王俊林，惠進(jìn)，宋金鴻，詹浩然，高強(qiáng)，王亞楠

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安 710065）

旋轉(zhuǎn)變壓器作為光電轉(zhuǎn)臺(tái)[1]中關(guān)鍵的伺服運(yùn)動(dòng)角度輸出單元，其接線正確與否直接影響光電轉(zhuǎn)臺(tái)角度解算效率。當(dāng)接線錯(cuò)誤時(shí)，傳統(tǒng)解決辦法是裝調(diào)人員依靠經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)查驗(yàn)，當(dāng)角度輸出不符合轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，說明接線錯(cuò)誤，則調(diào)換線序，并開機(jī)驗(yàn)證，直至接線正確。為了取代人工倒線序的現(xiàn)狀，基于可編程邏輯器件和微控制器實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器接線自動(dòng)檢測的功能，進(jìn)而提高了光電轉(zhuǎn)臺(tái)角度解算的工作效率。

1 總體思路設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)變壓器[2-3]是一種電磁感應(yīng)式傳感器，可測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角角度位移和角速度，它是由兩種不同極對數(shù)的定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子繞組作為變壓器的原邊，接收激磁電源提供的勵(lì)磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊通過電磁耦合輸出包含角度位移信息的信號(hào)，其為正、余弦模擬電壓信號(hào)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器接線錯(cuò)誤時(shí)，輸出的模擬電壓信號(hào)不是正確的正、余弦模擬信號(hào)，將導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)臺(tái)角度解算[4-7]錯(cuò)誤。該文將以某典型陸用光電轉(zhuǎn)臺(tái)中的一種旋轉(zhuǎn)變壓器為例，設(shè)計(jì)一種接線自動(dòng)檢測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)變壓器、信號(hào)切換模塊、主控模塊、角度解算模塊、角度判斷模塊以及顯示模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成

其中，主控模塊用來存儲(chǔ)待檢測旋轉(zhuǎn)變壓器所有接線組合的地址信號(hào)，并將該地址信號(hào)逐一自動(dòng)發(fā)送給信號(hào)切換模塊；信號(hào)切換模塊與待檢測的旋轉(zhuǎn)變壓器連接，負(fù)責(zé)將當(dāng)前接線組合下的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)提供給角度解算模塊，并依據(jù)主控模塊的地址信號(hào)切換旋轉(zhuǎn)變壓器的接線組合；角度解算模塊解算接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，并將解算結(jié)果輸出給主控模塊，主控模塊隨即將該結(jié)果輸出給角度判斷模塊；角度判斷模塊對輸入的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果反饋給主控模塊，最終主控模塊將判斷結(jié)果輸出給顯示模塊顯示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

針對自動(dòng)檢測需求，該文選用的主控芯片為Intel 公司的可編程邏輯器件EPM7192SQI160C8[8-9]，EPM7192SQI160C8 采用CMOS 工藝，是一種基于EPROM 的器件。該器件有160 個(gè)引腳，其中五個(gè)用于ISP(In-System Programmability)下載，以方便對其進(jìn)行在線系統(tǒng)編程。此器件共3 750 個(gè)典型可用門，192 個(gè)邏輯單元，124 個(gè)IO 口，含兩個(gè)全局時(shí)鐘，可單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式，支持多種編程方式。同時(shí)該芯片支持在多種電壓下工作，芯片傳輸延時(shí)為7.5 ns，最高工作頻率為125 MHz。

主控模塊存儲(chǔ)待檢測旋轉(zhuǎn)變壓器所有接線組合的地址信號(hào)，并自動(dòng)將該地址信號(hào)逐一發(fā)送給信號(hào)切換模塊，信號(hào)切換模塊將根據(jù)該地址信號(hào)對應(yīng)的接線組合進(jìn)行線序切換。角度解算模塊解算出旋轉(zhuǎn)變壓器在當(dāng)前接線組合下的輸出信號(hào)后再將數(shù)據(jù)經(jīng)主控模塊輸出給角度判斷模塊完成最終檢測。主控模塊主要電路如圖2 所示。

圖2 主控電路

信號(hào)切換模塊選用8 片八路譯碼模擬開關(guān)器件CD4051[10-11]芯片，每片CD4051 有八路模擬輸入端，一路模擬輸出端，具有3-8 譯碼器功能，可解碼不同的地址碼。這里選擇八路輸入中的其中一路作為輸出，在信號(hào)切換模塊中有三路地址段實(shí)現(xiàn)對八路模擬輸入的編碼，輸出八路模擬信號(hào)，以完成對輸入端線序的更新調(diào)整。信號(hào)切換模塊部分電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)切換電路

由于旋變輸出的模擬信號(hào)額定電壓為26 V，而CD4051 能接收的最大模擬輸入信號(hào)為VDD-VEE 即10 V，因此在信號(hào)切換模塊前端增加信號(hào)衰減模塊，將旋變輸出的模擬信號(hào)同比例縮小到CD4051 能接收的范圍內(nèi)，具體電路如圖4 所示。同樣，在信號(hào)切換模塊后端增加信號(hào)放大模塊，將調(diào)整后的旋變信號(hào)同比例放大到角度解算模塊接收的信號(hào)范圍內(nèi)，具體電路如圖5 所示。

