(最终)基于C8051F121和XSZ的无线电罗盘角度测量的设计

基于C8051F121和XSZ的无线电罗盘角度测量的设计张凯马程群孟盈梁琦中国人民解放军第4328工厂军械技术研究室，山西长治, 046011摘要：为解决机无线电罗盘输出角度信号的测量问题,设计了基于C8051F121和旋转变压器一直流电压转换器（XSZ）的测角仪。

本文在介绍旋转变压器、旋转变压器一直流电压转换器的结构和原理, 软件中航向角度的算法。

关键词：角度信号，旋转变压器，XSZ，C8051F121Design of the Testing angle signal for Radio CompassAbstract on C8051F121 And XSZZHANG-kai，MA Cheng-qun，MENG Ying, LIANG QiLab of Ordnance ,The 4328 factory of Chinese people’s Liberation Army, Changzhi,Shanxi, 046011I n order to realize measuring of radio compass ,angle signal measuring instrument is designed based on the C8051F121 and XSZ .This paper introduces rotating transforme. XSZ structure and principle, the software algorithm of heading angle.Key words: angle signal, rotating transforme , XSZ, C8051F1211引言无线电罗盘中的测量角度的装置为测角器（旋转变压器），输出导航台相对飞机的方位角。

旋转变压器[1]是将机械角转换成电信号的装置,因其输出数据精确、工作可靠,可广泛应用于航空电子装备如雷达、无线电导航设备等的系统中。

利用旋转变压器—直流电压转换器[2]（XSZ）可以实现旋转变压器与单片机接口,而且可以进行角度信号的测量与显示。

2 无线电罗盘测角总体设计角度信号测量利用旋转变压器—直流电压转换器,将罗盘中的旋转变压器输出信号变换成直流电压，在单片机的控制下将航空电子设备中旋转变压器输出的角度信号测量出来[3]，其组成框图，见图1。

包括旋转变压器直流电压转换器、调理电路、单片机、显示电路和显示器。

图1 无线电罗盘测角框图3、无线电罗盘旋转变压器概述测角器既旋转变压器（测角器）位于罗盘内，是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。

当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输。

测角器的相互垂直定子线圈与环形天线两个互相垂直的天线线圈相连接。

转子（搜索）线圈在定子线圈磁场中旋转。

转子线圈与导航台电磁场的合成矢量在方向上重合。

环形天线和测角器的方向性图就等于机械转动的单绕组环形天线方向性图。

环形天线方向性图的转动角度，通过正弦余弦变换器传给飞机的导航显示器显示。

3.1、旋转变压器结构无线电罗盘中采用无刷式旋转变压器，见图2。

它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。

附加变压器的原、副边铁心及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。

旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。

这种结构避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命。

图2 无刷式旋转变压器3.2、旋转变压器的工作原理鉴相式工作[2]方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。

如图3所示，定子绕组和转子绕组均由两个匝数相等互相垂直的绕组组成。

图中 S 1S 2为定子主绕组， K 1 K 2为定子辅助绕组。

当S 1S 2和K 1 K 2中分别通以交变激磁电压时：t cos ωm sV V = （1） t sin ωm s V V = （2）根据线性叠加原理，可在转子绕组B 1B 2中得到感应电势V B ，其值为激磁电压V s 和V k 在B 1B 2中产生感应电势V BS 和V BK 之和，即：)-t sin(tcos s K tsin cos -K cos K )sin(-K m m m m θωθωθωωθm BK BS B KV in V V V V V V V =+=+=+= （3）图3 旋转变压器电气工作原理由式（1）(2)和(3)可见，旋转变压器转子绕组中的感应电势V B 与定子绕组中的激磁电压同频率，但相位不同，其差值为θ。

而θ角是被测位移，通过比较感应电势V B 与定子激磁电压信号V k 的相位，便可求出θ。

4 器件的选择及应用4.1 单片机C8051F121[4]是完全集成的混合信号片上系统型 MCU 芯片，在工业温度范围（-45℃到+85℃）工作。

端口 I/O 、/RST 和 JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压具有64个数字I/O 引脚TQFP 封装。

主要特点是，高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核100MIPS ；全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；12位或10 位、100 ksps的ADC，带 PGA 和 8通道模拟多路开关；8位500 ksps的ADC，带 PGA 和 8 通道模拟多路开关；两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；2 周期的16 x 16乘法和累加引擎；128KB或64KB 可在系统编程的 FLASH 存储器；8448（8K+256）字节的片内RAM ；可寻址64KB 地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个 UART 串行接口；5个通用的16位定时器；具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器。

