??? 摘 要：基于CPCI總線的技術(shù)規(guī)范，設(shè)計了一種新型的天線軸角測量系統(tǒng)" title="測量系統(tǒng)">測量系統(tǒng)。選用CPCI平臺，研制了基于CPCI總線的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換" title="數(shù)字轉(zhuǎn)換">數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)軟件采用了粗精雙通道組合編碼，余數(shù)比較法糾錯，實(shí)現(xiàn)了兩個單通道旋變或一個雙通道旋變的角位置測量。
??? 關(guān)鍵詞：CPCI總線? 軸角轉(zhuǎn)換器? 糾錯算法
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??? 雷達(dá)天線軸角測量系統(tǒng)由軸角測量傳感器、軸角轉(zhuǎn)換電路、總線接口電路、微型計算機(jī)等四部分組成。旋轉(zhuǎn)變壓器" title="旋轉(zhuǎn)變壓器">旋轉(zhuǎn)變壓器具有精度高、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗沖擊振動能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可用作軸角測量系統(tǒng)的角位置傳感器[1]。軸角轉(zhuǎn)換電路大多采用單片機(jī)或數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，接口也隨著計算機(jī)總線的發(fā)展，選用ISA、PC104、PCI等總線形式。ISA總線速度慢；PC104總線由于其堆棧式安裝結(jié)構(gòu)影響系統(tǒng)的可靠性，且維修插拔非常麻煩；PCI總線在結(jié)構(gòu)上的可靠性、堅固性不足，近年來，CPCI總線發(fā)展迅速，其應(yīng)用已從通信領(lǐng)域向控制領(lǐng)域拓展[2]。基于此，本文采用CPCI總線平臺和旋轉(zhuǎn)變壓器研制了一種新型的軸角測量系統(tǒng)。本文將介紹該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 該系統(tǒng)主要由兩個旋轉(zhuǎn)變壓器和CPCI總線平臺構(gòu)成，CPCI總線平臺由CPCI機(jī)箱、CPU模塊、軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊等組成。旋轉(zhuǎn)變壓器在正弦波的激勵下，產(chǎn)生兩相正交的正余弦信號，這兩相正、余弦信號包含了系統(tǒng)的軸角位置信息。軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊從兩相正、余弦信號中提取角位置信息并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供接口電路讀取。其系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器1和2是兩個單通道旋轉(zhuǎn)變壓器，或者是一個雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的粗通道和精通道。
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2 硬件設(shè)計
2.1旋轉(zhuǎn)變壓器
??? 經(jīng)調(diào)研和試驗(yàn)，選用28XZ10-5J旋轉(zhuǎn)變壓器(勵磁" title="勵磁">勵磁電壓36Vrms，400Hz，精度3′)，其最佳工作頻率確定為400Hz～2kHz。其輸出不選用Scott變壓器變壓，而是通過電阻對旋轉(zhuǎn)變壓器參考信號及正余弦信號進(jìn)行分壓，以滿足AD2S82A的輸入信號要求2Vrms±10%。選擇參考分壓電阻Rref1、Rref2為4.3kΩ和2kΩ，信號分壓電阻Rs3、Rs5為1.5kΩ；Rs4、Rs6為2kΩ。
2.2 3U-CPCI平臺
??? CPCI平臺選用凌華公司的3U標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。選用CPU模塊CPCI-3915，2.0GHz主頻、1GB最大內(nèi)存保證了系統(tǒng)的運(yùn)算及軸角轉(zhuǎn)換速度。板上CF卡，容量4GB，用于安裝操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序。3U機(jī)箱根據(jù)要求由凌華公司訂制。
2.3 軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊
??? 基于CPCI總線的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊目前市場還處于空白。為此研制了一塊基于CPCI總線的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊。該CPCI模塊電路由兩路軸角轉(zhuǎn)換器、勵磁電路、CPCI總線接口等組成。
2.3.1 軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路參數(shù)設(shè)計
??? 美國ADI公司的跟蹤型軸角轉(zhuǎn)換器AD2S82A是軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的核心。它將旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成單調(diào)的與轉(zhuǎn)角成比例的數(shù)字量[3]。該軸角轉(zhuǎn)換器設(shè)計的輸入?yún)?shù)為：6.3Vrms、2kHz勵磁、旋變變比0.556，分辨率為12bit、14bit和16bit可選。以14bit分辨率為例，其外圍電路如圖2所示，元件參數(shù)設(shè)計過程如下：
??? (1) R1、C1、R2、C2構(gòu)成高通濾波器，以減小直流偏移及輸入信號中噪聲干擾。根據(jù)公式15kΩ≤R1=R2≤56kΩ，C1=C2=1/(2πR1×fREF)計算，實(shí)際取值R1=R2=24kΩ，C1=C2=3.3nF。
??? (2)R4為DC誤差信號的增益調(diào)整電阻，根據(jù)R4=EDC/(100×10-9×3)、EDC=10×10-3(14bit)計算，實(shí)際取值R4=33kΩ。
??? (3)R6決定變換器電路的最大跟蹤速度，根據(jù)R6=6.32×1010/(T×n)計算，n=16 384(14bit)，最大跟蹤速度為每秒T轉(zhuǎn)，不能大于參考頻率的1/16，實(shí)際取值R6=82kΩ。
??? (4)C4、C5、R5構(gòu)成閉環(huán)帶寬選擇電路，根據(jù)分辨率14bit時，參考信號的頻率與帶寬之比為6∶1，得出fBW=400Hz。再根據(jù)C4=21/(R6×fBW2),C5=5×C4，R5=4/(2πfBWC5)計算，實(shí)際取值：C4=1.6nF，C5=8.2nF，R5=200kΩ。
