摘 要： 介紹了一種用于雷達伺服分機的軸角編碼系統(tǒng)方案。在闡明旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理后，主要描述了軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD2S1210的外圍電路、激磁信號驅(qū)動電路、芯片與DSP的接口設(shè)計、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)以及軟件流程。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于成都信息工程學(xué)院雷達系統(tǒng)研究室的WXR-MD-10型多普勒天氣雷達伺服分機，以及民航西南空管局氣象雷達伺服系統(tǒng)備機。

　　關(guān)鍵詞： 雷達伺服分機；軸角編碼；旋轉(zhuǎn)變壓器；AD2S1210

0 引言

　　雷達伺服分機主要用于對雷達天線進行精確控制、目標(biāo)跟蹤和指示。在執(zhí)行這些任務(wù)時，需要實時地獲取天線的角度信息，從而實現(xiàn)伺服電機的閉環(huán)控制。將雷達的天線角度——方位角和俯仰角這兩個機械量變換為數(shù)碼形式，這一過程稱為軸角編碼[1]。旋轉(zhuǎn)變壓器（后面簡稱旋變）作為一種軸角傳感器，具有精度較高、穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在雷達、汽車、精密機床等領(lǐng)域。但是旋變得到的是模擬電壓信號，需要軸角編碼為數(shù)字信號才能被處理器使用。軸角編碼主要有兩種方法[2-3]：一是結(jié)合硬件調(diào)理電路，利用處理器運行軸角轉(zhuǎn)換算法計算軸角；另外一種是直接使用軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（RDC）。第一種方法成本低廉、實用性強，但存在轉(zhuǎn)換精度不高、電路復(fù)雜和開發(fā)周期長等缺點。RDC芯片精度較高、外圍電路簡單，現(xiàn)代雷達廣泛采用集成的RDC芯片完成軸角編碼。目前美國AD公司、日本多摩川公司和國內(nèi)中船重工716所等都有相應(yīng)的RDC產(chǎn)品。本文基于AD公司新型RDC芯片AD2S1210和TI公司TMS320LF2407A DSP，研究設(shè)計了一套用于雷達伺服分機的軸角編碼系統(tǒng)。

1 旋變的工作原理

　　旋變由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子有兩個相互正交的繞組，一個是激勵繞組R1R2，由激勵源提供激磁信號；另外一個是補償繞組R3R4，用于避免干擾兩端短接。定子同樣有兩個相互正交的繞組，繞組S1S2、S3S4與轉(zhuǎn)子R1R2激磁信號分別正比于軸角的正弦和余弦，即[4]：

　　其中，θ為軸角，uR為激磁信號。

　　本方案中選用的是上海贏雙電機有限公司生產(chǎn)的51XFW975型旋變，其變比為0.5，激磁頻率為2 kHz（經(jīng)過產(chǎn)方調(diào)整），激磁電壓最大為7 V峰峰值[5]。

2 軸角編碼系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　2.1 RDC芯片外圍及激磁驅(qū)動電路

　　AD公司的集成RDC芯片AD2S1210，是一款完整的10~16位分辨率RDC，片上集成了可編程的正弦波振蕩器，能夠為旋變提供所需的激磁信號。芯片的正、余弦信號輸入端允許2.3~4.0 Vpp，正弦波振蕩器輸出激磁信號頻率為2 kHz~20 kHz。內(nèi)部有一個Type II數(shù)字伺服跟蹤環(huán)路負責(zé)跟蹤輸入的正、余弦信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字的位置和速度字[6]。

　　AD2S1210的外圍電路如圖1所示。芯片共需要3組電源，即模擬電源AVDD +5 V 供電、數(shù)字電源DVDD +5 V供電以及芯片邏輯電源VDRIVE +3.3 V。芯片邏輯電源VDRIVE之所以采用+3.3 V電壓，是為了與TMS320LF2407A的接口電壓相兼容。在制作印制電路板時，將三組電源的濾波退耦合電容盡量靠近芯片管腳擺放。模擬電源和數(shù)字電源地線隔離，最后通過一個0 Ω電阻單點接地。分辨率選擇管腳RES0和RES1接邏輯電壓+3.3 V，選擇16位分辨率。為了盡量減弱外界干擾和隔離地線，旋變兩組定子的正余弦調(diào)制信號分別通過1:1的200 mW音頻隔離變壓器接入芯片。由于正余弦輸入管腳輸入阻抗最小值為485 kΩ，故在隔離變壓器輸出端分別并聯(lián)一個1 kΩ的電阻，從而與隔離變壓器實現(xiàn)阻抗匹配。

