摘 要： 傳統的航向姿態、導航系統都以機械儀表為主，用來顯示接收的自整角機、旋轉變壓器信號既不精確也不穩定。通過設計一種接口電路成功將液晶屏應用于航向指示器，修正了上述缺點。測試表明指示器顯示清晰，系統功能完整、穩定。
關鍵詞： 航向指示器；液晶屏；單片機；CPLD；自整角機；旋轉變壓器；A/D；D/A
在各種航向姿態、導航系統中，常用自整角機、旋轉變壓器實現磁航向、無線電方位的接收、傳輸、調整和顯示。但以往的機載儀表以機械儀表為主，存在顯示分辨率低、指示不夠精確的問題。近年來，液晶顯示器得到飛速發展，因其體積小、功耗低、開發周期短、安全可靠、使用靈活的特點而廣泛應用于各種儀器儀表中。本文通過設計一種接口電路，成功地將液晶屏應用于航向指示器，測試表明該指示器可穩定接收航向等自整角機、旋轉變壓器信號，傳輸給指示器的圖形板并在液晶屏上顯示。
指示器設有液晶屏亮度、模式等控制按鍵，考慮到傳統單片機系統所需芯片數多、系統線復雜，而CPLD在結構、工藝、集成度、功能、速度和靈活性等方面都有了很大的改進和提高，為高效率、高質量、靈活地設計單片機系統提供了可能，特別是CPLD的系統編程、測試能力和支持JATG邊界掃描的特點，以及具有JATG功能的單片機構成的功能電路，更能體現系統可編程的方便靈活的優越性。因此本接口電路采用了單片機C8051F020和可編程邏輯器件（CPLD），完成的接口電路外加一塊圖形處理芯片就能實現液晶顯示的航向指示器系統。
1 硬件設計
以自整角機信號為例，硬件電路如圖1。C8051F020是Cygnal推出的一種混合信號系統級單片機，片內含CIP－51的CPU內核，其指令系統與MCS－51完全兼容。與以前的51系列單片機相比，C8051F020增加了許多功能，并且可靠性和速度也有了很大提高[1]。這里采用它來處理數據、驅動液晶屏，通過串口把數據送到液晶屏。可編程邏輯芯片則用于邏輯控制數據的輸入輸出。
在數據處理方面，根據精度要求，對于自整角機信號的A/D轉換，采用中國船舶重工集團七一六所研制的14ZSZ系列和14SZZ系列轉換器，14位分辨率可滿足要求。當輸入兩路同類的自整角機信號時，可選擇具有雙通道的轉換器，這樣有利于減少電路的面積。接口電路將輸入的自整角機信號數字解算得到數字輸出，最后將此數字輸出經過D/A轉換器14SZZ從接口電路輸出。
CPLD程序用VHDL語言實現，根據單片機中對輸入數據的地址定義，將地址值作為敏感信號，產生單通道A/D模塊的高低字節片選信號，將14ZSZ芯片A/D轉換結果讀入緩存；對沒有高低字節選擇信號的雙通道A/D模塊，則產生禁止/使能信號，將14ZSZ/S02芯片A/D轉換結果讀入緩存。輸入信號進入緩存后，CPLD根據地址值將輸入信號從緩存寫入單片機。
輸入信號進入單片機后，解算得到數字輸出信號。CPLD根據地址值從單片機將數字輸出寫入緩存，然后根據地址敏感信號產生D/A轉換芯片的控制信號，根據控制信號把數字輸出送入D/A轉換芯片14SZZ。
模數轉換器的直流電源允許波動范圍為±10%，不能超過此范圍加電。要求PCB板的+5V、+15V、-15V和GND之間分別并聯一個0.1μF和一個6.8μF的濾波電容。單片機的XTAL1引腳為晶體或陶瓷諧振器內部反饋電路的反饋輸入。為了得到一個精確的內部時鐘，需要在XTAL1引腳加入一個晶體或陶瓷諧振器。
1.1 A/D、D/A轉換模塊
自整角機、旋轉變壓器是一種高精度、高可靠性的角度傳感器，為了實現與計算機的接口，國外開發了SDC/RDC系列自整角機、旋轉變壓器-數字轉換器。國內相應研制開發了ZSZ/XSZ系列。本設計采用了14ZSZ/XSZ，轉換器精度360°/214≈0.022°，滿足系統指標。當模擬量被轉換成數字量后，接口電路又需要將某路含有航向控制系統需要用到的角度、位置等信息的數字量轉換為模擬量輸出，這里采用14SZZ/SXZ將數字量轉換為模擬量并從指示器輸出，用于控制航向系統位置、速度等。
