基于单片机的轴角数字转换电路的设计

（ ｐ ｒ ｅｔｆＣ ｎｒｌ ｎ ｉｅｒ ｇ， Ａ Ｉ ｈ ｎ ｏｇ Ｙｎａ ６ ０ １ ｈｎ ） Ｄｅａｔ ｎ ｏｔ ｇｎｅｉ Ｎ Ｅ ，Ｓ ａｄ ｎ ａｔｉ ４ ０ ，Ｃ ｉａ ｍ ｏ ｏＥ ｎ ２
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｇ ｖ ｓｔ ｅ ｄ ｓ ｎ ｉ ｅ ｎ ａ ｄ ａ ｅ ｐ ｉ ｃｐ ｅｆ ｕ ｅ ｏ ｎ ｌ ｏ ｖ ｒ ｒ ｉｃ ｓ ｓｒ ｃ ： ｈ ａ ｅ ｉｅ ｈ ｅ ｉ ｄ ａ ａ ｄ ｈ ｒ ｗ ｒ ｒｎ ｉ ｌ ｉ ｒ ｆａ ｇ ｅ ｃ ｎ ｅｔ ，ｄ ｓ ｕ — ｇ ｇ ｅ ｓ ￥ｉ ｅａ ｌ ｈ ｅ ｉｎ ｍｅｈ ｄ ｏ ｎ ｐ ａ ｅ ｐ ｌｅ ｃｒ ｕ ｔ ａａ ｃ ｌ ｃｉ ｎ ｃｒ ｕ ｔａ ｄ ａｔ ｎ ａ ｉｎ ｃ ｒ ｕ ｔ ｅ ｎ ｄ ｔ ｉ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｔ ｏ ｆｉ ． ｈ ｓ ｕ ｓ ｉｃ ｉ ．ｄ ｔ ｏｌ ｔ ｉ ｉ ｎ ｔ ｕ ｔ ｉ ｉ ， ｅ ｏ ｃ ｅ ｏ ｃ ｐ ｔｆ ｒ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ｅ ｉｎ ｉ ｅ ，ｄ ｓｇ ｔ ｏ ｎ ｅ ｉｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ｈ ｎ ｌ ｃ ｎ ｅｔ ｒｃｒ ｕ ｔ Ｏ ‘ ｕ ｏ ｗ ｒ ｈ ｏ ｗａ ｅ ｄ ｓ ａ ｅ ｉｎ ｍｅ ｈ ｄ ａ ｄ ｄ ｓｇ ｒ ｃ ｓ ．Ｔ ｅ ａ ｇ ｅ ｏ ｖ ｒ ｉ ｉ Ｃ Ｂ ｔ ｇ ｄ ｅ ｃ
“ ＝ ｓ Ｏｉｔ ｉ ｓ ｏ ｎ ｎｔ
（） ３
其 中： ０为余 弦绕组 轴线 ｚ 一 ： 。 ｚ与激磁绕组 轴线 Ｄ 一
以旋转变压器为例 ， 采用单片机设计 了一种智能型
轴 角／ 数字 转换 电路 。
Ｄ 之间的夹角 ； ｍ 当 ０ ０时余 弦绕组上两端感 Ｕ为 ： 应 的交 流 电势 的 幅值 。
作 者简介 ： 进勇 （９ ６ 男 ， 于 １７ ）， 山东海 阳人 ， 副教授 ， 工学博士 主要从 事飞行器控制 系统设计与仿真 。
图 １ 正余 弦旋 转变压器
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工业仪表与 自动化装置
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２ 硬 件 设 计
２ １ 设 计 思 想 ．
由式 （ ） ４ 可知 ， 只要测 量 “和 “就可 求 出轴角 ０ 。
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｈｅ ａ ｌ ｏ ｖｅ ｔ ｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉ ａ ｈ ｐ ｉ ｒ ｃ ｍ ｐ ｅ ｓｇ ｆ ｔ ｎｇ ｅ ｃ ｎ ｒ ｅ ａ ｅ ｎ ｓｎｇ ｌｃ ｉ ｍ ｃ ｏ ｏ ｕｔ ｒ
ＹＵ Ｊｎ ｏ ｇ，Ｗ Ｕ Ｘｉｏ ａ ｉｙ ｎ ａ ｎ ｎ，ＤＡＩＨｏ ｇ ｅ ｎ ｄ
＝ ｓ ｗ ｉ ｔ ｎ （） １ 式 中： 为定子激磁绕组上的交流电压的幅值。
别 是 自动驾 驶仪 系 统 中 常用 的装 置 ， 来 检 测 控 制 用
对象的实际转角 ， 回送给计算机 ， 构成随动系统的闭 环控制 。机械角度传感 器为电机式传感器 ， 目前应 用较多 的通常为旋转变压器或 自 整角机 。旋转变压 器将机械转角转换成交流电信号输 出， 转换器再将 其 输 出 的交 流信 号转 换为 数 字量 。
主频 以及 数据 的传 输 方 式 ， 用 的有 查 询 和 中断 方 常 式， 若采用 Ｄ Ａ传输方式 则可进一步提高数 据的 Ｍ
传输速度。该 文选 用 Ａ １７ Ｄ ６４来完成数据 的采集， 该 芯 片满 足数 据采 集要 求 ， 价 比高 Ｊ 性 。
２ ５ 衰 减 电路设计 ．