　　AD2S1210的激磁信號輸出通常在EXC和/EXC輸出端提供3.6 Vpp正弦信號，將產(chǎn)生一個7.2 Vpp差分信號。本設(shè)計采用的51XFW975型旋變的輸出比為0.5，當(dāng)芯片激磁信號通過單位增益驅(qū)動器加到旋變轉(zhuǎn)子時，旋變兩組定子輸出的幅度約為差分3.6 Vpp。芯片手冊給出的定子的正弦和余弦輸入應(yīng)該滿足2.3～4.0 Vpp。但這畢竟是比較理想的情況，設(shè)計中還應(yīng)該考慮到轉(zhuǎn)子和定子上的隔離音頻變壓器損耗。同時由于裝有旋變的雷達天線一般固定在雷達樓頂端的天線罩內(nèi)，而伺服分機在下方的雷達室，兩者通過一段較長的電纜連接。信號在這段電纜上的損耗也是要考慮的。

　　圖2給出了本設(shè)計的激磁信號驅(qū)動電路。電路包括一級增益放大電路和后級推挽輸出。雙管推挽的輸出為旋變提供電流驅(qū)動，輸出晶體管的靜態(tài)電流較小。第一級增益放大電路采用軌到軌、單電源供電運放AD8664，采用+12 V供電。增益放大分別通過電阻R410和R411、R422和R423設(shè)定。通過一段時間實驗后，R410（R422）、R411（R423）電阻值分別取24 kΩ和10 kΩ，電路的增益為2.4。因為電路采用單電源供電，需要將激磁信號抬升至正電壓范圍。電阻R414和R415設(shè)定運放同相端+3.6 V直流偏置。激磁信號輸出時直流偏置電壓約為+2.5 V。因此，增益放大電路的直流偏置電壓約為+6.2 V。2.2 kΩ電阻為后級推挽電路的二極管提供偏置電路，并確定該側(cè)的靜態(tài)電流。如果輸出驅(qū)動能力不夠且輸出尚未達到飽和，可以適當(dāng)減小該電阻。

　　2.2 RDC芯片和DSP接口設(shè)計

　　AD2S1210的角碼數(shù)字量可以通過16位并行總線或者4線標(biāo)準(zhǔn)SPI獲取。兩種數(shù)據(jù)接口方式通過芯片的串行使能missing image file選擇，高電平為并行總線方式，低電平為SPI串行方式。如圖1所示，本方案選用的是DSP并行總線訪問方式。角碼位置寄存器更新使能missing image file接在DSP的I/O上，在讀取角碼數(shù)據(jù)前觸發(fā)使能刷新角碼位置寄存器。AD2S1210的DB0~DB15接到TMS320LF2407A的16位外部數(shù)據(jù)總線上，片選missing image file接DSP的外部數(shù)據(jù)存儲空間使能missing image file、芯片并行數(shù)據(jù)輸出使能missing image file接DSP的外部數(shù)據(jù)存儲空間讀選通missing image file。這樣將AD2S1210映射到DSP的8000H開始的外部數(shù)據(jù)空間上，讀寫AD2S1210就可以使用數(shù)據(jù)存儲器訪問指令。

　　2.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和信號測試波形

　　圖3所示為WXR-MD-10天氣雷達伺服分機與天線的整體結(jié)構(gòu)圖。圖中左半部分為伺服分機的信號控制部分，其中就包括軸角編碼系統(tǒng)。電路板上連接旋變的6pin插座，使用雙絞屏蔽電纜連接到機箱外殼的航空插座上。為了減弱伺服電機驅(qū)動信號的干擾，電機驅(qū)動信號和軸角編碼信號使用不同的航空插座與電纜分開連接。右半部分為雷達天線，轉(zhuǎn)臺內(nèi)部裝有旋變和無刷伺服電機。圖3中間為線路連接部分，軸角編碼電纜通過長15 m、直徑0.5 mm的雙絞屏蔽電纜連通，電機驅(qū)動電纜使用長15 m、直徑2 mm的屏蔽電纜。前面涉及到的屏蔽電纜，其外層金屬屏蔽網(wǎng)全部接到模擬地線上[7]。

