测控技术与仪器 毕业论文范文——旋转变压器角度测量数字化研究

旋转变压器角度测量数字化研究摘 要本论文详细介绍了旋转变压器输出信号的处理方法。论文首先阐述了课题的研究背景、目的和意义，然后介绍了国内外角位移测量技术发展现状，通过分析比较，提出了利用“旋转变压器+轴角数字转换器+DSP”构成的低成本跟踪型跟踪测角设计方案。该系统能够用于360范围内角位信息的动态测量，并采用RS-232串行通信接口与上位机通信，可以实现绝对角度与相对角度输出。利用AD2S83对旋转变压器输出的正弦信号进行解算，主控单元则采用了TI公司生产的DSPTMS320LF2407。该系统能够用于360范围内角位信息的动态测量，并采用RS-232串行通信接口与上位机通信，可以实现绝对角度与相对角度输出。论文对系统的误差进行了分析，研究了各种误差来源，为减小测角系统误差、提高测角精度提供了理论依据；针对误差的消除提出了有效的抑制。关键词：角位移测量；旋转变压器；轴角-数字转换器；误差分析The digital research of resolver angle measurement technology Abstract: This thesis particularly described the solution for obtaining Resolvers output signal.According to the background,purpose and significance of the research topic,the paper introduces the development of angular measurement technology,and put forward to an low-cost and amplitude discrimination mode angle measurement system which constuct by resolver,shaft-digital converter and DSP through comparing and analysising all the measurement methods. We use AD2S83 to change sine - cosine signal outputted by resolver into digital signal, and use TMS320LF2407A as control unit which produced by TI company.The system can sample the dynamic angular displacement measurement between 0 to 360 degrees,and use serial RS-232 to communicate with PC which can realize absolute-and-relative angle outputting.Errors of the system are analyzed.Various factors which can cause themeasurement errors are pointed out. In this way,a reliable basis was provided for reducing the measuring errors and improving the accuracy of angular displacement measuring system.Key words:Angular displacement measurement,resolver,shaft-digital converter,Error analysis1 绪论1.1 本课题的背景及研究意义随着现代工业的迅猛发展，现代控制系统离不开诸如微处理器、微控制器、计算机之类的数字控制单元,且数字控制单元所需的接口数据都是数字量。在大多数控制系统或装置如交直流伺服系统、工业检测与控制、数控机床、机器人系统等大量的工商业域都存在着诸如位置、速度、加速度等参数,它们可能包含于轴角量中或由轴角量变换而来。轴角量的测量可以通过某类传感器而获得,而这类传感器的输出是含有角度量的模拟信号。那么,如何把控制系统中的测角传感器输出的模拟信号变换成数字量呢,这就是轴角数字变换技术。轴角传感器种类很多,如光电编码器、旋转变压器、感应同步器、电位计、接触式编码器等,与之相对应,把传感器的模拟角度量变换成计算机接口用的数字量的方法各不相同,其变换技术、接口电路也各不相同。经查阅大量资料，我们了解到旋转变压器是一种高可靠性、高精度且具有绝对位置输出的角度传感器,广泛应用于工业自动化和国防军事领域。应用数字转换器件对旋转变压器输出互为正余弦关系的模拟信号进行采样,将其转换成数字信号,以便于各种CPU进行处理。随着交流伺服传动技术的发展，特别是用于实时处理的DSP芯片技术的出现，使交流伺服传动系统中大量复杂的函数计算、坐标变换、参数调节等运算可以在极短的时间内完成。从而可以满足交流伺服传动系统的实时运算要求，使交流伺服系统逐步走向前台，取代原已广泛应用的直流伺服系统。1.2 国内外角位移测量技术发展现状目前，世界上研究和生产角位移测量仪器的国家和厂家很多：诸如德国的Heidenhain公司、Opton公司、B&L公司、日本的多摩川公司、三丰公司,以及英国、瑞士和俄罗斯等国家的众多研究机构和厂家。