图 ４ 衰减电路与 Ａ １７ Ｄ ６４连接 图
硬件 结构 设计 如 图 ２所 示 ， 中 ， Ａ 和 Ｒ Ｍ 图 Ｒ Ｍ Ｏ 是 为单 片机扩 展 的数据 和程序 存储 器 ；／ Ａ Ｄ １和 Ａ ／ Ｄ２电路 用 于 同步采 集 和 转换 旋 转 变 压 器输 出 的 ２ 路模 拟 电压信 号 ；０ １ 片 机 提供 整 个 系统 的控 制 ８３ 单
２ ４ 数据 采集 电路 设计 ．
采用 Ａ Ｄ转 换器来 完成 数据 的采集 ， 于 高速 ／ 对
数据采集 ， 最大采样频率取决于 Ａ Ｄ的转换时间以 ／ 及数据的传输时间。提高最大采样频率可通过缩短 Ａ Ｄ的转换 时 间或提高数 据 的传 输速 度来 实现 。 ／ 如果与 Ｐ Ｃ机接 口， 数据的传输速度决定于 Ｐ Ｃ机的
因为旋 转变 压器输 出的 电压 信号 幅值 最 大值大 于 Ａ Ｄ转换器 的输 入允许 电压值 ， 以旋转 变 压器 ／ 所
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工业仪表 与 自动化装置
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的输 出电压信 号必 须先 经过 衰减 电路 的处 理才 能输
入 到 Ａ Ｄ 转 换 器 的 输 入 端 。衰 减 电 路 与 Ａ ６ ４ ／ Ｄ１７
表 １ 角度计算 公式
图 ２ 硬件总体设 计框图
２ ３ 同步 脉冲产 生 电路 ．
该设计应将旋转变压器的激磁 电压信号 ｕ的 正半波变成与之 同步的脉冲信号 ， 以触发单片机 用 同时启 动 ２路 Ａ Ｄ转 换 。为 了 实 现将 交 流 电 信 号 ／ 与 １ｒ －Ｌ逻辑 电平 的兼 容 ， 目前 常用 的是 光 电耦 合 电 路 ， 电耦 合 电路 主要 由光 电耦 合 器 和 限 流 电 阻组 光 成 。 同步 脉 冲产 生 电路 的框 图如 图 ３所示 。
的大小 。而 ｕ和 “也 容 易 由 Ａ Ｄ转 换 器 转换 成数 。 ／ 字 量 ， 关键 是要解 决 如何 取得 同一 时 刻 的 和 但
值 。根据上述原理分析 ， 该设计采用激磁 电压为同 步脉冲信号 ， 当此同步脉冲信号到来时 ， 利用单片机 同时启动 ２ Ａ Ｄ转换 ， 同一时刻的 ｕ ｕ信号 路 ／ 将 和 采 集转换 并输 送 到单 片 机 中 ， 片 机将 采 集 到 的数 单 据进行滤波处理 ， 再进行反正切计算得 出被测 目标
信号 ， 负责启动数据采集 ， 进行数据存储和计算最后 输出； 时钟 电路 和复 位 电路 负责 提 供 单 片 机 的 时钟 信号和复位信号 ； 电耦合 电路将旋转变压器的激 光 磁 电压信号 转 变 为 单 片 机 的 启 动 同步 数 据 采 集 的触发脉冲信号 。
８３ 单 片机 ０１
路、 数据 采 集 电路 和 衰减 电路 的 过 程 。该 论 设
轴 角数 字转换 电路 具 有结 构 简单 、 价格 低 、 用方 便 的特 点 。 使
关键 词 ： 角数 字转换 器 ； 片机 ； 件设 计 ； 字滤波 轴 单 软 数 中图分 类号 ：Ｐ ６ ． Ｔ ３８ １ 文 献标 志码 ： Ａ 文 章编 号 ：００～ ６２ ２ １ ）４— ０ ３— ４ １０ ０８ （０２ ０ ０４ ０
传 统 的轴角／ 字转 换 电路 是 由解 码 网络 、 数 比较 器 、 冲源 、 脉 五位 编码 门控 电路 及诸 多 的数字 逻辑 电 路 组成 ， 的突 出缺点 是 电路 复杂 ， 它 可靠 性低 。该 文
则转子正余 弦输 出绕组两端的电压为 ：
Ｕ ｃ ｓｓ ｔ ｍ ｏＯｉ ｍｏ （） ２
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图 ３ 同步脉 冲产生 电路框 图
