??? 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量系統(tǒng)" title="測量系統(tǒng)">測量系統(tǒng),。選用CPCI平臺，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，實(shí)現(xiàn)了兩個單通道旋變或一個雙通道旋變的角位置測量,。
??? 關(guān)鍵詞：CPCI總線? 軸角轉(zhuǎn)換器? 糾錯算法

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??? 雷達(dá)天線軸角測量系統(tǒng)由軸角測量傳感器,、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),、抗沖擊振動能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可用作軸角測量系統(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，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總線平臺和旋轉(zhuǎn)變壓器研制了一種新型的軸角測量系統(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)主要由兩個旋轉(zhuǎn)變壓器和CPCI總線平臺構(gòu)成,，CPCI總線平臺由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下,，產(chǎn)生兩相正交的正余弦信號,，這兩相正、余弦信號包含了系統(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是兩個單通道旋轉(zhuǎn)變壓器,，或者是一個雙通道旋轉(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(勵磁" title="勵磁">勵磁電壓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，而是通過電阻對旋轉(zhuǎn)變壓器參考信號及正余弦信號進(jìn)行分壓,，以滿足AD2S82A的輸入信號要求2Vrms±10%,。選擇參考分壓電阻R_ref1、R_ref2為4.3kΩ和2kΩ,，信號分壓電阻R_s3,、R_s5為1.5kΩ；R_s4,、R_s6為2kΩ,。
2.2 3U-CPCI平臺
??? CPCI平臺選用凌華公司的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中噪聲干擾,。根據(jù)公式15kΩ≤R1=R2≤56kΩ,，C1=C2=1/(2πR1×f_REF)計(jì)算，實(shí)際取值R1=R2=24kΩ,，C1=C2=3.3nF,。
??? (2)R4為DC誤差信號的增益調(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,，參考信號的頻率與帶寬之比為6∶1,，得出f_BW=400Hz。再根據(jù)C4=21/(R6×f_BW2),C5=5×C4,，R5=4/(2πf_BWC5)計(jì)算,，實(shí)際取值：C4=1.6nF，C5=8.2nF,，R5=200kΩ,。
??? (5)R3,、C3構(gòu)成參考信號的交流耦合電路，R3=100kΩ,，根據(jù)C3>1/(R3f_REF),，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 勵磁電源設(shè)計(jì)
??? 通過對旋轉(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，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）制定的一個開放式,、國際性的計(jì)算機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。簡單說,，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,，即保證時鐘信號線長度滿足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線長度不超過15.2mm（0.6英寸）,，從CPCI連接器到PCI控制器信號線總長度不超過38.1mm（1.5英寸）,，信號線特性阻抗65Ω±10%。
??? 局部總線時序設(shè)計(jì)是正確可靠地對AD2S82A進(jìn)行操作的必要條件,。PCI9030對局部總線時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,，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θ_C圓周分為i個區(qū)間,，每個刻度之間的軸角為360°/i，θ_C在i個刻度間的小角度為“余數(shù)”,，將余數(shù)分為四個區(qū)間,，根據(jù)θ_C所在的區(qū)間及θ_C在各區(qū)間對應(yīng)的范圍來判斷糾錯。其糾錯判據(jù)如下：
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??? 由以上分析可知,，余數(shù)糾錯法的糾錯能力為±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。軟件開發(fā)工具采用Win2000DDK,，采用WDM驅(qū)動程序模型,，設(shè)備類型為字符設(shè)備。該模塊對物理I/O端口讀寫的軟件設(shè)計(jì)較為簡單,，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)組合和糾錯后返回,。數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖3,。

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4 測試結(jié)果及結(jié)論
??? 旋轉(zhuǎn)變壓器采用降壓升頻6.3Vrms、2kHz的勵磁信號,，對該軸角數(shù)字測量系統(tǒng)進(jìn)行了36點(diǎn)法測試,，以保證測試的準(zhǔn)確性,。測試結(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)對軸角測量系統(tǒng)的性能要求。
參考文獻(xiàn)
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