其中以Heidenhain水平最高、品种最全，是提供各种角位测量方案中的佼佼者。而日本的多摩川公司因为拥有0.001秒超精密角度计测装置和超精密角度分割装置，生产的测角传感器精度很高，因此在亚洲国家中应用广泛。建国伊始，我国连简单的多面棱体都要进口，在测角技术领域曾一度落后。但是，经过研究人员半个世纪的努力，我国已逐步建立健全了自己的角度计量基准，并对角度测量的理论、方法和技术进行了深入的研究，研制出多种测角仪器，基本满足了经济建设和国防建设的需求。现在，我国从事角位移测量装置方面研究的厂家和科研院所主要包括研究和生产测角微特电机的昆明机床厂、武汉重型机床研究所，航天部303所等；研究光栅传感器的长春光机所和清华大学；研究数显及变送装置的北京飞博尔电子有限公司等。综上所述，可知目前国内外角位移测量技术领域的发展已经比较成熟，如果以历史上出现的先后顺序划分，可以将角位测量方法分为传统测角方法和现代测角方法两种。1.2.1 传统测角方法传统的角位测量方法主要有机械式和电磁分度式两种。机械式以多齿分度台为代表。多齿分度台的雏形出现在20世纪30年代，最终作为一个完整的圆分度器件，是从美国Gage公司研制并于1960年获得专利开始的，当时分度精度达0.25。电磁分度测角技术以圆磁栅测角为代表，利用多面棱体检定系统，在95%的置信区间内，测得圆磁栅的检定误差小于0.07。可见，传统方法具有高准确度和高灵敏度等特点，但大多数为手工测量，不容易实现自动化，使应用范围受到限制。1.2.2 现代测角方法如今国内外各种角位测量装置很多，所采用的原理、精度、分辨率、体积、使用寿命和价格等也各不相同。按照其工作原理，现代测角方法可分为电学方法、光栅方法（此方法应用较广，因此从光学方法中分离出来单独介绍）、光电编码器方法、光学方法和电磁方法等五大类。1.3 本课题的国内外的研究现状与发展旋转变压器的角度测量关键在于数模的转换过程，现在大部分以RDC /SDC作为其转换器件。自上世纪70年代,以完成特定功能的电子模块产品出现以来, RDC /SDC作为旋转变压器、自整角机到数字角度的转换器件,主要有5大类产品:塑壳封装分立元件模块、单芯片RDC、SMT工艺集成模块、混合集成模块、数字化单芯片RDC。目前,国外市场第1代产品基本被混合集成模块、单芯片RDC取代,数字化单芯片转换器是近年才推出的基于高速低成本方案,主要定位民用和工业领域。国内方面,第1代模块的市场趋于萎缩, SMT工艺集成模块、混合集成模块及其兼容产品逐渐占据市场主导地位,近年发展起来的双速组合型模块占据部分市场。1、 国外技术发展：在国外RDC /SDC产品已非常成熟,混合集成模块、单芯片RDC、数字化单芯片RDC占据了绝大部分市场。综合分析看来, 国外RDC /SDC发展主要有以下几个方向:(1)数字化单片RDC的研究。数字化单片RDC的出现,使得RDC /SDC器件研究进入一个全新的时代,低成本、高精度、高可靠性、丰富接口功能是数字化单片RDC的发展方向。(2)高精度角度测量。NI公司因其在高精度角度模拟和角度测量的优势,逐步将高精度测角仪器独立成为一个发展方向。(3)单片RDC的二次开发。CSI、CCC、FTT等公司由于受到芯片研究的制约,基本放弃了RDC /SDC器件的发展。CSI和CCC公司为了生存,发展了SMT工艺的小型化模块、单片式双速组合模块等新型的转换器件。2、 国内技术发展国内RDC /SDC器件由于起步较晚,微电子特别是芯片技术基础薄弱,器件在技术、工艺和应用技术方面都比国外落后。国内RDC /SDC器件还主要处于单芯片RDC的二次开发应用阶段,单芯片RDC产品还是空白。国内RDC /SDC产品的发展,主要基于以下几个方面:(1)单芯片RDC的二次开发。单芯片RDC二次开发是目前国内RDC /SDC产品的主要技术工艺途径。围绕单芯片RDC开发的兼容混合集成模块、小型化模块、单块式双速组合模块仍然是国内市场的主流需求，并实现从单一模数转换到智能转换接口的转化。(2)单芯片RDC研究。单芯片研究是国内RDC /SDC器件需要突破的技术瓶颈,只有通过努力实现单芯片RDC产品的国产化,才能从目前被动的技术状态中走出来,实现下一步的发展。(3)基于高速AD和DSP技术的转换技术研究。国内企业在没有经历单芯片RDC这一过程的情况下,实现数字化转换芯片研究难度非常大。依托高速AD、DSP技术进行数字化转换基础理论和数字化模块研究应当成为一个重要途径。(4)高精度角度测量。高精度角度测量存在很大的国内市场,国外公司的垄断和高昂的价格给了国内企业发展的机遇。目前,国外AD公司、DDC公司相继放弃该方向的研究,NI公司独领市场。(5)系列化总线接口板卡。总线接口板卡是RDC /SDC器件的最终应用,标准化的总线接口板卡一方面方便用户使用,同时也扩展了厂商RDC /SDC产品线,是RDC/SDC器件制造厂商从单一模块产品到插件级产品实现结构调整的途径。轴角数字变换在经历了近30年的发展以后,无论国内还是国外,在技术、工艺和市场方面,都出现了很大的变化。轴角数字变换是现实中诸多自动控制系统或装置与数字化系统之间的桥梁,是现代军民自动控制领域的关键技术之一。掌握关键技术并拥有自主知识产权,必须建立自己的研发制造中心。