综上所述 ， ｕ 以 为基准电压 ， 同步采集 ／ ， ， ２ ｕ 根 ， 据其正负符号关系 ， 利用表 １ 确定 ０ 所在 区域 ， 选取 相应 的计算 公式 便可计 算 出 ０的弧 度值 。最后 将 弧 度值转换为角度量 。设弧 度值为 ０， 角度值 为 ： ， 则 转 换公式 为 ： ０ ＝（ １订）×１ ０ ２ ０／ ８。 （） ５ ２ ２ 硬件 设计 方案 ． 利用单片机采集 ２ 路电压信号后将其转换为数 字信号 ， 再经过运算求 出被测物转过的角度， 将算得 结果 向锁存器输 出， 以便其他器件如 自动驾驶仪和 显示器利用。从实现的功能上来看需设计 的单片机 应用 系统可 大致 分 为 ４大 部 分 ：） 旋 转 变压 器 的 １将 信号 降压 到模数 转 换 器 输 入允 许 范 围 的 衰减 电路 ； ２ 对从旋转变压器输 出的电压信号进行采集和转 ） 换 的模数 转换 电路 ；） 激磁 电压信 号 变 换成 同步 ３将 脉冲连接到单片机 中断源的光电耦合 电路 ； ） 片 ４单 机外 扩数 据 和程序存 储 芯片 电路 。
样正好都在峰值时刻附近 ， 其数据可信度较好 ， ５个 数 据在进 行 数字 滤波 处理 时任 务也 不重 。
由式 （ ） 式 （ ） ２ 、 ３ 整理 可得轴 角 ：
０＝ａｃ ｎ ｕ／ ｒｔ （ ｕ） ａ
Ｚ
１ 正余弦旋转变压器 的工作原理
正余弦旋 转 变压 器 的结构 如 图 １所示 ， 中 图
Ｄ 一Ｄ 为定子激磁绕组 ， ： 在与之轴线 相垂直 的两端 短
（） ４
收 稿 日期 ：０２— ２—１ ２１ ０ ７
ｉ ｕ ａｉ ｎ ｉ ｉ ｌ ｆｇ ｒ ｔｏ ｓ ｓｍｐ ｅ，ｌｗ—ｙｎｇ ｐ ｃ ｎ ｔｉ ａ ｉｒｔ ｓ ． ｏ ｌ ｉ ｒ ｅ ａ ｄ ｉ ｓ ｅ ｓｅ ｏ ｕ ｅ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ： ｎ ｌ ｏ ｖ ｒｅ ｙ ｗｏ ｄ ａ ｇ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔｒ；ｓｎ ａ ｈ ｐ ｍｉｒ ｃ ｍｐ ｅ ；ｓ ｆｗａ ｅ ｄｅ ｉ ｎ；ｄ ｔ ｌｅ ｉ ｇ ｌｃ ｉ ｃ ｏ ｏ ｕｔｒ ｏｔ ｒ ｓｇ ａａ ｆ ｔｒ ｉ
换 时间 为 ｌ ｓ故 启 动转换 后延 时 １ ｓ待结 果稳 ０ ， ５ ，
定后 再读 取 转换结 果 。设计 采样 ５次 是 因为 ５次 采
连接 如 图 ４所示 ， 衰减 电路 由 ２个 １０ｎ 电阻 ， ０ 一个 ４ ３ｋ． ． Ｄ 电阻和 一个 ２ １ｋ 的 电位 计组 成 。 ． Ｑ
子转 角 的正 弦成正 比， 为正 弦绕 组 ， ｚ ｚ 输 出 称 则 。一
的电压 ／ Ｚ ｓ 与转子转角的余弦成正比， 称为余弦绕组。 在定子激磁绕组上加交流激磁电压 “， 则其正 弦／ 弦绕 组输 出的 电压 与机 械转 角成 严格 的 正弦／ 余 余 弦关 系 。若在 定 子激磁 绕 组上加 激 磁 电压 ：
转 过 的角度 ０ 。
ｌ、 １ ０
旋转变压器副边的输出信号即可作为非数字随 动系统的输出机械轴角度的反馈信号 ， 若是数字随 动系统 ， 则需将此信号转换为与 ０ 相对应的数字量。 将任意时刻同步采集 到的 ／、ｃ ． ／值代人式 （ ） ｔＺ ４ 进行反正切运算 ， 可算出轴角 ０的弧度值 ， 便可将其 转 换 为数字 量 。设 为 正 半 波 时 ， 可得 到 角 度 在 即 各 个范 围内的计算 公式 如表 １所示 。
０ 引 言
轴 角／ 字转 换 器是 一 种 将 机 械 轴 旋 转 角 度 转 数
换 为与 之对应 的数 字量 的装 置 ， 数 字 随 动 系 统 特 是
路的绕组 Ｄ 一 ， Ｄ 为补偿绕组 ， 转子上装设 ２个轴线 互相 垂直 的绕 组 ， 空载 时 ，。 出的 电压 与转 ｚ 一ｚ输
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工业仪表与 自动化装置
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基 于 单 片 机 的 轴 角数 字 转 换 电路 的设 计
于进勇 ， 男 ， 吴晓 戴洪德
（ 海军航 空 工程 学院 控 制 工程 系， 山东 烟 台 ２ ４ ０ ） ６ ０ １
摘要 ： 出了轴 角数 字转换 电路 的 总体设 计 思想和硬 件 原理 框 图 ， 细 阐述 了同步脉 冲产生 电 给 详