O 引言
尋北儀在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，它可測(cè)出載體縱軸與真北的夾角，用于為車輛、船舶等載體提供方位基準(zhǔn)。力矩電流發(fā)生器作為尋北儀的重要組成部分，地位極其重要，其作用是將計(jì)算機(jī)輸出的以數(shù)字量形式表示的方位和水平電流值轉(zhuǎn)換成模擬電流，分別輸入陀螺儀方位力矩器和水平力矩器，以產(chǎn)生找北力矩和阻尼力矩，使陀螺儀主軸跟蹤地理子午面的運(yùn)動(dòng)。
1 尋北儀微機(jī)控制系統(tǒng)
圖1給出了尋北儀微機(jī)控制系統(tǒng)的示意圖?？刂朴?jì)算機(jī)完成對(duì)主體儀器的檢測(cè)和控制，同時(shí)負(fù)責(zé)顯示、鍵盤等人機(jī)交互內(nèi)容?？刂朴?jì)算機(jī)通過(guò)串口獲取傾角傳感器姿態(tài)、航向發(fā)送器航向、計(jì)程儀／GPS航速等信息，利用ADT800模塊的A／D部分采集2路加速度計(jì)Az、Ay以及水平信號(hào)器Ey、方位信號(hào)器Ez等信息，定時(shí)解算控制電流并通過(guò)串口向其他設(shè)備發(fā)送航向信息。計(jì)算機(jī)解算得到的控制電流為數(shù)字形式，通過(guò)ADT800模塊的D／A部分輸出代表電流大小的電壓信號(hào)，通過(guò)壓控恒流源轉(zhuǎn)換為電流輸出，輸入到主體儀器的陀螺力矩器中，使陀螺跟蹤地理坐標(biāo)系。
2 力矩電流發(fā)生器硬件電路
2．1 總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)尋北儀總體要求，控制電流有兩路，其中一路控制方位、一路控制水平，輸出控制電流的最大值為80 mA，最小值為0．5 μA，電流精度要求優(yōu)于O．5μA。如果不分檔，要滿足這樣大的范圍和高精度的要求，D／A轉(zhuǎn)換的分辨率應(yīng)為1 LSB=O．5×10-3／80=1／160 000(小于1／217而大于1／218)，故需要18位的D／A轉(zhuǎn)換芯片，并要求有關(guān)電路具有百萬(wàn)分之六的精度。為了降低對(duì)元器件的要求，將輸出電流分為2檔：取精電流的范圍為O～1．25 mA；而粗電流的范圍取為1．25～80 mA。分檔后對(duì)精電流精度的誤差要求為δ=O．5×10-3／1.25=O.000 4。若選取12位的D／A轉(zhuǎn)換芯片，其分辨率為1LSB=1／212=0．000 244，可見(jiàn)能滿足精度要求。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換精度，采用電壓控制的恒流源向負(fù)載(陀螺力矩器線圈)提供電流。由于電流是恒流源，故它不會(huì)受負(fù)載變化以及電源波動(dòng)等因素影響，保證了轉(zhuǎn)換精度。D／A輸出的電壓信號(hào)由計(jì)算機(jī)根據(jù)修正回路控制模型補(bǔ)償各種尋北儀誤差后解算控制輸出。設(shè)計(jì)的力矩電流發(fā)生器原理框圖如圖2所示。
2．2 壓控恒流源
壓控恒流源由運(yùn)算放大器、場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管等組成如圖3所示。恒流源輸出電流IL≈IO=UDACO／RO，與負(fù)載(陀螺力矩器線圈)電阻RL及電源電壓變化無(wú)關(guān)，而只受輸入電壓控制，起到壓控恒流作用。恒流源電路難點(diǎn)在于其精度的提高及實(shí)現(xiàn)，取決于元器件的選擇、印制板的設(shè)計(jì)編排、抗干擾措施的設(shè)計(jì)等因素。為此，運(yùn)放采用低漂移、高精度的OP27，RO采用恒溫性好的精密電阻。因?yàn)槭欠謨蓹n進(jìn)行轉(zhuǎn)換，故當(dāng)進(jìn)行精粗轉(zhuǎn)換時(shí)，只要改變基準(zhǔn)電阻RO的數(shù)值即可，即在基準(zhǔn)電阻RO上并聯(lián)電阻小電阻RO1將精電流轉(zhuǎn)換為粗電流輸出。
2．3 開(kāi)關(guān)電路
開(kāi)關(guān)電路是力矩電流發(fā)生器電路的重要組成部分。恒流源只能輸出單方向的電流，用開(kāi)關(guān)電路可以實(shí)現(xiàn)流人陀螺力矩器線圈的電流方向的改變；同時(shí)，恒流源的輸出電流分粗、精2檔，也要對(duì)其基準(zhǔn)電阻進(jìn)行切換。開(kāi)關(guān)電路的理想程度將對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大的影響，特別是其不對(duì)稱性將造成系統(tǒng)零偏電流，為此要求開(kāi)關(guān)電路有極高的響應(yīng)速度，一般至少在μs量級(jí)。為了提高電流輸出精度采用高速繼電器JRC-10M控制輸出電流的粗、精檔和正、負(fù)極性的轉(zhuǎn)換，由計(jì)算機(jī)通過(guò)控制ADT800的數(shù)字I／O口實(shí)現(xiàn)。由于修正回路修正電流的變化周期長(zhǎng)，繼電器的壽命可以滿足系統(tǒng)要求。開(kāi)關(guān)電路部分原理圖如圖4所示。R2為限流電阻，起保護(hù)作用。RO，RO1分別為粗、精電流控制電阻。PB3(PB5)控制繼電器J1(J3)實(shí)現(xiàn)水平(方位)力矩器電流的極性控制，PB4(PB6)控制繼電器J2(J4)實(shí)現(xiàn)水平(方位)力矩器電流的精粗控制。
2．4 ADT800模塊應(yīng)用
