80C51 引腳結構。

角度判斷模塊首先通過并口從主控模塊處讀取角度解算模塊解算出的當前旋轉變壓器接線線序下的角度數據，隨后按照設定程序對讀取的角度數據進行判別，判別完成后將判斷結果再通過并口輸出給主控模塊，主控模塊將判斷結果最終輸出給顯示模塊顯示，這里顯示模塊選用數碼管。角度判斷模塊的電路如圖6 所示。

圖6 角度判斷電路

角度解算模塊接收信號切換模塊提供的旋轉變壓器輸出信號進行角度解算，解算出的角度數據輸出給主控模塊。角度解算模塊電路圖如圖7 所示。

圖7 角度解算電路

選用連云港杰瑞公司的16XSZ3412-S16-07-T16[14-16]型解算-數字轉換器進行角度信號解算，16X SZ3412-S16-07-T16 型轉換器是一種單塊式解算-數字轉換器，內部包含有粗、精兩路解算-數字轉換器和一個用于粗、精組合糾錯的處理器，產品規定的粗、精組合速比為1∶16。該系列轉換器可接收兩路四線解算器信號。轉換器輸出為自然并行二進制數碼，最高可達19 位，通過控制三個使能信號，即可輸出一個19 位數字量，又可分別輸出三個字節。

3 軟件流程設計

旋轉變壓器接線自動檢測系統的軟件設計邏輯：信號切換模塊接收待檢測的旋轉變壓器原始的線序，主控模塊通過對地址信號進行譯碼來實現對原始線序的調整，當檢測系統開關打開時，主控模塊生成一組新的接線線序組合對應的地址信號，隨后，這一組信號作為角度解算模塊的輸入被解算為數字信號，數字信號范圍為0-65535,其中65535 代表旋轉變壓器的零位。此時角度判斷模塊以10 ms的周期通過主控模塊從角度解算模塊中采樣角度數據序列，采樣完成后對角度數據序列進行判別。判別結果作為主控模塊的下一步控制指令，當角度判斷模塊判斷角度數據序列是錯誤線序下的角度數據時，主控模塊將重新生成下一個線序，開始新的檢測循環，而當角度判斷模塊判斷角度數據序列是正確線序下的角度數據時，主控模塊將保存當前的正確線序，并送入顯示模塊顯示。工作原理流程如圖8所示。

圖8 工作原理流程

其中，核心的角度判斷模塊為接線自動檢測系統提供直接的線序正確與否的判斷依據，其判斷流程如圖9 所示。

圖9 角度判斷流程圖

當角度判斷模塊查詢到檢測周期開始標志時，則進入檢測，接收新的線序信號Xn，否則等待查詢開始標志；接收到Xn后，角度判斷模塊以10 ms 作為采集周期從主控模塊中獲取角度數據，采集完成后先存入當前數組Data1，隨后角度判斷模塊判斷Data1 數組中的數據是否包含零位數據，即是否包含65535 值，如果包含，則對零位值及其之后采集的數據進行加65535 操作，完成后先按數據遞增性對Data 中的數據進行判別，如果滿足數據遞增性，再按數據等差性對Data 中的數據進行判別，如果滿足數據等差性，角度判斷模塊將發送顯示信號到主控模塊，代表判讀出正確線序，若不滿足，則說明當前線序錯誤，需要繼續接收新的線序判斷。

4 結束語

該文針對傳統辦法糾正光電轉臺旋轉變壓器接線錯誤效率低下的問題，提出了一套自動接線檢測系統思路，詳細介紹了系統總體構成、硬件電路等的設計以及軟件實現中的流程規劃，完成了基于可編程邏輯器件和微控制器的光電轉臺旋轉變壓器接線自動檢測系統設計。經實驗驗證，該設計可快速實現旋轉變壓器的接線線序判斷，解決了目前人工倒線重復驗證的問題，成本低，可靠性高，大大提高了光電轉臺裝調過程的工作效率。