摘 要： 介紹了一種用于雷達伺服分機的軸角編碼系統方案。在闡明旋轉變壓器工作原理后，主要描述了軸角數字轉換芯片AD2S1210的外圍電路、激磁信號驅動電路、芯片與DSP的接口設計、系統整體結構以及軟件流程。目前該系統已經成功應用于成都信息工程學院雷達系統研究室的WXR-MD-10型多普勒天氣雷達伺服分機，以及民航西南空管局氣象雷達伺服系統備機。
關鍵詞： 雷達伺服分機；軸角編碼；旋轉變壓器；AD2S1210
0 引言
雷達伺服分機主要用于對雷達天線進行精確控制、目標跟蹤和指示。在執行這些任務時，需要實時地獲取天線的角度信息，從而實現伺服電機的閉環控制。將雷達的天線角度——方位角和俯仰角這兩個機械量變換為數碼形式，這一過程稱為軸角編碼[1]。旋轉變壓器（后面簡稱旋變）作為一種軸角傳感器，具有精度較高、穩定可靠、環境適應強等優點，廣泛應用在雷達、汽車、精密機床等領域。但是旋變得到的是模擬電壓信號，需要軸角編碼為數字信號才能被處理器使用。軸角編碼主要有兩種方法[2-3]：一是結合硬件調理電路，利用處理器運行軸角轉換算法計算軸角；另外一種是直接使用軸角數字轉換芯片（RDC）。第一種方法成本低廉、實用性強，但存在轉換精度不高、電路復雜和開發周期長等缺點。RDC芯片精度較高、外圍電路簡單，現代雷達廣泛采用集成的RDC芯片完成軸角編碼。目前美國AD公司、日本多摩川公司和國內中船重工716所等都有相應的RDC產品。本文基于AD公司新型RDC芯片AD2S1210和TI公司TMS320LF2407A DSP，研究設計了一套用于雷達伺服分機的軸角編碼系統。
1 旋變的工作原理
旋變由定子和轉子組成。轉子有兩個相互正交的繞組，一個是激勵繞組R1R2，由激勵源提供激磁信號；另外一個是補償繞組R3R4，用于避免干擾兩端短接。定子同樣有兩個相互正交的繞組，繞組S1S2、S3S4與轉子R1R2激磁信號分別正比于軸角的正弦和余弦，即[4]：
其中，θ為軸角，uR為激磁信號。
本方案中選用的是上海贏雙電機有限公司生產的51XFW975型旋變，其變比為0.5，激磁頻率為2 kHz（經過產方調整），激磁電壓最大為7 V峰峰值[5]。
2 軸角編碼系統硬件電路設計
2.1 RDC芯片外圍及激磁驅動電路
AD公司的集成RDC芯片AD2S1210，是一款完整的10~16位分辨率RDC，片上集成了可編程的正弦波振蕩器，能夠為旋變提供所需的激磁信號。芯片的正、余弦信號輸入端允許2.3~4.0 Vpp，正弦波振蕩器輸出激磁信號頻率為2 kHz~20 kHz。內部有一個Type II數字伺服跟蹤環路負責跟蹤輸入的正、余弦信號，并轉換為數字的位置和速度字[6]。
AD2S1210的外圍電路如圖1所示。芯片共需要3組電源，即模擬電源AVDD +5 V 供電、數字電源DVDD +5 V供電以及芯片邏輯電源VDRIVE +3.3 V。芯片邏輯電源VDRIVE之所以采用+3.3 V電壓，是為了與TMS320LF2407A的接口電壓相兼容。在制作印制電路板時，將三組電源的濾波退耦合電容盡量靠近芯片管腳擺放。模擬電源和數字電源地線隔離，最后通過一個0 Ω電阻單點接地。分辨率選擇管腳RES0和RES1接邏輯電壓+3.3 V，選擇16位分辨率。為了盡量減弱外界干擾和隔離地線，旋變兩組定子的正余弦調制信號分別通過1:1的200 mW音頻隔離變壓器接入芯片。由于正余弦輸入管腳輸入阻抗最小值為485 kΩ，故在隔離變壓器輸出端分別并聯一個1 kΩ的電阻，從而與隔離變壓器實現阻抗匹配。