尋北儀中A／D、D／A、數(shù)字I／O功能的實(shí)現(xiàn)采用盛博公司的高速、高性能嵌入式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)模塊ADT800，它具有24路TTL／CM-OS兼容的數(shù)字I／O口、4通道12位D／A輸出，完全可以滿足力矩電流發(fā)生器對(duì)D／A、數(shù)字I／O通道的要求，而且剩余通道還有利于系統(tǒng)的改進(jìn)與升級(jí)。
系統(tǒng)中，ADT800數(shù)字I／O地址為ADT800_BA+9，與力矩電流發(fā)生器有關(guān)的各位定義如圖5所示。
利用ADT800模塊D／A通道中的DAC0(DAC1)通道輸出的電壓信號(hào)控制方位(水平)壓控恒流源電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)方位軸(水平軸)的控制。
3 力矩電流發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)
考慮到尋北儀的應(yīng)用背景等因素，選擇DOS 6．22作為操作系統(tǒng)，并選用UCDOS6．O作為漢字平臺(tái)。選用C++語(yǔ)言和Borland C++3．1集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用面向數(shù)據(jù)流的分析和設(shè)計(jì)方法對(duì)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。采用多中斷和TSR技術(shù)增加軟件的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)處理能力。
根據(jù)系統(tǒng)需求和模塊化的基本原則，將尋北儀軟件劃分為初始化模塊、管理模塊、定時(shí)中斷模塊和通訊模塊四大組成部分，如圖6所示。
與力矩電流發(fā)生器有關(guān)的軟件部分體現(xiàn)在初始化模塊和定時(shí)中斷模塊部分，包括ADT800的初始化、D／A控制和I／O控制。init_adt800()函數(shù)主要用于對(duì)ADT800模塊的初始化，包括A／D和D／A設(shè)置，初始化數(shù)字I／O口等。
定時(shí)中斷模塊根據(jù)處理得到的加速度計(jì)信號(hào)、計(jì)程儀／GPS航速信息、傾角傳感器姿態(tài)信息、鍵盤裝訂的參數(shù)、誤差補(bǔ)償量及系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)等實(shí)時(shí)解算出陀螺控制電流，并向陀螺力矩器控制發(fā)送。
為了電流解算的方便，程序中定義了幾個(gè)數(shù)組：Kj[5]，Ky[5]，Kz[5]，C1[5]，C2[5]，K2[5]，K3[5]，分別用于存放狀態(tài)轉(zhuǎn)換積分系數(shù)、方位控制回路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換系數(shù)、水平控制回路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換系數(shù)、C1系數(shù)、C2系數(shù)、方位控制放大器放大系數(shù)、水平控制放大器放大系數(shù)。由于最終力矩電流是通過(guò)壓控恒流源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因、此電流的解算就是得出相應(yīng)的控制電壓，解算程序如下(以羅經(jīng)狀態(tài)為例)：
系統(tǒng)軟件除了完成上述的電流解算外，還要對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行切換。根據(jù)加表采樣值和dacy、dacz的大小及正負(fù)，通過(guò)對(duì)ADT800_BA+9地址的置位／復(fù)位操作，實(shí)現(xiàn)力矩電流精粗和極性的控制，例如：
最后電流解算得到的對(duì)應(yīng)控制電壓通過(guò)ADT800的D／A通道輸出給壓控恒流源，經(jīng)V／I轉(zhuǎn)換后輸出至陀螺力矩器。實(shí)現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換的函數(shù)為：
例如，執(zhí)行語(yǔ)句adt800_da_out(ADT800_BA，0，Ddacy)，即可實(shí)現(xiàn)向方位控制回路發(fā)送控制電壓，電壓值大小為Ddacy。
4 實(shí)驗(yàn)
為了檢查力矩電流發(fā)生器所產(chǎn)生電流是否滿足精度性能要求，用Agilent E3620A直流穩(wěn)壓電源輸入表1中所示的電壓，在壓控恒流源輸出電路的負(fù)載端接上7．8 Ω的精密電阻作為負(fù)載模擬電機(jī)繞組，同時(shí)通過(guò)控制極性控制繼電器和精粗控制繼電器，改變輸出電流的極性和精粗，用Agilent 34401A數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試流經(jīng)模擬負(fù)載的電流，所測(cè)結(jié)果如表1所示。
從表1所示的測(cè)試結(jié)果可以看出，針對(duì)尋北儀微機(jī)控制需要而設(shè)計(jì)的力矩電流發(fā)生器，其動(dòng)態(tài)范圍較大，轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0．5 μA，可廣泛應(yīng)用于尋北儀、電控羅經(jīng)等慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。