在提高国内轴角数字变换技术和产品水平的同时,改变对国外关键器件和核心技术的依赖程度,同时也为国内专用器件、系统研究开辟新的方向。1.4 本课题的研究内容及要求 角位移测量作为几何量测量的一个组成部分，在国防经济以及国民建设中起着重要作用。该设计要求实现以旋转变压器为角位移传感器的高精度测角系统，并能满足多种测角场合下对于角度量的实时采集与处理。 本文首先根据课题研究背景、目的和意义，介绍了国内外角位移测量技术现状，以此为切入点，通过分析比较选用旋转变压器跟踪型轴角转换芯片DSP的轴角测量解决方案。通过对其中各关键技术的研究，完成了系统的硬件和软件流程设计，通过调试，电路性能达到了设计要求。完成工作如下：(1) 掌握旋转变压器的工作原理；(2) 掌握旋转变压器的解算芯片并熟悉其工作原理；(3) 单片机控制系统设计；(4) 单片机C语言的程序开发；(5) 设计电路原理图。2 系统设计方案及原理分析2.1 引言 本章阐述了旋转变压器的分类、结构和发展特点；详细分析了旋转变压器的工作原理，并确定了其的类型和型号；选择了合适本课题的转换器；对目前存在的几种解算方法进行比较，最终确定了采用具有跟踪伺服功能的AD2S83作为测角系统的解算单元；选择了适宜电机控制用的DSPTMS320LF2407A作系统的主控单元，实现了角位移测量系统设计的最优控制策略。本章最后给出了总体设计方案，对系统的硬件组成进行了说明。2.2 测角系统的性能指标 根据课题要求，测角系统需要实时地获取被测物体0360范围内的绝对角位置，同时将角位置数据送到上位计算机，供上位机显示并作分析之用。测角系统的技术指标：1.测角范围：03602.测角分辨率：360/216（19.8）3.精度：34.最大跟踪速度：16rps2.3 旋转变压器的介绍2.3.1 旋转变压器概念、结构与分类旋转变压器和光电编码器是目前伺服领域应用最广的测量元件，它们都有着自己各自的特点。光电编码器特点是直接以数字信号输出，处理电路简单，噪声容限大，容易提高分辨率，但是不耐冲击，不耐高温，易受辐射干扰，因此不宜用在军事和太空领域。旋转变压器的特点是模拟输出，无需维护，使用可靠，寿命长，耐油污，温度范围大，抗冲击，抗辐射，本身有隔离作用，能抑制电信号的共模干扰。旋转变压器与增量式光电编码器相比还有着以下显著的优点：旋转变压器在一圈内测得的是绝对位置,而增量式光电码盘测的是相对位置,增量式光电码盘的这种缺陷当用于位置伺服系统时,由于电机刚开始运行时的转子测量位置是不确定的,需要一个“找零”的过程才能得到转子的实际位置。增量式光电编码器转动时输出脉冲，通过CPU计数来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，否则计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有报错后才能知道。比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到传动马达响声，这就是CPU在找参考零点，然后才工作。这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），因此相比之下，测量绝对位置的旋转变压器和绝对式光电编码器在这方面应用就有一定的优势。旋转变压器与绝对式光电编码器都是测量的绝对位置，相比较而言，旋转变压器能在一些比较恶劣的环境条件下工作，但是有着电磁干扰敏感以及解码复杂的缺点。而光电编码器精度高，抗干扰能力强，接口简单，使用方便，但是价格比旋转变压器昂贵很多。 由于旋变以上特点，所以被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天等领域。 旋转变压器（resolver）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由锭子和转子组成。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号；在解算装置中可作为函数的解算之用，故也称为解算器。旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的锭子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两队磁极。实际上是一种具有次级旋转绕组的变压器，能够利用转子的转动，改变定子激磁绕组与转子输出绕组之间的耦合关系，最终将机械角位移转换成与转子转角呈一定函数关系的电信号。按输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变压器主要分成三大类：正-余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器。根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器（如图1和图2所示）。旋转变压器的励磁电压频率常用400Hz、500Hz、1000Hz以及5000Hz等几种。为使旋转变压器结构尺寸和转子惯性矩减小，可采用较高的励滋电压频率。由于旋转变压器根据其设计和接法的不同可以完成多种不同的功能，加上它的精度较高，工作可靠，目前已大量使用在飞机方位和距离的自动解算系统、远距同步传输系统和雷达指挥仪等方面，在民用工业的自动控制系统中也大量使用。