李坤武 馬大兵

摘要 針對遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)中線繞電位器協(xié)調(diào)速度慢、產(chǎn)品體積大、產(chǎn)品安裝復(fù)雜的不足，本文提出一種用數(shù)?；旌想娐纺M多電刷電位器，它以C8051F020和DAC8831MCDREP集成電路為核心芯片，實現(xiàn)角度信號轉(zhuǎn)換為電位器電壓信號輸出功能。模擬電位器硬件電路主要由C8051F020單片機(jī)、DAC8831MCDREP數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和放大電路三部分組成;軟件部分主要有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊三個功能模塊;并用軟件修正電壓的方法提高模擬電位器的精度。

【關(guān)鍵詞】角度 轉(zhuǎn)換 電位器 單片機(jī)

電位器遠(yuǎn)距離傳輸角度信號在遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，尤其在機(jī)載設(shè)備中。電位器是遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)中的一個重要器件，過去多采用線繞電位器，但其協(xié)調(diào)速度慢、產(chǎn)品體積大、產(chǎn)品安裝復(fù)雜。針對線繞電位計的不足，本設(shè)計用一種電路模擬遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)的電位器，采用數(shù)學(xué)方法擬合輸出電壓，用電子電路實現(xiàn)電位器電壓輸出來進(jìn)行伺服驅(qū)動，試驗驗證取得了良好的效果。電路設(shè)計上結(jié)合單片機(jī)控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大電路等設(shè)計技術(shù)，解決電位器進(jìn)行伺服驅(qū)動的電子化，協(xié)調(diào)速度快、減小了體積，安裝簡捷，實現(xiàn)了產(chǎn)品整體電子化的更新?lián)Q代。

1 電位器遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)

電位遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)的原理如圖1所示，直流27V電源加在a、b點，只有c、d和e、f處于同電位的位置上，系統(tǒng)才處于協(xié)調(diào)狀態(tài)。各電刷位置如圖1所示，c、d和e、f點間的連線與a、b點間的連線互成90°關(guān)系。協(xié)調(diào)狀態(tài)下，c、d和e、f點間沒有電位差，即無信號輸出。

如果其中一個電位器或其電刷相對協(xié)調(diào)位置轉(zhuǎn)過一個角度，將會在c、d和e、f點間產(chǎn)生電位差，即有信號輸出，此信號經(jīng)各自的隨動系統(tǒng)，帶動相應(yīng)電刷架或電位器轉(zhuǎn)動，以消除失調(diào)現(xiàn)象，實現(xiàn)傳輸角度信號的目的。

本文模擬的電位器具有三個滑動電刷A、B、C，三個滑動電刷互成120°，通過對該電位遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)進(jìn)行試驗測試、數(shù)據(jù)分析，確定了三個滑動電刷A、B、C電位與角度的關(guān)系如圖2所示。

2 硬件設(shè)計

設(shè)計采用數(shù)?；旌想娐穼崿F(xiàn)多電刷電位器（后面簡稱模擬電位器），其原理圖如圖3所示，RS422串口格式的角度信號經(jīng)過單片機(jī)微處理器接收、處理、轉(zhuǎn)換，輸出三路具有120°相位差的數(shù)字量電壓信號，通過三路片選信號及一路時鐘信號控制三塊數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片工作，將三路數(shù)字量的電壓信號轉(zhuǎn)換為三路模擬量電壓信號，然后經(jīng)過直流電壓放大電路放大，輸出A、B、C三路直流電壓信號，基準(zhǔn)電壓源為數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片提供數(shù)模轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓。

模擬電位器的硬件電路由C8051F020單片機(jī)、DAC8831MCDREP數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和放大電路三部分組成，采用16位D/A轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.01 V。C8051F020單片機(jī)的輸入為串口格式的RS422角度信號，RS422角度信號經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊處理、轉(zhuǎn)換為三路16位的數(shù)字量電壓信號，通過單片機(jī)MOSI串口（P0.4）輸出，P0.2輸出時鐘信號;P3.0輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片寄存器控制信號;單片機(jī)通過P3.1、P3.2、P3.3輸出片選信號，控制三個數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片工作。

