一 前 言

在簡易制導(dǎo)武器中，角位移傳感器是姿態(tài)修正系統(tǒng)的敏感元件，用來測量彈體的角運(yùn)動參數(shù)并以電信號形式給出三個(gè)信息。其中輸出兩路幅值相等相位相差90°的正弦信號作為彈體偏轉(zhuǎn)測量的基準(zhǔn)信號；另一路輸出測角信號，該信號相對基準(zhǔn)信號的相位反映角偏差的方向、幅值反映角偏差量。專用信號發(fā)生器就是模擬角位移輸出信號的裝置，用來進(jìn)行后續(xù)解調(diào)電路以及功放電路的檢測。它以單片機(jī)為核心，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和放大電路的處理，最后輸出反應(yīng)彈體姿態(tài)的基準(zhǔn)信號和測角信號。

二 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)對輸出信號性能指標(biāo)的要求，基準(zhǔn)信號幅值：A， 基準(zhǔn)信號頻率：f ，假設(shè)對A的精度要求為±0.01V，對f的要求為±10Hz，輸出信號為正弦信號，可以建立模擬基準(zhǔn)信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中幅值的大小可以通過放大電路部分進(jìn)行調(diào)節(jié)。

測角信號實(shí)時(shí)反映彈體的姿態(tài)，根據(jù)檢測需要和角位移傳感器的結(jié)構(gòu)可以建立這一特定的Uc數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中幅值的大小可以通過放大電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，相角Ψ反映偏差的方向。

三 方案設(shè)計(jì)

信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)任務(wù)就是產(chǎn)生三路信號，并且提供和主機(jī)通訊的軟硬件接口。首先根據(jù)輸出信號的頻率和幅值進(jìn)行編碼，存儲在單片機(jī)的ROM里，然后以一定的時(shí)間間隔依次將這些數(shù)字量送往 D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，這樣，只要循環(huán)不已的送數(shù)，在D/A的雙極性輸出端就可以得到信號波形。信號的輸出時(shí)序受上位機(jī)控制。

本設(shè)計(jì)采用AT89C4051組成一個(gè)最小的單片機(jī)系統(tǒng)。AT89C4051是Atmel公司的一款基于MSC51 內(nèi)核的簡化單片機(jī)，指令與標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)兼容，帶有4K可重新編程片上程序存儲器，128B的數(shù)據(jù)存儲器，多達(dá)15條可編程I/O線，兩個(gè)16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，片上模擬比較器，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口，內(nèi)部帶有振蕩器和時(shí)鐘電路。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1  硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 時(shí)鐘復(fù)位電路設(shè)計(jì)

采用單片機(jī)片內(nèi)的振蕩器、上電復(fù)位和外部硬件看門狗電路?？撮T狗采用MAXIM公司的MAX706芯片,硬件電路如圖2。 MAX706可以提供至少200ms寬度的復(fù)位脈沖，為使看門狗溢出有效必須把MAX706的WDO和MR連接起來，看門狗輸入WDI連接4051的任何一個(gè)I/O端口都可。MAX706在程序運(yùn)行期間監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，喂狗程序必須在1.6秒之內(nèi)使WDI引腳電平發(fā)生改變，否則MAX706將發(fā)出復(fù)位指令，使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，看門狗時(shí)序如圖3所示。

3.2 單片機(jī)與D/A的接口電路設(shè)計(jì)

D/A選用AD公司的AD7226。AD7226是具有8位精度的四通道D/A轉(zhuǎn)換器，最小分辨電壓約為4mV，可以滿足設(shè)計(jì)的精度要求。每個(gè)通道都有一個(gè)輸入鎖存器，可以對輸入的數(shù)字量進(jìn)行鎖存；輸出端帶有輸出緩沖放大器。AD7226有一條寫入控制線WR，兩條地址線A0、A1，通過地址線可以選擇不同的D/A轉(zhuǎn)換通道。寫入時(shí)序如圖4所示。

由于4051沒有專門的地址和讀寫控制引腳，此處可以通過普通的I/O引腳參考AD7226的寫入時(shí)序，利用軟件進(jìn)行時(shí)序模擬?？梢酝ㄟ^改變延時(shí)的時(shí)間來改變輸出的頻率。圖5是利用4051的P3.0、P3.1口作為A0、A1的地址線，P3.5作為WR的寫入控制線的硬件參考電路，相應(yīng)的示例程序如下：
     ……..      
    MOV  P1, A         ；P1口置數(shù)              
    MOV  P3, #0FCH    ；選擇通道A      
    CLR   P3.5         ；置P3.5 低電平 
    SETB  P3.5         ；置P3.5 高電平，上升沿鎖存數(shù)據(jù)
    LCALL  DELAY     ；調(diào)用延時(shí)子程序
     ……..

