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(zhuǎn)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。專用信號發(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(diào)電路以及功放電路的檢測。它以單片機為核心，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和放大電路的處理，最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(jù)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(diào)節(jié)。
測角信號實時反映彈體的姿態(tài)，根據(jù)檢測需要和角位移傳感器的結(jié)構(gòu)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(diào)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(chǎn)生三路信號，并且提供和主機通訊的軟硬件接口。首先根據(jù)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(zhuǎn)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組成一個最小的單片機系統(tǒng)。AT89C4051是Atmel公司的一款基于MSC51 內(nèi)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(jù)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(nèi)部帶有振蕩器和時鐘電路。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖
3.1 時鐘復位電路設計
采用單片機片內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換器，最小分辨電壓約為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(zhuǎn)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：
……..
MOV P1, A ；P1口置數(shù)
MOV P3, #0FCH ；選擇通道A
CLR P3.5 ；置P3.5 低電平
SETB P3.5 ；置P3.5 高電平，上升沿鎖存數(shù)據(jù)
LCALL DELAY ；調(diào)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6 AD7226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(jù)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(guān)系發(fā)送指令。
圖 8 軟件流程圖
圖 9 INT0、INT1工作時序
五 結(jié) 論
通過軟件硬件的調(diào)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(diào)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(jīng)在某產(chǎn)品的檢測系統(tǒng)中獲得了應用。
參考文獻：
【1】 胡漢才 著 單片機原理及其接口技術(shù) 清華大學出版社 1995年6月
【2】 陳大欽 著 模擬電子技術(shù)基礎 高等教育出版社 1999年7月
【3】 湯鈺鵬 等著 MCS－51系列單片機應用及其接口技術(shù) 人民郵電出版社 2003年6月
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