AD2S1210的激磁信號輸出通常在EXC和/EXC輸出端提供3.6 Vpp正弦信號，將產生一個7.2 Vpp差分信號。本設計采用的51XFW975型旋變的輸出比為0.5，當芯片激磁信號通過單位增益驅動器加到旋變轉子時，旋變兩組定子輸出的幅度約為差分3.6 Vpp。芯片手冊給出的定子的正弦和余弦輸入應該滿足2.3～4.0 Vpp。但這畢竟是比較理想的情況，設計中還應該考慮到轉子和定子上的隔離音頻變壓器損耗。同時由于裝有旋變的雷達天線一般固定在雷達樓頂端的天線罩內，而伺服分機在下方的雷達室，兩者通過一段較長的電纜連接。信號在這段電纜上的損耗也是要考慮的。
圖2給出了本設計的激磁信號驅動電路。電路包括一級增益放大電路和后級推挽輸出。雙管推挽的輸出為旋變提供電流驅動，輸出晶體管的靜態電流較小。第一級增益放大電路采用軌到軌、單電源供電運放AD8664，采用+12 V供電。增益放大分別通過電阻R410和R411、R422和R423設定。通過一段時間實驗后，R410（R422）、R411（R423）電阻值分別取24 kΩ和10 kΩ，電路的增益為2.4。因為電路采用單電源供電，需要將激磁信號抬升至正電壓范圍。電阻R414和R415設定運放同相端+3.6 V直流偏置。激磁信號輸出時直流偏置電壓約為+2.5 V。因此，增益放大電路的直流偏置電壓約為+6.2 V。2.2 kΩ電阻為后級推挽電路的二極管提供偏置電路，并確定該側的靜態電流。如果輸出驅動能力不夠且輸出尚未達到飽和，可以適當減小該電阻。
2.2 RDC芯片和DSP接口設計
AD2S1210的角碼數字量可以通過16位并行總線或者4線標準SPI獲取。兩種數據接口方式通過芯片的串行使能missing image file選擇，高電平為并行總線方式，低電平為SPI串行方式。如圖1所示，本方案選用的是DSP并行總線訪問方式。角碼位置寄存器更新使能missing image file接在DSP的I/O上，在讀取角碼數據前觸發使能刷新角碼位置寄存器。AD2S1210的DB0~DB15接到TMS320LF2407A的16位外部數據總線上，片選missing image file接DSP的外部數據存儲空間使能missing image file、芯片并行數據輸出使能missing image file接DSP的外部數據存儲空間讀選通missing image file。這樣將AD2S1210映射到DSP的8000H開始的外部數據空間上，讀寫AD2S1210就可以使用數據存儲器訪問指令。
2.3 系統整體結構和信號測試波形
圖3所示為WXR-MD-10天氣雷達伺服分機與天線的整體結構圖。圖中左半部分為伺服分機的信號控制部分，其中就包括軸角編碼系統。電路板上連接旋變的6pin插座，使用雙絞屏蔽電纜連接到機箱外殼的航空插座上。為了減弱伺服電機驅動信號的干擾，電機驅動信號和軸角編碼信號使用不同的航空插座與電纜分開連接。右半部分為雷達天線，轉臺內部裝有旋變和無刷伺服電機。圖3中間為線路連接部分，軸角編碼電纜通過長15 m、直徑0.5 mm的雙絞屏蔽電纜連通，電機驅動電纜使用長15 m、直徑2 mm的屏蔽電纜。前面涉及到的屏蔽電纜，其外層金屬屏蔽網全部接到模擬地線上[7]。