　　整個伺服系統(tǒng)連接好之后通電進行試驗測試。圖4測試的是芯片輸出的激磁信號經(jīng)過驅(qū)動電路放大后，測得的隔離變壓器輸出端的信號。其峰峰值為20.6 V，頻率為2 kHz。圖5為輸入到AD2S1210的正弦調(diào)制信號波形，此時天線固定在某個角度上。正弦調(diào)制信號的峰峰值為3.44 V，正好滿足正弦信號輸入幅度要求。從兩幅圖可知，軸角編碼信號傳輸電纜以及旋變造成的信號衰減還是很大的。

3 軸角編碼系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　圖6是雷達伺服分機的軸角編碼軟件流程圖。系統(tǒng)初始化分配一個I/O口給角碼寄存器，更新使能missing image file、兩個I/O口給模式選擇A1和A0，同時初始化一個定時器中斷。AD2S1210有兩種工作模式：配置模式和普通模式。配置模式主要用于對寄存器進行編程，普通模式主要用于角度數(shù)據(jù)的讀取。在配置激磁頻率、控制寄存器前，需要將模式選擇輸入A1和A0置高。此時芯片處于配置模式。激磁頻率設(shè)置為08H，對應(yīng)2 kHz。控制寄存器設(shè)置為7FH，即鎖相范圍默認±44°、默認使能遲滯、16位編碼器分辨率。拉低模式選擇輸入A1和A0，退出配置模式。

　　一般來說，天氣雷達天線做PPI掃描轉(zhuǎn)速最快為6轉(zhuǎn)/分鐘（0.036°/ms）、天線定位精度≤0.2°[4]。因此沒有必要用查詢的方式讀取角度值，同時也不現(xiàn)實。軟件中使用1 ms定時器中斷讀取軸角位置數(shù)據(jù)，這個定時間隔足夠滿足要求。讀取角度數(shù)據(jù)的TMS320LF2407A，匯編代碼如下所示：

　　LDP #PADATDIR>>7

　　LACC PADATDIR

　　AND #0FFC7H

　　SACL PADATDIR ；使能/SAMPLE下降沿，更新位置寄存器，設(shè)置模式選擇A1和A0為普通模式-位置輸出

　　RPT #24

　　NOP

　　LDP #8000H>>7

　　LACC 0,16 ；AD2S1210在外部RAM地址8000H上

　　LDP #aziposi_buf

　　SACH aziposi_buf ；讀取16位軸角角碼值到緩存

　　LDP #PADATDIR>>7

　　LACC PADATDIR

　　OR #08H

　　SACL PADATDIR ；拉高/SAMPLE，準(zhǔn)備下次更新位置寄存器

4 總結(jié)

　　AD2S1210作為AD公司新一代的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功能強大，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文提出的基于AD2S1210、TMS320LF2407A和51XFW975型旋變的軸角解碼系統(tǒng)，經(jīng)測試能夠可靠地為天氣雷達伺服分機提供天線的軸角信息。采用該方案的WXR-MD-10型多普勒天氣雷達目前運行穩(wěn)定，已經(jīng)成功部署在貴州威寧縣氣象局。在設(shè)計的民航西南空管局天氣雷達伺服備份系統(tǒng)中，證明了該方案可行。

參考文獻

　　[1] 焦中生,沈超玲,張云. 氣象雷達原理[M]. 北京:氣象出版社, 2005.

　　[2] 彭俊峰,姬建偉,宋家友,等. 三種軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的分析與比較[J]. 微計算機信息, 2006(17):8-10.

　　[3] 徐大林,陳建華. 自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字變換技術(shù)及發(fā)展[J]. 測控技術(shù), 2005(10):1-5,10.

　　[4] 何建新,姚振東,馬尚昌,等. 氣象雷達原理與系統(tǒng)[Z]. 成都：成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院, 2010.

　　[5] 上海贏雙電機有限公司. 旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)品手冊[Z]. 2012.

　　[6] Analog Devices Ins. AD2S1210 datasheet[Z]. 2010.

　　[7] 王媛媛,張凱,任占飛. 集成電路的電磁兼容性分析與設(shè)計研究[J]. 微型機與應(yīng)用, 2014,33(7):15-18.