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基于單片機的信號發(fā)生器設計與應用

   2012年03月27日 16:53  
  一、前言
  
  在簡易制導武器中,角位移傳感器是姿態(tài)修正系統(tǒng)的敏感元件,用來測量彈體的角運動參數(shù)并以電信號形式給出三個信息。其中輸出兩路幅值相等相位相差90°的正弦信號作為彈體偏轉測量的基準信號;另一路輸出測角信號,該信號相對基準信號的相位反映角偏差的方向、幅值反映角偏差量。信號發(fā)生器就是模擬角位移輸出信號的裝置,用來進行后續(xù)解調電路以及功放電路的檢測。它以單片機為核心,經過D/A轉換和放大電路的處理,zui后輸出反應彈體姿態(tài)的基準信號和測角信號。
  
  二、數(shù)學模型的建立
  
  根據對輸出信號性能指標的要求,基準信號幅值:A,基準信號頻率:f,假設對A的精度要求為±0.01V,對f的要求為±10Hz,輸出信號為正弦信號,可以建立模擬基準信號的數(shù)學表達式如下:
  
  其中幅值的大小可以通過放大電路部分進行調節(jié)。
  
  測角信號實時反映彈體的姿態(tài),根據檢測需要和角位移傳感器的結構可以建立這一特定的Uc數(shù)學表達式為:
  
  其中幅值的大小可以通過放大電路進行調節(jié),相角Ψ反映偏差的方向。
  
  三、方案設計
  
  信號發(fā)生器的設計任務就是產生三路信號,并且提供和主機通訊的軟硬件接口。首先根據輸出信號的頻率和幅值進行編碼,存儲在單片機的ROM里,然后以一定的時間間隔依次將這些數(shù)字量送往D/A進行轉換輸出,這樣,只要循環(huán)不已的送數(shù),在D/A的雙極性輸出端就可以得到信號波形。信號的輸出時序受上位機控制。
  
  本設計采用AT89C4051組成一個zui小的單片機系統(tǒng)。AT89C4051是Atmel公司的一款基于MSC51內核的簡化單片機,指令與標準的51單片機兼容,帶有4K可重新編程片上程序存儲器,128B的數(shù)據存儲器,多達15條可編程I/O線,兩個16位定時器/計數(shù)器,片上模擬比較器,一個標準串行通訊口,內部帶有振蕩器和時鐘電路。系統(tǒng)的硬件結構圖如圖1。
  
  圖1硬件結構圖
  
  3.1時鐘復位電路設計
  
  采用單片機片內的振蕩器、上電復位和外部硬件看門狗電路??撮T狗采用MAXIM公司的MAX706芯片,硬件電路如圖2。MAX706可以提供至少200ms寬度的復位脈沖,為使看門狗溢出有效必須把MAX706的WDO和MR連接起來,看門狗輸入WDI連接4051的任何一個I/O端口都可。MAX706在程序運行期間監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行,喂狗程序必須在1.6秒之內使WDI引腳電平發(fā)生改變,否則MAX706將發(fā)出復位指令,使整個系統(tǒng)復位,看門狗時序如圖3所示。
  
  3.2單片機與D/A的接口電路設計
  
  D/A選用AD公司的AD7226。AD7226是具有8位精度的四通道D/A轉換器,zui小分辨電壓約為4mV,可以滿足設計的精度要求。每個通道都有一個輸入鎖存器,可以對輸入的數(shù)字量進行鎖存;輸出端帶有輸出緩沖放大器。AD7226有一條寫入控制線WR,兩條地址線A0、A1,通過地址線可以選擇不同的D/A轉換通道。寫入時序如圖4所示。
  
  由于4051沒有專門的地址和讀寫控制引腳,此處可以通過普通的I/O引腳參考AD7226的寫入時序,利用軟件進行時序模擬??梢酝ㄟ^改變延時的時間來改變輸出的頻率。圖5是利用4051的P3.0、P3.1口作為A0、A1的地址線,P3.5作為WR的寫入控制線的硬件參考電路,相應的示例程序如下:
  
  ……..
  
  MOVP1,A;P1口置數(shù)
  
  MOVP3,#0FCH;選擇通道A
  
  CLRP3.5;置P3.5低電平
  
  SETBP3.5;置P3.5高電平,上升沿鎖存數(shù)據
  
  LCALLDELAY;調用延時子程序
  
  ……..
  
  圖5單片機與D/A接口電路
  
  3.3偏移電路設計
  
  AD7226的每一個通道都可以單獨用來提供單極性或雙極性的輸出,要獲得雙極性的輸出必須外加運算放大器和偏移電阻,輸出電壓的范圍取決于參考電壓的大小,如圖6是在單極性電源供電情況下的雙極性輸出電路圖,要注意偏移電阻的阻值匹配。
  
  圖6AD7226雙極性輸出電路
  
  3.4放大電路設計
  
  放大電路主要是對AD7226輸出的雙極性電壓信號幅值進行處理,以達到使用的要求。放大電路的輸入極增加一個一階低通濾波器,以防止D/A輸出的高頻成分干擾;采用低頻運放作為射隨器以提高輸入阻抗。放大電路部分如圖7所示。
  
  圖7放大電路(部分)
  
  四、信號發(fā)生器的軟件設計
  
  4.1信號編碼
  
  在這里要注意的取值范圍是-1~,而不是-1~+1。取整時要按照四舍五入的原則以減少誤差,表1是雙極性輸出時二進制編碼表以及對應模擬輸出電壓。
  
  表1雙極性輸出偏移二進制碼表
  
  4.2軟件設計
  
  軟件的任務是根據上位機的指令完成信號的控制和輸出,編程語言采用8051匯編語言,整個程序由初始化模塊、基準信號輸出模塊、測角及基準信號輸出模塊、中斷模塊、延時模塊和喂狗模塊組成。軟件流程如圖8所示。4.3與上位機接口時序
  
  信號發(fā)生器采用中斷的模式響應上位機的控制指令,其指令的時序如圖9所示。
  
  系統(tǒng)上電后,上位機須發(fā)送清零指令,復位INT0、INT1為低電平,Uj1、Uj2、Uc輸出為0。在INT0、INT1為低電平期間,可以發(fā)送基準信號輸出指令INT0,輸出基準信號Uj1、Uj2;在基準信號輸出期間,即INT0為高電平期間,可以發(fā)送測角信號輸出指令INT1,此時輸出測角信號Uc,Uj1、Uj2同步輸出。當INT0變?yōu)榈碗娖綍r,無論INT1為何種狀態(tài),三路信號輸出都為0。發(fā)送基準信號和測角信號輸出前必須保證INT0、INT1有效復位低電平。在INT0為低電平期間,陀螺儀模擬器不響應任何INT1指令。如果發(fā)生不可預料的邏輯紊亂,可以通過復位INT0、INT1,再按照圖9所示時序關系發(fā)送指令。
  
  圖8軟件流程圖
  
  圖9INT0、INT1工作時序
  
  五、結論
  
  通過軟件硬件的調試和檢測,表明該模擬裝置的硬件和軟件系統(tǒng)能很好的工作,在系統(tǒng)的聯(lián)調中能正確的模擬角位移傳感器的基準信號和測角信號,滿足設計的要求,已經在某產品的檢測系統(tǒng)中獲得了應用。

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