在这些系统中用它来进行解算、数据的远距传输和作为移相器、坐标变换器等。图1有刷式旋转变压器图2无刷式旋转变压器 为了满足设计指标中360整周角的测量，文中设计最终确定选用具有无刷结构的日本多摩川公司生产的TS2142N1E63型正余弦旋转变压器。具体参数如下:温度范围：-55155振动：196m/s2（20G）10500Hz冲击：981 m/s2（100G）10ms湿度：90% Rh Min.at60转速：100500RPS2.3.2 旋转变压器的发展及特点早期的旋转变压器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之一。其输出，是随转子转角作某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线性等。60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。随着电子技术和数字计算技术的发展，数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度的提高，元器件的价格大大下降。另外，旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠，价格也大大下降。而且，又出现了软件解码的信号处理，使得信号处理问题变得更加灵活、方便。这样，旋转变压器的应用得到了更大的发展，其优点得到了更大的体现。其优点表现为：无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力；可以运行在更高的转速下。（在输出12 bit的信号下，允许电动机的转速可达60,000rpm。）；方便的绝对值信号数据输出。2.3.3 旋转变压器的工作原理旋转变压器是自动控制系统中一种精密控制微电机。其原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。其工作原理如下图。图3 旋转变压器的工作原理图 综上所述，为了满足设计指标中360整周角的测量，文中设计最终确定选用具有无刷结构的正余弦旋转变压器。 当在旋转变压器定子绕组上加入参考电压 U=Vcost （2.1）设此时被测体旋转角度为（即旋转变压器模拟轴角位置为），得到旋转 变压器的正余弦信号输出为： Us=KVcostsin Uc=KVcostcos （2.2）其中V是励磁电压幅值，K是旋转变压器的变比系数。2.4 旋转变压器的应用 旋转变压器的应用，近期发展很快。除了军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。尤其是这些年来，随着工业自动化水平的提高，节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用越来越广泛。而永磁交流电动机的位置传感器迅速地被旋转变压器代替。例如，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。还有电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。2.5 转换器的选用本课题需要设计相应的信号转换电路或者使用专用的旋转变压器数字转换器来实现，经查阅资料选用美国AD公司的旋转变压器数字转换器AD2S83，它是一种跟踪式旋转变压器数字转换器（RD转换器）。是美国AD公司推出的以BiMOS II工艺制造的，将先进的CMOS逻辑电路与高精度双极线性电路相结合的单片集成电路。其特点为：（1） 允许用户自己选择适合的的分辨率。AD2S83提供有10位、12位、14位或16位的分辨率，用户可根据需要，通过外围器件的不同连接选用不同的分辨率。（2） 通过三态输出引脚输出并行的二进制码来表征位置信息，因而很容易与单片机或DSP等控制芯片接口。（3） 采用比率跟踪转换方式，使之能连续输出位置数据而没有转换延迟并具有较强的抗干扰能力和远距离传输能力。（4） 用户可通过外围阻容元件的选择，改变转换的动态性能，如带宽、最大跟踪速率等。（5） 具有很高的最大跟踪速度，10位分辨率时的最大跟踪速度为1040转秒。（6） 能提供高精度的速度信号输出。AD2S83能提供与转速成正比的模拟信号，其典型的线性度达到1，回差小于0 .3%，可代替测速发电机的功能。由此可见，采用AD2S83不到可以将旋转变压器输出的模拟位置信号转换成数字位置信号，而且同时还可以同时得到高精度的速度信号，能够很好的满足数字式交流伺服系统中对交流电机的位置及速度反馈信号的要求。本课题采用一种基于二阶伺服原理的数字转换电路，其可以与旋转变压器在很宽的温度、湿度、振动和冲击环境下正常工作，使得旋转变压器充分发挥它的作用。2.6 方案的选择 旋转变压器输出的含有轴角量的模拟信号，需经过一定电子电路进行处理变换，才能形成与计算机接口需要的数字轴角量数据。现在流行的旋转变压器数字转换器主要采用RC相移法、实时三角函数发生器法、AD转换器和P解调法以及跟踪变换法等四种解调方案。2.6.1 RC相移法该方法包括单RC相移法和双RC相移法。其工作原理基本相同：A点电压VA与sin和cos信号的相位漂移成正比，当RC=1时（2f，f为载波参考频率）。