圖5   單片機(jī)與D/A接口電路

3.3 偏移電路設(shè)計(jì)

AD7226的每一個(gè)通道都可以單獨(dú)用來提供單極性或雙極性的輸出，要獲得雙極性的輸出必須外加運(yùn)算放大器和偏移電阻，輸出電壓的范圍取決于參考電壓的大小，如圖6是在單極性電源供電情況下的雙極性輸出電路圖，要注意偏移電阻的阻值匹配。

圖6  AD7226雙極性輸出電路

3.4 放大電路設(shè)計(jì)

放大電路主要是對AD7226輸出的雙極性電壓信號幅值進(jìn)行處理，以達(dá)到使用的要求。放大電路的輸入極增加一個(gè)一階低通濾波器，以防止D/A輸出的高頻成分干擾；采用低頻運(yùn)放作為射隨器以提高輸入阻抗。放大電路部分如圖7所示。     

     
圖 7  放大電路（部分）

四 信號發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)

4.1 信號編碼

在這里要注意 的取值范圍是－1～ ,而不是－1～＋1。取整時(shí)要按照四舍五入的原則以減少誤差，表1是雙極性輸出時(shí)二進(jìn)制編碼表以及對應(yīng)模擬輸出電壓。

表 1  雙極性輸出偏移二進(jìn)制碼表

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的任務(wù)是根據(jù)上位機(jī)的指令完成信號的控制和輸出，編程語言采用8051匯編語言，整個(gè)程序由初始化模塊、基準(zhǔn)信號輸出模塊、測角及基準(zhǔn)信號輸出模塊、中斷模塊、延時(shí)模塊和喂狗模塊組成。軟件流程如圖8所示。

4.3 與上位機(jī)接口時(shí)序

信號發(fā)生器采用中斷的模式響應(yīng)上位機(jī)的控制指令，其指令的時(shí)序如圖9所示。

系統(tǒng)上電后，上位機(jī)須發(fā)送清零指令，復(fù)位INT0、INT1為低電平，Uj1、Uj2、Uc輸出為0。在INT0、INT1為低電平期間，可以發(fā)送基準(zhǔn)信號輸出指令I(lǐng)NT0，輸出基準(zhǔn)信號Uj1、Uj2；在基準(zhǔn)信號輸出期間，即INT0為高電平期間，可以發(fā)送測角信號輸出指令I(lǐng)NT1，此時(shí)輸出測角信號 Uc，Uj1、Uj2同步輸出。當(dāng)INT0變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，無論INT1為何種狀態(tài)，三路信號輸出都為0。發(fā)送基準(zhǔn)信號和測角信號輸出前必須保證INT0、 INT1有效復(fù)位低電平。在INT0為低電平期間，陀螺儀模擬器不響應(yīng)任何INT1指令。如果發(fā)生不可預(yù)料的邏輯紊亂，可以通過復(fù)位INT0、INT1，再按照圖9所示時(shí)序關(guān)系發(fā)送指令。

圖 8   軟件流程圖

圖 9  INT0、INT1工作時(shí)序

五 結(jié) 論

通過軟件硬件的調(diào)試和檢測，表明該模擬裝置的硬件和軟件系統(tǒng)能很好的工作，在系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)中能正確的模擬角位移傳感器的基準(zhǔn)信號和測角信號，滿足設(shè)計(jì)的要求，已經(jīng)在某產(chǎn)品的檢測系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
【1】 胡漢才 著 單片機(jī)原理及其接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社 1995年6月
【2】 陳大欽 著 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)  高等教育出版社  1999年7月
【3】 湯鈺鵬 等著 MCS－51系列單片機(jī)應(yīng)用及其接口技術(shù) 人民郵電出版社 2003年6月