圖4 信號(hào)衰減電路

圖5 信號(hào)放大電路

角度判斷模塊由微控制器AT89S51[12-13]完成主要功能，AT89S51是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，內(nèi)部集成4 kBytesFlash程序存儲(chǔ)器，128 Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（IO）口，兩個(gè)16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行通信口；具有五向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，可兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結(jié)構(gòu)。

角度判斷模塊首先通過并口從主控模塊處讀取角度解算模塊解算出的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)變壓器接線線序下的角度數(shù)據(jù)，隨后按照設(shè)定程序?qū)ψx取的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，判別完成后將判斷結(jié)果再通過并口輸出給主控模塊，主控模塊將判斷結(jié)果最終輸出給顯示模塊顯示，這里顯示模塊選用數(shù)碼管。角度判斷模塊的電路如圖6 所示。

圖6 角度判斷電路

角度解算模塊接收信號(hào)切換模塊提供的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)進(jìn)行角度解算，解算出的角度數(shù)據(jù)輸出給主控模塊。角度解算模塊電路圖如圖7 所示。

圖7 角度解算電路

選用連云港杰瑞公司的16XSZ3412-S16-07-T16[14-16]型解算-數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行角度信號(hào)解算，16X SZ3412-S16-07-T16 型轉(zhuǎn)換器是一種單塊式解算-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包含有粗、精兩路解算-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一個(gè)用于粗、精組合糾錯(cuò)的處理器，產(chǎn)品規(guī)定的粗、精組合速比為1∶16。該系列轉(zhuǎn)換器可接收兩路四線解算器信號(hào)。轉(zhuǎn)換器輸出為自然并行二進(jìn)制數(shù)碼，最高可達(dá)19 位，通過控制三個(gè)使能信號(hào)，即可輸出一個(gè)19 位數(shù)字量，又可分別輸出三個(gè)字節(jié)。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)變壓器接線自動(dòng)檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)邏輯：信號(hào)切換模塊接收待檢測的旋轉(zhuǎn)變壓器原始的線序，主控模塊通過對地址信號(hào)進(jìn)行譯碼來實(shí)現(xiàn)對原始線序的調(diào)整，當(dāng)檢測系統(tǒng)開關(guān)打開時(shí)，主控模塊生成一組新的接線線序組合對應(yīng)的地址信號(hào)，隨后，這一組信號(hào)作為角度解算模塊的輸入被解算為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)范圍為0-65535,其中65535 代表旋轉(zhuǎn)變壓器的零位。此時(shí)角度判斷模塊以10 ms的周期通過主控模塊從角度解算模塊中采樣角度數(shù)據(jù)序列，采樣完成后對角度數(shù)據(jù)序列進(jìn)行判別。判別結(jié)果作為主控模塊的下一步控制指令，當(dāng)角度判斷模塊判斷角度數(shù)據(jù)序列是錯(cuò)誤線序下的角度數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊將重新生成下一個(gè)線序，開始新的檢測循環(huán)，而當(dāng)角度判斷模塊判斷角度數(shù)據(jù)序列是正確線序下的角度數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊將保存當(dāng)前的正確線序，并送入顯示模塊顯示。工作原理流程如圖8所示。

圖8 工作原理流程

其中，核心的角度判斷模塊為接線自動(dòng)檢測系統(tǒng)提供直接的線序正確與否的判斷依據(jù)，其判斷流程如圖9 所示。

圖9 角度判斷流程圖

當(dāng)角度判斷模塊查詢到檢測周期開始標(biāo)志時(shí)，則進(jìn)入檢測，接收新的線序信號(hào)Xn，否則等待查詢開始標(biāo)志；接收到Xn后，角度判斷模塊以10 ms 作為采集周期從主控模塊中獲取角度數(shù)據(jù)，采集完成后先存入當(dāng)前數(shù)組Data1，隨后角度判斷模塊判斷Data1 數(shù)組中的數(shù)據(jù)是否包含零位數(shù)據(jù)，即是否包含65535 值，如果包含，則對零位值及其之后采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加65535 操作，完成后先按數(shù)據(jù)遞增性對Data 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，如果滿足數(shù)據(jù)遞增性，再按數(shù)據(jù)等差性對Data 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，如果滿足數(shù)據(jù)等差性，角度判斷模塊將發(fā)送顯示信號(hào)到主控模塊，代表判讀出正確線序，若不滿足，則說明當(dāng)前線序錯(cuò)誤，需要繼續(xù)接收新的線序判斷。

4 結(jié)束語

該文針對傳統(tǒng)辦法糾正光電轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器接線錯(cuò)誤效率低下的問題，提出了一套自動(dòng)接線檢測系統(tǒng)思路，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)總體構(gòu)成、硬件電路等的設(shè)計(jì)以及軟件實(shí)現(xiàn)中的流程規(guī)劃，完成了基于可編程邏輯器件和微控制器的光電轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器接線自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)可快速實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的接線線序判斷，解決了目前人工倒線重復(fù)驗(yàn)證的問題，成本低，可靠性高，大大提高了光電轉(zhuǎn)臺(tái)裝調(diào)過程的工作效率。