如图4所示，A点对地的电压与参考波形电压的相移正好为-，其中，为轴角信号，为转子相位朝前于定子相位而产生的相位差，0，计数器累加；当误差信号小于零，即0，计数器递减，以此改变计数器的频率和计数方向。由于整个系统是跟踪补偿系统，最终会使得sin(-)=0，即=，完成模拟角到TTL电平输出数字角的转换。过程如第二章图7所示。3.4.2 AD2S83的外围参数的选择 使用AD2S83时，+Vs和-Vs引脚分别接直流稳压电源的+12V和-12V电压，要求在+Vs和-Vs电源线和模拟地（ANALOG GROUND）二者之间分别接去耦电容，去耦电容分别用一个陶瓷电容（典型值0.1uF）和一个钽电容（典型值10uF）并联而成。在+5V引脚和数字地（DIGITAL GROUND）之间也应连接去耦电容，该去耦电容同样由0.1uF的陶瓷电容和10uF的钽电容并联组成。SIN和COS引脚分别接经调理过的旋变SIN和COS信号的高端，而分解器的SIN和COS信号的低端分别接到信号地（SIGNALGND）引脚上，这样可以消除测量误差。DATA LOAD引脚是加载数据的控制端，当逻辑低时，16位可逆计数器DB1DB16输人数据，逻辑高时，DB1DB16输出数据。SC1和SC2是AD2S83输出数据分辨率的控制端，SC1和SC2的电平逻辑与分辨率关系如表1所示。其中各电阻和电容的值是在参考频率为5kHz，带宽为520Hz，最大跟踪速度为260rps的情况下算出的。SC1SC2分辨率（位数）0010011210141116表1 SC1和SC2的电平逻辑与分辨率关系3.4.3 AD2S83的外围电路设计 旋转变压器只能输出模拟信号，要实现与DSP的接口，必须经过AD2S83这一特殊的模/数转换器。将AD2S83按照图12的方式进行连接，便可构成一个二阶跟踪测角伺服电路，能够连续输出数字量角位信号。表2为芯片AD2S83的引脚功能描述。引脚号名称功能1DEMOD O/P解调器输出2REFERENCE I/P参考信号输入3AC ERROR O/P比率乘法器输出4COS余弦信号输入5ANALOG GND电源地6SIGNAL GND旋变信号地7SIN正弦信号输入8+VS正电源1025DB1DB16并行数据输出26+VL逻辑电源27/ENABLE逻辑高-数据输出脚呈高阻状态逻辑低-数据脚输出有效数据28BYTE SELECT逻辑高-最高有效位送DB1DB8逻辑低-最低有效位送DB1DB830/INHIBIT逻辑低禁止向输出锁存器送数据31DIGITAL GND数字地32,33SC2SC1选择转换器分辨率34/DATA LOAD逻辑低-DB1DB16为输入逻辑高-DB1DB16为输出35/COMPLEMENT低电平有效36BUSY转换忙信号，高电平时数据无效37DIRECTION表示输入信号旋转方向的逻辑值38RIPPLE CLOCK正脉冲表示输出数据从全1变到全0或相反39-VS负电源40VCO I/P压控振荡器输入41VCO O/P压控振荡器输出42INTEGRTOR O/P积分器输出43INTEGRTOR I/P积分器输入44DEMOD I/P解调器输入表2 AD2S83芯片引脚功能描述图12 AD2S83 芯片外围电路的典型配置图3.5 AD2S83与TMS320LF2407A接口电路的设计3.5.1 常规接口设计按常规把AD2S83作为DSP的一个外设，不论AD2S83芯片的内部出于什么状态，当DSP需要读入位置信号时，就通过其I/O口向AD2S83芯片的INHIBIT引脚施加低电平信号，从而阻止了所存器的刷新，等待一段时间后便可读出数据。这种方式下的读取数据时序图如图13所示。 INHIBIT t9 VL ENABLE VL t10 VL DATA VZ t11 VH T9=490nm图13 读取数据时序图 由上图可知，在这种方式下，DSP向INHIBIT引脚施加低电信号后，必须等待T9=490nm，才能读入有效数据。这对于指令周期只有50nm的DSP来说，需要等待近10个指令周期，这对于实时控制系统来说是难以接受的，而且这样做还需要增加较为复杂的硬件等待电路。3.5.2 直接读取数据的接口设计 由于常规的接口设计不但需要较长的等待时间，而且需要增加外围硬件电路，我们采用了直接读取数据的接口设计方案。在这种方案中我们舍弃了上述方案中利用芯片内部的三态门直接与DSP数据总线接口的方法，因为在这种方案中，时延的产生与三态门的数据稳定时间有密切关系。因此我们在所采用的方案中将芯片的有关引脚接到适当的电平上，使芯片内部的三态门始终处于通态，三态门与DSP数据总线两者之间通过两片74AC245连接起来，这样，当DSP需要读入位置信号时，就可以通过74AC245来直接读取了，从而大大减少了读取数据的等待时间，提高了伺服控制系统的实时性。其接口原理图如图14所示。 在这种方案中，当需要读取位置数据时，DSP首先不断的查询BUSY信号，当BUSY信号变为低电平时，就从74AC245中直接读取数据即可。这种情况下，查询BUSY信号的最大等待时间大大减少只需200ns，这种方案与常规方案相比，不但明显减少了读取数据的等待时间（至少减少一半多）而且在硬件上用两片廉价的74AC245取代了复杂的等待电路，因此采用此方案。 R/W CS M EN1A 1B AC2458A 8B1A 1B AC2458A 8B M ENDB0 DSPDB15 I/OENABLE DB0 AD2S83INHIBIT DB15 +5V R/W CS 图14 直接数据读取接口原理示意图3.5.3 两种法方案的误差分析采用直接数据读取的接口方案，其最大误差主要取决于以下两者的最大值：(1) 当DSP读取数据时，BUSY信号正好为低电平，此时误差取决于所采用的AD2S83的分辨率。