微處理器在導(dǎo)航設(shè)備模擬信號處理中的應(yīng)用

摘要：介紹了一種微處理器在某導(dǎo)航設(shè)備中模擬信號的處理思路和算法，有效地提高了設(shè)備的系統(tǒng)集成度，達到提高設(shè)備可靠性的目的。
關(guān)鍵詞：微處理器；差動方位；磁方位

    機載近程無線電導(dǎo)航設(shè)備可以為飛機駕駛員提供飛機所在位置信息以及航向信息，即可以連續(xù)地給飛機提供方位和距離數(shù)據(jù)，數(shù)字化的方位和距離信息可直接在數(shù)字指示器上顯示。為了更直觀地反映和觀察飛機的位置及航向，需要將數(shù)字方位進行調(diào)制，變換成模擬的差動方位信號，以提供給飛機的模擬航向位置指示器，指示飛機的航向信息。
    在早期第一代導(dǎo)航設(shè)備中，采用大量分立元件和同步發(fā)送器、感應(yīng)器、齒輪等機械傳動方式完成差動方位的產(chǎn)生。到了第二代導(dǎo)航設(shè)備，去掉機械傳動部分，采用大量的中、小規(guī)模數(shù)字及模擬集成電路，完全依靠硬件電路完成數(shù)據(jù)的運算和處理。以上兩種方式由于采用的元件數(shù)量多，并且有機械傳動裝置，因而存在較多的不可靠因素，且數(shù)據(jù)處理誤差大，受環(huán)境條件影響大。在現(xiàn)代無線電導(dǎo)航設(shè)備中，大量采用微處理器完成系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)計算，減少和取掉了許多中、小規(guī)模集成電路、分立元件等，計算精度及可靠性、穩(wěn)定性等都有了較大提高。

1 硬件設(shè)計
1．1 硬件原理
    根據(jù)“差動方位=數(shù)字方位-磁方位”的關(guān)系，要得到差動方位，必須知道數(shù)字方位和磁方位，其中數(shù)字方位在導(dǎo)航設(shè)備中可從接收的地面信標臺的信號中解算而得到，而磁方位信息是由飛機輸入到導(dǎo)航設(shè)備的，它是X，Y，Z三相400 Hz交流信號，因此，首先將磁方位信號經(jīng)過交直流變換，使磁方位信號在交流基準信號(AC1．5 V／400 Hz)的作用下解調(diào)并轉(zhuǎn)換成直流電平，該直流電平隨著磁方位的不同而變化，再通過A／D轉(zhuǎn)換器將磁方位信號進行量化處理變成數(shù)字量。
    將數(shù)字方位與數(shù)字化的磁方位進行計算得到數(shù)字化的差動方位，然后將數(shù)字差動方位通過D／A轉(zhuǎn)換器，在交流基準信號的作用下，調(diào)制轉(zhuǎn)換成X，y，Z三相400 Hz交流差動方位信號輸出。
1．2 電路的選取
    根據(jù)信號處理的特點，為使硬件規(guī)模最小化，選取微處理器為C8051F041，其內(nèi)部包含64 kB的Flash，4 kB的數(shù)據(jù)RAM，多通道12 bit的ADC和雙通道的12 bit的DAC，內(nèi)部3～24．5 MHz可編程的時鐘源；運算放大器選取性能較好、低溫漂的OP11；由于輸出的差動方位為模擬信號，須驅(qū)動模擬表頭，需要的電流較大，采用大電流的運算放大器SFH51作為最后輸出。

2 硬件的實現(xiàn)
2．1 交直流變換及ADC
    在C8051F041中有一多通道12 bit的ADC，將磁方位X，Y分別由模擬通道AIN0．0／AIN0．1輸入，基準信號由VREF’和VREFA輸入。MCU分時對X／Y兩路信號進行采樣、變換，電路如圖1所示。

2．2 數(shù)模變換(DAC)
    當從磁方位信號中解調(diào)出磁方位角后，可以計算出差動方位角度，根據(jù)具體硬件電路參數(shù)，可進一步推算出該角度對應(yīng)的DAC轉(zhuǎn)換需要的數(shù)字量，然后將數(shù)字量送入DAC中，在交流基準的調(diào)制下便可得到模擬的差動方位信號，電路如圖2所示。

3 軟件的實現(xiàn)
3．1磁方位解算
    對于三相磁方位信號X，Y，Z，通常Z接地。假設(shè)磁方位為φ，則有
   
    根據(jù)前面分析，VXZ即為磁方位信號X的ADC采樣值，VYZ為磁方位信號Y的ADC采樣值，由此可根據(jù)上述公式計算出磁方位角度。
3．2 差動方位產(chǎn)生
    根據(jù)差動方位信號的要求和電路參數(shù)計算，差動方位X和差動方位Y分別表示為
   
    其中，θ為數(shù)字方位；φ為磁方位，ω=2πft，f=400 Hz；根據(jù)實際電路模型，有
   
    其中，DX為差動方位X向數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量；DY為差動方位Y向數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量。

4 結(jié)束語
    通過上述硬件線路設(shè)計和軟件設(shè)計，開展了相關(guān)課題實驗，并應(yīng)用到某導(dǎo)航設(shè)備中，其集成度和可靠性得到了進一步提高，指標均達到了設(shè)計要求。