如果數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8831MCDREP（U2）被選通，A通道的U2將接收數(shù)字量A電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為0V～2.5V的電壓信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換所需的2.5V基準(zhǔn)電壓，由高精度的溫度補(bǔ)償式帶隙基準(zhǔn)電壓源芯片AD580SH提供。0v～2.5V的電壓信號經(jīng)過電壓放大電路輸出0v～27V電壓A信號。同理，通過片選信號控制通道B和C可以將數(shù)字量電壓信號B、C轉(zhuǎn)換為電壓B、C信號。

3 軟件設(shè)計實現(xiàn)

模擬電位器的數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)平臺是Windows XP系統(tǒng)和Silcon laboratories IDEV3.20開發(fā)環(huán)境。采用模塊化程序設(shè)計思想，根據(jù)數(shù)字電位計的功能需求，確定軟件總體架構(gòu)，再劃分不同功能模塊，主要包括：參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。

3.1 參數(shù)初始化

初始化C8051F020芯片內(nèi)部相關(guān)寄存器，包含看門狗、交叉開關(guān)、存儲器配置、SPI接口、串口、定時器其它寄存器;初始化DAC88 31芯片SPI接口、控制寄存器。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是采集RS422接口數(shù)據(jù)，進(jìn)行解算處理，為數(shù)據(jù)處理模塊提供角度信息信號。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊用于實現(xiàn)角度/電壓信號的轉(zhuǎn)換和電壓信號數(shù)據(jù)的修正等功能。

（1）角度/電壓信號的轉(zhuǎn)換按照圖2中電壓信號與角度信號的函數(shù)關(guān)系，將角度信號轉(zhuǎn)換為三路相位差為120°的電壓信號。

（2）對角度/電壓進(jìn)行分段，采用一次線性插值和二次拋物線插值法擬合三路輸出電壓與角度函數(shù)關(guān)系，二次拋物線插值比一次線性插值的計算復(fù)雜，運行時間增長，在擬合時要考慮測試負(fù)載差異，從中分離出有效的數(shù)據(jù)根據(jù)函數(shù)曲線形狀的變化確定插值間距，分區(qū)及計算同時要考慮計算速度，存儲容量，精度要求等多種因素。

（3）電壓信號修正。輸出誤差包括：擬合電壓與角度函數(shù)關(guān)系的偏差;硬件放大電壓失真造成偏差;電壓分段時拐點處偏差;經(jīng)過大量的試驗測試、數(shù)據(jù)分析，確定最終電壓修正函數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)輸出模塊

經(jīng)過修正后的三路電壓信號，通過單片機(jī)的串行外設(shè)接口SPIO輸出給外部硬件電路，實現(xiàn)數(shù)字/模擬變換。

為驗證電路輸出信號驅(qū)動情況，連接原電位計輸出信號驅(qū)動的綜合航向指示器進(jìn)行了試驗，精度優(yōu)于原電位計輸出驅(qū)動，達(dá)到了滿意的效果。

4 結(jié)束語

筆者提出了一種以C8051F020和DAC8831MCDREP集成電路為核心芯片的模擬電位器，介紹了模擬電位器的工作原理，給出了硬件設(shè)計電路及軟件設(shè)計實現(xiàn)方法。它結(jié)構(gòu)簡單，將電路與產(chǎn)品其他功能電路集成在電路板上，減小了產(chǎn)品體積，提高了可靠性和精度，己在某機(jī)載系統(tǒng)中得到應(yīng)用，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]潘琢金，施國君.C8051FXXX高速soc單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]郭寶寧，周濤，電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[3] DAC8831 Voltage-Output Digital-to-Analog Converters.