由于我们采用的分辨率为12位，所以误差角为： 1=3600o/212=0.0879o （3.3）(2) 当DSP读取数据时，BUSY信号正好为高电平，此时误差取决于等待时间和电机的转速。在我们所设计的伺服控制系统中，电机的额定转速是6200rpm，电机的对数是2，等待时间为200ns，可算出最大的电气误差角为： 2=0.210-6（6200/60）360o2=0.0149o （3.4）由此可见，最大的电气误差角也不超过0.0879o，这样的误差可以完全忽略。在本课题中所设计的基于DSP的数字式伺服控制系统中，采用了这种直接读取数据的接口方案。实践证明，这种方案能够实时地读取位置信息，而且接口简单，是可行的。3.6 单片机控制电路的设计3.6.1 控制单元TMS320LF2407A介绍 数字信号处理器（DSP）已经发展了20多年，最初仅在信号处理领域内应用。近年来，随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。 TMS320LF2407A是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体，在数字控制系统中得以广泛应用。 DSP是系统的核心控制部件，我们利用TMS320LF2407A来实现对AD2S83的配置及工作管理。TI公司的TMS320LF24x系列是专门为控制应用和数字运动控制领域设计的DSP控制器。TMS320LF2407A芯片作为DSP控制器24x一族TMS320LF24x系列的新成员，是TMS320LF2000平台下的一种定点DSP芯片，集多种先进外设于一身，形成了真正的单芯片控制器。2407A除具有TMS320系列DSP的基本功能，还具有以下一些特点：1. 由于采用了高性能的静态CMOS制造技术，因此该DSP具有低功耗和高速度的特点。2. 由于采用了TMS320C2xx DSP的内核，因此保证了与TMS320C24x系列DSP的代码兼容性。3.提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64K字I/O能力。4.16通道10位A/D转换器，具有可编程自动排序功能，4个启动A/D转换的触发源，最快A/D转换时间为375ns。5.32位累加器和32位中央算术逻辑单元(CALU)；16位16位并行乘法器；可实现单指令周期的乘法运算；5个外部中断。6. 很宽的工作温度范围。普通级：-4085；特殊级：-40125。3.6.2 TMS320LF2407A片内集成外设 TMS320LF2407A片内集成了丰富的外设，大大减少了系统设计的元器件数量。（1） 串行通信口。TMS320LF2407A设有一个异步串行外设通信口（SCI）和一个同步串行外设通讯口（SPI），用于与上位机、外设及多处理器之间的通信。SCI即通用异步收发器（UART）支持 RS232和RS485的工业标准全双工通信模式，用来与上位机的通信；SPI可用于同步数据通信，典型应用包括TMS320LF2407A之间构成多机系统和外部I/O扩展，如显示驱动。（2） A/D转换模块。包括两个带采样/保持的各8路10位A/D转换器，具有自动排序能力，一次可执行最多16个通道的自动转换，可工作在8个自动转换的双排序器工作方式或一组16个自动转换通道的单排序器工作方式。A/D转换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即启动等三种方式。（3） 控制器区域网（CAN）。是现场总线的一种，主要用于各种设备的监测及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制器模块是一个16位的外设模块，该模块完全支持CAN2.0B协议，6个邮箱(其中0、1用于接收；4、5用于发送；2、3可配置为接收或发送)每次可以传送08个字节的数据，具有可编程的局部接收屏蔽、位传输速率、中断方案和总线唤醒事件、超强的错误诊断、自动错误重发和远程请求回应、支持自测试模式等功能。（4） 锁相环电路（PLL）和等待状态发生器。前者用于实现时钟选项；后者可通过软件编程产生用于用户需要的等待周期，以配合外围低速器件的使用。（5） 看门狗定时器与实时中断定时器。均为8位增量计数器，前者用于监控系统软件和硬件工作，在CPU出错时产生复位信号；后者用于产生周期性的中断请求。（6） 外部存储器接口。可扩展为192K字16位的最大可寻址存储器空间（64K字程序存储器、 64K字数据存储器、64K字I/O空间）。（7） 数字I/O。TMS320LF2407A有40个通用、双向的数字I/O引脚，其中大多数都是基本功能和一般I/O复用引脚。（8） JTAG接口。由于TMS320LF2407A结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等原因，传统的并行仿真方式已不适合于TMS320LF2407A的开发应用。TMS320LF2407A 具有符合IEEE1149.1规范的5线JTAG（边界扫描逻辑）串行仿真接口。（9） 外部中断。