??? 摘 要：基于CPCI總線的技術(shù)規(guī)范,，設(shè)計(jì)了一種新型的天線軸角測(cè)量系統(tǒng)" title="測(cè)量系統(tǒng)">測(cè)量系統(tǒng),。選用CPCI平臺(tái),，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(cuò),，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)單通道旋變或一個(gè)雙通道旋變的角位置測(cè)量。
??? 關(guān)鍵詞：CPCI總線? 軸角轉(zhuǎn)換器? 糾錯(cuò)算法
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??? 雷達(dá)天線軸角測(cè)量系統(tǒng)由軸角測(cè)量傳感器,、軸角轉(zhuǎn)換電路,、總線接口電路、微型計(jì)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(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),，可用作軸角測(cè)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(jì)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(jiān)固性不足,，近年來(lái)，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(tái)和旋轉(zhuǎn)變壓器研制了一種新型的軸角測(cè)量系統(tǒng),。本文將介紹該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 該系統(tǒng)主要由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器和CPCI總線平臺(tái)構(gòu)成，CPCI總線平臺(tái)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(lì)下,，產(chǎn)生兩相正交的正余弦信號(hào),，這兩相正、余弦信號(hào)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(hào)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(gè)單通道旋轉(zhuǎn)變壓器,，或者是一個(gè)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(jì)
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(lì)磁" title="勵(lì)磁">勵(lì)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(guò)電阻對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器參考信號(hào)及正余弦信號(hào)進(jìn)行分壓，以滿足AD2S82A的輸入信號(hào)要求2Vrms±10%,。選擇參考分壓電阻Rref1,、Rref2為4.3kΩ和2kΩ，信號(hào)分壓電阻Rs3,、Rs5為1.5kΩ,；Rs4、Rs6為2kΩ,。
2.2 3U-CPCI平臺(tái)
??? CPCI平臺(tái)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(chǎng)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(lì)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(jì)
??? 美國(guó)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(jì)的輸入?yún)?shù)為：6.3Vrms,、2kHz勵(lì)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(jì)過(guò)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(hào)中噪聲干擾。根據(jù)公式15kΩ≤R1=R2≤56kΩ,，C1=C2=1/(2πR1×fREF)計(jì)算,，實(shí)際取值R1=R2=24kΩ，C1=C2=3.3nF,。
??? (2)R4為DC誤差信號(hào)的增益調(diào)整電阻,，根據(jù)R4=EDC/(100×10-9×3)、EDC=10×10-3(14bit)計(jì)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(jì)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(shí),，參考信號(hào)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(jì)算,，實(shí)際取值：C4=1.6nF,，C5=8.2nF，R5=200kΩ,。
??? (5)R3,、C3構(gòu)成參考信號(hào)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(lì)磁電源設(shè)計(jì)
??? 通過(guò)對(duì)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(lái)的3W 降低到350mW,。電路設(shè)計(jì)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(lèi),，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。
2.3.3? CPCI總線接口設(shè)計(jì)
??? CPCI總線是由PCI總線工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商組織（PICMG）制定的一個(gè)開(kāi)放式,、國(guó)際性的計(jì)算機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),。簡(jiǎn)單說(shuō)，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(jì)選用PLX公司的PCI9030,。PCI9030是業(yè)界首個(gè)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(shí)鐘信號(hào)線長(zhǎng)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(hào)線長(zhǎng)度不超過(guò)15.2mm（0.6英寸），從CPCI連接器到PCI控制器信號(hào)線總長(zhǎng)度不超過(guò)38.1mm（1.5英寸）,，信號(hào)線特性阻抗65Ω±10%,。
??? 局部總線時(shí)序設(shè)計(jì)是正確可靠地對(duì)AD2S82A進(jìn)行操作的必要條件。PCI9030對(duì)局部總線時(shí)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(jì)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(jì)
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(cuò),，以提高軸角編碼精度[5],。編碼計(jì)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(gè)區(qū)間,，每個(gè)刻度之間的軸角為360°/i,，θC在i個(gè)刻度間的小角度為“余數(shù)”，將余數(shù)分為四個(gè)區(qū)間,，根據(jù)θC所在的區(qū)間及θC在各區(qū)間對(duì)應(yīng)的范圍來(lái)判斷糾錯(cuò),。其糾錯(cuò)判據(jù)如下：
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??? 由以上分析可知，余數(shù)糾錯(cuò)法的糾錯(cuò)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(cuò)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(jì)
??? 編碼數(shù)據(jù)采集軟件運(yùn)行于Win2000平臺(tái),。軟件開(kāi)發(fā)工具采用Win2000DDK，采用WDM驅(qū)動(dòng)程序模型,，設(shè)備類(lèi)型為字符設(shè)備,。該模塊對(duì)物理I/O端口讀寫(xiě)的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)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(cuò)后返回,。數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖3。
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4 測(cè)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(lì)磁信號(hào),，對(duì)該軸角數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了36點(diǎn)法測(cè)試,，以保證測(cè)試的準(zhǔn)確性,。測(cè)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)軸角測(cè)量系統(tǒng)的性能要求。
參考文獻(xiàn)
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[2] 劉鑫. 中國(guó)CompactPCI/ PXI 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J]. 測(cè)控技術(shù)，2004,，23（6）：4-6.
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