整個伺服系統連接好之后通電進行試驗測試。圖4測試的是芯片輸出的激磁信號經過驅動電路放大后，測得的隔離變壓器輸出端的信號。其峰峰值為20.6 V，頻率為2 kHz。圖5為輸入到AD2S1210的正弦調制信號波形，此時天線固定在某個角度上。正弦調制信號的峰峰值為3.44 V，正好滿足正弦信號輸入幅度要求。從兩幅圖可知，軸角編碼信號傳輸電纜以及旋變造成的信號衰減還是很大的。
3 軸角編碼系統軟件設計
圖6是雷達伺服分機的軸角編碼軟件流程圖。系統初始化分配一個I/O口給角碼寄存器，更新使能missing image file、兩個I/O口給模式選擇A1和A0，同時初始化一個定時器中斷。AD2S1210有兩種工作模式：配置模式和普通模式。配置模式主要用于對寄存器進行編程，普通模式主要用于角度數據的讀取。在配置激磁頻率、控制寄存器前，需要將模式選擇輸入A1和A0置高。此時芯片處于配置模式。激磁頻率設置為08H，對應2 kHz。控制寄存器設置為7FH，即鎖相范圍默認±44°、默認使能遲滯、16位編碼器分辨率。拉低模式選擇輸入A1和A0，退出配置模式。
一般來說，天氣雷達天線做PPI掃描轉速最快為6轉/分鐘（0.036°/ms）、天線定位精度≤0.2°[4]。因此沒有必要用查詢的方式讀取角度值，同時也不現實。軟件中使用1 ms定時器中斷讀取軸角位置數據，這個定時間隔足夠滿足要求。讀取角度數據的TMS320LF2407A，匯編代碼如下所示：
LDP #PADATDIR>>7
LACC PADATDIR
AND #0FFC7H
SACL PADATDIR ；使能/SAMPLE下降沿，更新位置寄存器，設置模式選擇A1和A0為普通模式-位置輸出
RPT #24
NOP
LDP #8000H>>7
LACC 0,16 ；AD2S1210在外部RAM地址8000H上
LDP #aziposi_buf
SACH aziposi_buf ；讀取16位軸角角碼值到緩存
LDP #PADATDIR>>7
LACC PADATDIR
OR #08H
SACL PADATDIR ；拉高/SAMPLE，準備下次更新位置寄存器
4 總結
AD2S1210作為AD公司新一代的軸角數字轉換芯片，其結構簡單、體積小、功能強大，具有廣闊的應用前景。本文提出的基于AD2S1210、TMS320LF2407A和51XFW975型旋變的軸角解碼系統，經測試能夠可靠地為天氣雷達伺服分機提供天線的軸角信息。采用該方案的WXR-MD-10型多普勒天氣雷達目前運行穩定，已經成功部署在貴州威寧縣氣象局。在設計的民航西南空管局天氣雷達伺服備份系統中，證明了該方案可行。
參考文獻
[1] 焦中生,沈超玲,張云. 氣象雷達原理[M]. 北京:氣象出版社, 2005.
[2] 彭俊峰,姬建偉,宋家友,等. 三種軸角數字轉換電路的分析與比較[J]. 微計算機信息, 2006(17):8-10.
[3] 徐大林,陳建華. 自整角機/旋轉變壓器—數字變換技術及發展[J]. 測控技術, 2005(10):1-5,10.
[4] 何建新,姚振東,馬尚昌,等. 氣象雷達原理與系統[Z]. 成都：成都信息工程學院電子工程學院, 2010.
[5] 上海贏雙電機有限公司. 旋轉變壓器產品手冊[Z]. 2012.
[6] Analog Devices Ins. AD2S1210 datasheet[Z]. 2010.
[7] 王媛媛,張凱,任占飛. 集成電路的電磁兼容性分析與設計研究[J]. 微型機與應用, 2014,33(7):15-18.