有五个外部中断（功率驱动保护、复位、不可屏蔽中断NMI及两个可屏蔽中断）。3.6.3 TMS320LF2407A与PC机间的串行通信硬件接口电路 旋转变压器解码系统通过一个串口与外部进行通信，FPGA内部定制的异步串口宏模块在芯片上的输出引脚的电平逻辑“0”为0V，电平逻辑为“1”时为3.3V。 由于PC机的串行口都是RS-232的标准接口，而2407A在通讯上却采用的是TTL电平。因此在PC机与2407A的通讯中，存在着电平转换问题，为了解决这个问题，我们采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX232，结构下图所示。RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内。 图15 MAXS232的结构 这种芯片可以实现TTL电平与RS-232接口电平之间的转换，也就是说可将以5V电平表示“1”、0V电平表示“0”、-3-15V的电平表示“1”、+3+15V电平表示“0”。另外，TMS320LF2407采用的是3.3V供电，在MAX232与TMS320LF2407之间应该设有匹配电路，系统采用了1个二极管（1N5819）和3个电阻进行电平转换。整个接口电路简单，可靠性高。硬件电路图下图所示。 图16 2407A与PC机的串行通讯接口电路3.7 本章小结 本章重点介绍了角度测量模块的工作原理和基本构成，根据系统的功能和结构，将其分成励磁电压单元、角位测量及数据转换单元、AD2S83与2407A接口功能单元、主控单元和RS-232数据通信单元等部分，并对各部分电路设计及工作原理进行了比较详细的介绍。 4 系统软件设计4.1 引言上一章我们介绍了有关硬件系统的设计，有了硬件系统的支持，我们就可以进行软件的设计了。下面我们将设计各系统的工作流程。TI公司提供的DSP软件开发环境为CCS。CCS是Code Composer Studio的缩写，即代码设计工作室。它是TI公司推出的集成可视化DSP软件开发工具。在实际的运用中，要完成2407A与上位机的通信，还要对2407A中有关串行通信控制字和标志寄存器进行正确的设置。在上位机与2407A构成的通信中，软件是整个系统的重要部分，具有可模块化的特点，经过模块化以后的具有更好的可读性和通用性，在设计过程中将整个软件设计划分为以下几个模块：主程序、串口初始化、数据发送、数据接收等。主程序在整个软件设计的过程中是一个相当关键的部分，主程序除了完成对2407A进行系统初始化和设计系统的应用功能以外更重要的是将各个子程序有机的结合在一起，对子程序进行管理和控制，并且为子程序提供相应的程序入口，从而实现整个系统的功能。串口初始化程序完成对串行通信的基本的设置，只要包括设置通信的波特率、有无校验位、设置通信协议、开串口以及中断等。接收和发送子程序则是完成数据的接收和发送。系统运行从主程序开始，执行自己相应的程序，实现用户的预定功能，在不产生串行中断请求的时候是不处理串行通信程序的，一旦产生串行中断请求，则转去处理串行通信子程序，从而完成一次数据的接收和发送，串行通信结束，程序返回。4.2 TMS320LF2407A的中断机制 2407A程序设计中使用了XINT1外部中断、定时器T1周期中断、SCI接收中断等多种中断源。2407A中断机制非常特殊，成两级结构：第一级为CPU内部的中断请求INT1INT6，第二级为系统高层中断。内部中断INT1INT6由CPU的中断寄存器来管理。中断寄存器包括中断标志寄存器IFR和中断屏蔽寄存器IMR。若允许CPU响应可屏蔽中断INTx(x=1，2，3，4，5，6)，则会在中断标志寄存器IFR中的INTx位置1，表明正在等待CPU响应。2407A控制器给每个中断分配了一个特定的入口地址，称为中断向量。当某个中断没有被屏蔽，它发出请求时，CPU先将当前的PC加1压入堆栈，然后，CPU自动地将该请求中断的向量地址送入PC，CPU便转入该请求中断的通用服务程序。另外，2407A控制器给每一个外设中断分配了一个偏移向量地址，当某个外设中断发出了请求信号，会自动地将该中断的偏移地址写入到外设中断向量寄存器（PIVR）中。这样一来，在进入到了CPU内核中的通用服务程序中，读取外设中断向量寄存器PIVR中的内容再加相应的偏移量，就可以转入到专为某个外设中断所写的中断服务子程序的入口上。在外设配置寄存器中，对每一个外设中断的请求都有一个对应的使能位和中断标志位。将中断允许寄存器的相应位写1则允许相应的中断，写0则会禁止相应的中断，复位时寄存器为0。4.3 SCI模块功能介绍2407A提供了串行通讯接口SCI模块，支持CPU与其他使用标准NRZ格式的异步外设之间的数字通信。SCI接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有它自己单独的使能和中断标志位，两者都可独立工作，或者在全双工的方式下同时工作。SCI模块通过SCIRXD引脚接收数据，通过SCITXD引脚发送数据，在不使用SCI模块的时候，这两个引脚可以被配置为通用I/O口。为确保数据的完整，SCI对接受到的数据进行间断检测、奇偶校验、超时和帧出错校验。通过一个16位的波特率选择寄存器，数据传输的速度可以被编程为65535种不同的方式，在40MHz的CPU时钟方式下，波特率范围从76bps到1875kbps。无论接收还是发送，SCI接口模块的数据都采用NRZ格式。