角度信号调理电路将来自旋转变压器的角度信号进行运算，满足单片机输入信号要求。

图4 角度信号调理电路4.2旋转变压器一直流电压转换器根据测试角度精度要求0.1°（1/3600）的要求。

本文选择14位旋转变压器—直流电压转换器（XSZ）。

它包含一个跟踪型旋转变压器和一个精度D/A转换电路，其输出的直流电压与输入的角度成正比例，可接收四线旋转变压器信号。

当输入的角度是±180°时，其输出对应于±10V。

本文选择中国船舶工业总公司第七研究院第七一六研产的14XDZ243-±10／旋转变压器信号-直流电压转换器[5]。

4.2.1 工作原理图5 转换器原理框图旋转变压器四线输出接至模块上的S1、S2、S3和S4引脚端，Vs1-s3 =KVRH-RLSinωtSinθ;Vs4-s2 =KVRH-RLSinωtCos θ, θ是自整角轴角，VRH-RL是激励电压。

旋转变压器-直流电压转换器的电气连接，旋转变压器引线端D1、D2 、Z1、 Z2、Z3 、Z4 和分别接XSZ 引脚RH、 RL、 S1 、S2 、S3 和S4。

速度电压输出端VEL该端的输出信号是一个跟输入轴角角速度成比例的直流模拟信号，VEL的极性跟输入轴角的转向有关（数码增大时为正，减小时为负），幅值跟输入轴角角速度成正比（±10V 时对应该转器的最高跟踪速率）。

直流电压信号输出端OUT当输入的角度是±180°时，其输出对应于±10V，其输入输出关系如图6所示。

图6 输入角度和输出电压关系图4.2.3 输入信号的比例电阻转换器的这种特点使有高电压信号和参考输入的传感器可以用比例匹配电阻分压的方法与任一种低电压信号和参考输入的转换器相连，能够实现用低电压信号或参考的转换器适用于高电压信号或参考的传感器。

这意味着一个标准转换器与一个专用插件板可以在一个传感器信号和参考输入电压较宽的范围中使用。

旋转变压器—直流电压转换器外加比例电阻的计算方法是：信号每增加1V,分别在S1 和S2 串连2.22kΩ电阻，参考每增加1V，在RH 端串联2.2kΩ电阻。

例如，设我们有一个线—线电压11.8V、参考26V 的旋转变压器-直流电压转换器，与线-线电压60V、参考115V 的旋转变压器相连。

在每个信号输入端增加的电压是：60V-11.8V=48.2V因此，需要增加的两个电阻的阻值为：48.2×2.2＝107kΩ。

同理，在“RH”端需串联的一个电阻值可以计算得到是：195.8k Ω。

转换器的输入端可以按下图7所示接入比例电阻。

R1、R2=107 kΩ，RF=195.8Kω， R1～R2为同型号精密电阻器，功率不小于0.1W，相对误差不大于0.l％，绝对误差不大于2％；RF 的误差范围应小于10%。

图7转换器外接信号比例电阻连接图4.2.4显示器本文采用北京迪文科技有限公司DMT64480T056-01W5.6寸LED背光65K真彩色液显屏。

5 软件设计中航向角度的算法本文采用Keil C51[6]进行软件设计，在测量无线电罗盘工作过程中方向角度信号等，并通过LCD显示屏实时输出测量结果。

软件运行于测量电路的单片机之中，通过标准串行接口向LCD显示屏输出测量数据。

航向角度的显示范围是0°～360°，实际的取值范围是-180°～180°，软件是用电压值模拟角度值，所以对应的电压值为-10V～+10V。

也就是说±10V 对应的角度都是180°。

这样带来的问题是，如果航向角度由179°穿越180°到达181°，电压值会有一个由+10V到-10V 的跳变，期间单片机有可能采集到数据在+10V到-10V的任意中间值，这样会导致采集的数据有误，从而带来了一些显示问题。

在边界点的数据采样有以下7种特殊情况，见图8 。

图8 边界点数据采样情况ps：总共4个采样点，其幅值的模拟量从左到右依次用#1,#2,#3,#4来表示。

max = MAX(#1,#2,#3,#4)；min = MIN(#1,#2,#3,#4)；level = ±10V幅值差。

改进算法如下：取定#1、#2、#3点，将#4替换为max；取定#1、#2、#3点，将#4替换为 #4+level；取定#1、#2点，将#3替换为max，将#4替换为 #4+level；取定#1、#2点，将#3替换为 #3+level，将#4替换为 #4+level；取定#1点，将#2替换为max，将#3替换为 #3+level，将#4替换为 #4+level；取定#1点，将#2替换为 #2+level，将#3替换为 #3+level，将#4替换为 #4+level；取定#2、#3、#4点，将#1替换为min；ps:将下降沿的各点加level幅值，相当于在上升沿附近取平均，角度超过对应max，角度再减去180°便可以正确显示。