??? (5)R3、C3構(gòu)成參考信號的交流耦合電路，R3=100kΩ，根據(jù)C3>1/(R3fREF)，C3=10nF。
??? (6)R7、C6構(gòu)成VCO的相位補(bǔ)償電路，R7=68Ω，C6=470pF。
??? (7)R8、R9組成偏置調(diào)整電路，保證其輸入端的直流電平為0V，R8=4.7MΩ，R9=1MΩ。
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2.3.2 勵磁電源設(shè)計
??? 通過對旋轉(zhuǎn)變壓器升頻降壓使用(6.3Vrms，2kHz)，其消耗電流降為55mA，所需要的功率也從原來的3W 降低到350mW。電路設(shè)計采用EXAR的XR2206高精度函數(shù)發(fā)生器和APEX的PA60DK雙路1A功率運(yùn)放，函數(shù)發(fā)生器和功率運(yùn)算放大器由±12V電源供電，與AD2S82A供電電源一致，減少了電源的種類，降低了系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性和成本。
2.3.3? CPCI總線接口設(shè)計
??? CPCI總線是由PCI總線工業(yè)計算機(jī)制造商組織（PICMG）制定的一個開放式、國際性的計算機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。簡單說，CPCI 總線=PCI總線的電氣規(guī)范+標(biāo)準(zhǔn)針孔連接器+歐洲卡規(guī)范。常用的PCI Target接口芯片有5933、9052、9054等。本設(shè)計選用PLX公司的PCI9030。PCI9030是業(yè)界首個支持熱交換的PCI目標(biāo)接口芯片，為CPCI接口提供了優(yōu)秀的解決方案[4]。它采用SMARTarget技術(shù)，提供符合PCI V2.2規(guī)范所規(guī)定的32位33MHz目標(biāo)接口，與PCI總線連接，支持寬范圍速率的本地總線, 傳輸速率最高可達(dá)132MB/s；可編程32位局域總線操作高達(dá)60MHz，使突發(fā)傳輸速度高達(dá)240MB/s。
??? CPCI總線到橋接芯片PCI9030之間的布局與布線必須滿足CPCI規(guī)范PICMG2.1，即保證時鐘信號線長度滿足63.5mm±2.54mm（2.5英寸±0.1英寸），從CPCI連接器到分支匹配終端電阻信號線長度不超過15.2mm（0.6英寸），從CPCI連接器到PCI控制器信號線總長度不超過38.1mm（1.5英寸），信號線特性阻抗65Ω±10%。
??? 局部總線時序設(shè)計是正確可靠地對AD2S82A進(jìn)行操作的必要條件。PCI9030對局部總線時序配置的寄存器為局部地址空間總線屬性描述寄存器。在本設(shè)計中局部地址空間總線屬性描述寄存器的值為：0x8042C140。另外，由于PCI9030和AD2S82A的邏輯接口電平分別是3.3V和5V，本文選用了SN74LVTH16245A進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
3 軟件設(shè)計
3．1軸角編碼算法
軸角編碼采用粗精雙通道組合編碼，余數(shù)比較法糾錯，以提高軸角編碼精度[5]。編碼計算公式如下：[θc]整數(shù)部分
。其中，i為粗精比、N為0～31。
??? 余數(shù)比較法就是把θC圓周分為i個區(qū)間，每個刻度之間的軸角為360°/i，θC在i個刻度間的小角度為“余數(shù)”，將余數(shù)分為四個區(qū)間，根據(jù)θC所在的區(qū)間及θC在各區(qū)間對應(yīng)的范圍來判斷糾錯。其糾錯判據(jù)如下：
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??? 由以上分析可知，余數(shù)糾錯法的糾錯能力為±360°/4i。
速比1∶32，粗精通道采用14位編碼，若粗精組合最大誤差小于±2.8125°，則糾錯程序的偽代碼如下：
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3．2 數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計
??? 編碼數(shù)據(jù)采集軟件運(yùn)行于Win2000平臺。軟件開發(fā)工具采用Win2000DDK，采用WDM驅(qū)動程序模型，設(shè)備類型為字符設(shè)備。該模塊對物理I/O端口讀寫的軟件設(shè)計較為簡單，這里不再贅述。數(shù)據(jù)采集流程為禁止轉(zhuǎn)換跟蹤后數(shù)據(jù)方能讀入；數(shù)據(jù)經(jīng)組合和糾錯后返回。數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖3。
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4 測試結(jié)果及結(jié)論
??? 旋轉(zhuǎn)變壓器采用降壓升頻6.3Vrms、2kHz的勵磁信號，對該軸角數(shù)字測量系統(tǒng)進(jìn)行了36點(diǎn)法測試，以保證測試的準(zhǔn)確性。測試結(jié)果如圖4。從中可知，旋轉(zhuǎn)變壓器誤差小于2′，編碼誤差小于3′。
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??? 該軸角數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計方案先進(jìn)，具有精度高、分辨率高、可靠性高等特點(diǎn)，能在惡劣環(huán)境工作條件下可靠運(yùn)行，并完全滿足雷達(dá)對軸角測量系統(tǒng)的性能要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 崔玥，盧彤，陸水平，等. 單片軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）及其精度校驗(yàn)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994，26（4）:61-65.
[2] 劉鑫. 中國CompactPCI/ PXI 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J]. 測控技術(shù)，2004，23（6）：4-6.
[3] Analog Devices, Inc.. Variable Resolution, Monolithic?Resolver-to-Digital Converters AD2S81A/AD2S82A[Z].?Norwood, MA: Analog Devices, Inc., 1998.
[4] PLX Technology Inc.. PCI 9030 Data Book Version1. 4[Z]. Sunnyvale, CA: PLX Technology Inc., 2002.
[5] 秦繼榮，沈安俊. 現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：209-212.