NRZ数据格式包括一个起始位，（18）位可编程选择的数据位，可选择的奇/偶/无校验位，（12）个停止位。2407A的SCI通信模块有两种多处理器协议，即空闲线路多处理器模式和地址多处理器模式。这些协议允许在多个处理器之间进行有效的数据传输。空闲线模式在一帧之后，以十个或者更多的高电平位的空闲时间表明一个新块的开始；在地址位多处理器模式下包括一个地址/数据位，它紧随在最后的数据位之后，地址帧中该位设置为1，数据帧中为0。4.4 系统主程序控制系统主程序流程图如图17所示。主程序主要完成对2407A以及AD2S83的初始化工作，初始化完成以后，程序进入中断等待。开机后系统进行初始化，在I/O复用控制寄存器中设置IOPB07、IOPC25为一般的数字I/O口，并将它们设置为输入、输出功能，以使2407A可以对AD2S83进行配置并控制其工作过程。允许外中断XINT1与XINT2、定时器T1周期中断和SCI接收中断：一旦2407A捕获到AD2S83的RIPPLE CLK信号有效，即触发外中断XINT1，并结合DIR信号以确定当前角度输出值；通过改变定时器T1周期寄存器的值，可以改变2407A对角度数据定时采集的时间间隔；SCI接收中断接收上位机发出的命令并负责解释、执行。开始 系统初始化子程序SCI通信初始化子程序GPLO初始化及AD2S83工作状态配置子程序定时器T1周期中断初始化子程序允许外中断XINT1、定时器T1周期中断和SCI接收中断开总中断中断等待图17 主程序流程图 由图16可以看出，控制软件将所有应用模块的初始化部分都以子程序的形式表示，这样作的目的是可以使程序结构模块化、结构清晰、便于软件修改和软件升级。4.5 测角系统自检子程序 一旦测角开始，PC机首先向2407A发送自检指令，当2407A收到自检指令后，它首先检测AD2S99的LOS信号，如果LOS信号为高，证明SIN或COS信号不良或脱落，并置校验字的第1个字节VERIFY_AD2S99为0FFFFH，然后再向AD2S83中写入数据0000H，等待2S后读AD2S83计数器的值；如果值发生改变，证明AD2S83内部工作正常，否则重置AD2S83计数器为0FFFFH，同样等待2S后读AD2S83计数器的值；如果计数器数值仍未改变，则置校验字的第2个字节VERIFY_AD2S83为0FFFFH。至此，校验完毕，向PC机发送校验结果。流程图如下:下位机系统校验子程序入口置DATALOAD为低，数据进入AD2S83内部计数器延时100ns使数据稳定检测LOS信号是否为高 N置INHIBIT为高，ENABLE为低，DATALOAD为高，使AD2S83处于正常工作状态 Y校验字第1个字节的错误标志置为0FFFH校验字第1个字节的错误标志清零为0000H延时2s后读AD2S83数据AD2S83读取值=写入值否？AD2S83校验大于1次否？置INHIBIT为低，禁止计数器刷新，ENABLE为高，使AD2S83数据口为高阻 Y 是否首次验证AD2S83校验字第2个字节的错误标志清零为0000H N N校验字第1个字节的错误标志置位为0FFFH将O000H送至AD2S83数据引脚将OFFFH送至AD2S83数据引脚 Y添加必要的帧头，校验和标志后向PC机发送校验结果结束图18 测角系统自检子程序4.6 测角系统SCI接收中断程序SCI接收中断程序负责接收上位PC机发来的指令，每一帧接收完毕，下位测角系统首先回复上位机，确认命令已正确接收，然后翻译此命令，转移到相应的子程序处执行。该程序具有帧错检验功能，能够有效杜绝因干扰等各种原因引起的丢帧、数据错等问题。程序流程如图19所示。读数据=55H否？SCI通信中断入口 Y前数据=AAH否？ 保存上下文环境 N N 数据接收累加单元SCI RX NUM 加1 置数据累加单元SCI RX NUM=2读取、保存被接收数据数据接收累加单元SCI RX NUM=6否？ N是否存在校验和错误？ Y调数据发送子程序，请求PC机重发指令清数据接收累加单元，使SCI RX NUM=0调数据发送子程序，向PC机发送命令确认回复翻译指令，并跳转到相应的子程序处执行恢复上下文环境开中断中断返回图19 SCI接收中断程序4.7 角位移数据采集程序 当2407A接收到PC机发出的采集指令后，2407A保存采集指令，然后2407测角系统就进入角位数据采集子程序。接下来，2407A需要根据保存的采集指令进行判断：如果是连续采集，则进行程序循环，读取下一组数据；如果是指令采集，则直接返回调用程序。其程序流程见图20。连续采集子程序入口置74HC123的控制端为低电平，禁止锁存器数据刷新计算检验和以生成检验和位置74ACT16373数据输出允许OE为低，允许数据输出到2407A数据总线调用发送子程序向PC发送角度数据2407读取角位移数据是否连续采集指令？对角位数据进行滤波补偿，并将该数据的高低字节分别保存至DATA_H和DATA_L单元 N是否收到停止采集指令？ Y置74ACT16373的OE端为高，为刷新数据做准备 N Y 返回置74HC123的B控制端为高，允许锁存器数据刷新 图20 角位数据采集子程序4.8 PC机显示、控制程序从图21可以看出，上位机测量系统的通用架构一般由RS-232串行通信配置、系统对下位机执行自检、角位数据读取和数据显示方式等四部分构成。主程序主界面t图t当2407A接收到PC机发出的采集指令后，2407A保存采集指令