DSP航姿信號模擬器硬件設計

飛機的航向與姿態(tài)是飛機操縱的重要參數(shù)，航姿信號包括航向信號和姿態(tài)信號，一般把飛機的俯仰角、傾斜角、航向角、轉彎角速度等稱為全姿態(tài)。測量全姿態(tài)，通常采用的陀螺儀進行，也稱為陀螺儀表，根據(jù)各種飛機的使用要求，有多種陀螺儀表，比如地平儀、綜合羅盤、轉彎儀、航向姿態(tài)系統(tǒng)等。但是無論哪種情況，其信號輸出的變換大多是通過自整角機或旋轉變壓器來實現(xiàn)的。

航姿信號模擬器是為了給待測的儀表設備或實驗室研究提供可以人工調節(jié)和控制的信號源而設計的，可以產(chǎn)生各種頻率的航姿信號及用戶自己定義的任意波形等，以便對飛機性能進行測試。傳統(tǒng)的航姿信號模擬系統(tǒng)開發(fā)是基于VXI、PCI等總線基礎上，大多使用硬件電路設計與實現(xiàn)，通過PC機進行分析處理，功能相對來說也比較完善，但是電路的結構比較復雜，體積過于龐大，不適合在外場使用，并且傳統(tǒng)的模擬器使用范圍比較局限，就造成了在成本方面有許多的浪費，因此開發(fā)一個新型的、可編程的通用型模擬器是非常有必要的。本文設計的是一種便攜式的航姿信號模擬器，不但體積小攜帶方便，而且處理器采用的是具有高速數(shù)據(jù)計算能力的DSP?？梢詫?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/旋轉變壓器">旋轉變壓器輸出的軸角信號進行預

處理、傳輸、顯示及存儲等。該系統(tǒng)可以廣泛用于航空、航天、雷達和火炮控制等軍用裝備，也可以用于數(shù)控機床和機器人等民用設備中，應用前景廣闊。

1 旋轉變壓器工作原理

旋轉變壓器是自動控制中一種精密的微電機，其輸出信號與轉子角度呈一定的函數(shù)關系，即可以單機運行，也可以成對或多機組合使用。從物理本質看，旋轉變壓器是一種能轉動的變壓器，其原邊、副邊分別放置在定子、轉子上，原、副邊繞組之間的電磁耦合程度與轉子的角度有關，其工作原理在本質上和普通變壓器沒有多大區(qū)別。由于轉子轉動時，其轉出繞組和定子勵磁繞組相對位置發(fā)生變化引起互感變化，使得輸出電壓與轉角成正余弦關系，所以旋轉變壓器又稱正余弦變壓器。旋轉變壓器的工作原理如圖1所示，兩對定子的繞組在空間上正交放置。

當在轉子接線端R1、R2施加頻率為ω激勵信號時，當轉子旋轉時，分別在定子繞組上得到的信號為：

ES1S3=Esin ωt sinθ (1)

ES2S4=Esin ωt cosθ (2)

其中θ是轉子轉過的角度，E是電磁感應的幅值，然后可以根據(jù)它們的相位關系解算出轉子的位置。

2 DSP控制外圍電路設計

本設計選用的核心控制芯片是TMS320F2812，但是必須提供基本的外圍電路才能發(fā)揮核心控制電路的作用。一個典型的DSP最小系統(tǒng)應該包括DSP芯片、還有為DSP芯片提供合適電源的電源電路、觸發(fā)DSP初始化的復位電路、時鐘電路及用于在線仿真和下載的JTAG接口電路。另外由于考慮到需要跟上位機進行通信，完成數(shù)據(jù)和控制信號的傳送，在此基礎上添加了串口通信電路。DSP的基本系統(tǒng)框圖如圖2所示，外擴RAM是用來放置大量的信號數(shù)據(jù)，而外擴FLASH是用來存放控制程序。DSP基本系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1)電源設計

DSP芯片由于采用兩種不同的電壓，內核1.8 V電壓和IO口3.3 V電壓，所以對DSP系統(tǒng)供電時一般都采取雙電源，本設計方案中采用TI公司專門為DSP配套的電源芯片TPS767 D301來提供電源，這款芯片屬于線性DC/DC變換芯片，給TPS767D301提供5 V的直流電源就可以產(chǎn)生滿足F2812的3.3 V和1.8 V的電壓，直接給DSP提供電源，此外這個電源芯片的最大輸出電流可以達到1 A，可以同時給DSP芯片和少量的外圍電路供電。

2)時鐘和復位電路設計

DSP2812芯片的時鐘有兩種引腳連接方式，一種是利用其內部所提供的晶振電路，在其X1/XCLKIN和X2引腳之間連接一晶體來啟動內部振蕩器;另一種是直接將外部的時鐘源直接輸入X1/XCLKIN引腳上，X2引腳懸空，本設計中采用的為第一種方法，如圖3所示。

DSP2812芯片具有鎖相環(huán)時鐘模塊(PLL)，可以輸入時鐘進行倍頻，所以采用30 MHz的外接晶振，經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的150 MHz要求。

由于電源模塊TPS767D301芯片自身能夠產(chǎn)生復位信號，且此復位信號可以直接供DSP芯片使用，所以本設計中沒有設置專門的復位芯片。

3 12SXZ D/A轉換芯片工作原理及其與DSP接口設計

12SXZ轉換芯片由以下幾部分組成：參考變壓器、象限選擇開關、正余弦乘法器、功率放大器、輸出變壓器等五部分。數(shù)字全角量和參考信號輸入經(jīng)正、余弦乘法器之后，被轉換成代表角度的正余弦信號，再經(jīng)功率放大器放大后，具有了1.3VA的負載能力，再經(jīng)輸出變壓器隔離、升壓后，變成自整角機/旋轉變壓器形式的三線、四線模擬信號輸出。模擬輸出的表達式為：

其中等式左邊為輸出電壓，θ為輸入數(shù)字角，K為比例系數(shù)，URH-RL是參考電壓。

轉換器的工作原理框圖如圖4所示。

模擬器的核心是DSP 2812，通過軟件控制能產(chǎn)生所需要的航姿信號，并且系統(tǒng)帶有自檢功能，在系統(tǒng)設計中，DSP控制I/O口直接對12SXZ進行操作，產(chǎn)生模擬信號。上面我們知道DSP有兩種電壓，I/O口的電壓為3.3 V，我們所用到的轉換芯片為TTL電平5 V電壓，考慮到DSP產(chǎn)生信號的驅動能力，首先需要電平轉換，把DSP端口輸出的3.3 V電平轉變?yōu)? V。采用的電平轉換芯片為SN74ALVC164245，此芯片是16路雙向的電平轉換芯片，由引腳DIR控制其轉換方向。轉換芯片SXZ為12位數(shù)度的轉換器，用DSP的數(shù)據(jù)口D0～D11與電平轉換芯片中的12路相連，轉換后的12位電平再與SXZ的12位數(shù)字量輸入端相連，DSP與12SXZ轉換器接口電路如圖5所示。

4 結論

文中介紹了基于DSP技術的航姿信號模擬器的硬件設計電路，該方法克服了傳統(tǒng)模擬技術的結構復雜、精度低、可靠性差等缺點。通過軟件編程能夠實現(xiàn)航向姿態(tài)信號，通過對本模擬器的開發(fā)、調試到應用，使得模擬器具有低功耗低、體積小等優(yōu)點，便于現(xiàn)場調試，可以在多種環(huán)境下使用，能夠在排除飛機故障及維護飛機安全及提高飛行質量等方面會有重大改善。