1.1.1 14ZSZ/XSZ A/D轉換器[2]
14ZSZ/XSZ是一種小型化14位連續跟蹤自整角機/旋轉變壓器-數字轉換器。它采用二階伺服回路，數據輸出具有三態鎖存功能，轉換原理如圖2。當BUSY=0時，數據穩定，可取數據；BUSY=1時，數據在變化，不能取數據；INH=0時，數據穩定，可取數據；INH=1時，刷新鎖存器；轉換器控制信號由選擇使能信號
、字節選擇信號BYSEL進行控制。使能信號是邏輯高電平，輸出為高阻狀態；使能信號為邏輯低電平，輸出數字角Φ。字節選擇信號BYSEL是邏輯高電平，1～8位輸出數字角D1～D8，9～14位輸出數字角D9～D14；字節選擇信號BYSEL是邏輯低電平，1～8位輸出數字角D9～D14。
雙通道14位跟蹤型自整角機/旋轉變壓器-數字轉換器14ZSZ/XSZ-S02是為要求體積小、重量輕、費用低的應用場合而設計。每路輸入可以是自整角機/旋轉變壓器信號，并且具有兩個獨立的參考輸入端，因而每個通道可以具有不同的參考頻率。經三態鎖存器輸出與TTL電平兼容的14位并行自然二進制碼，在數據讀取時無須中斷轉換過程。該模塊有A_B和/OE控制線選擇通道[2]，并將相應轉換結果送到公共數據輸出端口。轉換器檢測/BIT[2]輸出信號可用于不間斷系統，以指示轉換器是否處于精確跟蹤狀態。A_B=1，選CHA；A_B=0，選CHB； OE=0，數據有效；OE=1，DB1～DB14高阻。該模塊沒有高低字節選擇信號。
1.1.2 14SZZ/SXZ 數字-自整角機轉換器[2]
14SZZ/SXZ將14位自然二進制數字角度量轉換成含有該數字角度量的自整角機/旋轉變壓器形式的模擬電壓輸出，如圖3。ENH控制高8位，ENL控制低6位；ENH/ENL=1，轉換器輸出隨輸入量變化，ENH/ENL同時等于0，轉換器輸出鎖存為下降沿時刻。14位自然二進制數字角度量采用了TTL/CMOS數字鎖存，輸入和輸出交流信號采用輸入、輸出變壓器隔離。這樣，使得轉換器在使用中不用外加數字鎖存器，不用外接參考變壓器和輸出變壓器，可廣泛應用與數字至軸角量的轉換，是計算機與控制系統之間的理想接口電路。
1.2 電源管理模塊
系統的其他部分器件型號確定后，所需的功率、電流、電壓大小便確定了，最后設計電源系統以保證系統可靠運行。由于電路的頻率特性，電磁輻射、噪音會干擾到達電路器件的工作電壓，而一些芯片對工作電壓的要求非常高(一般要求電壓偏差不超過5%)，一旦超過范圍長時間工作則容易縮短壽命甚至損壞。因此，在電路中需要設計實時監控電壓的電壓監控電路，為芯片提供合格而穩定的電壓。
本設計采用低壓差線性穩壓器LT1117IST-3.3給系統中對電壓要求高的芯片提供穩定電壓。但僅有完美供電系統是不夠的，有時VCC上一個很小的壓降就可能破壞存儲器﹑內部寄存器中的內容，但卻并不產生復位，從而造成軟件的誤動作。因此，在系統中加入電源監控電路TPS3307以保障系統長期穩定運行。
2 軟件設計
電路中，單片機軟件編程完成的工作有：與液晶屏的通信、加熱控制、亮度控制、按鍵檢測及處理、數據處理、數據傳輸、顯示界面的控制。
2.1 初始化單元
系統上電后，先對看門狗初始化，喂狗時間間隔為47.406ms；初始化CPU端口，將P0.0、P0.1分配給串口0，將P0.2、P0.3分配給串口1；配置系統時鐘為外部時鐘，選取22.118 4MHz晶振；初始化串口1，波特率為9 600B；設置定時器，每35ms中斷一次；最后初始化中斷系統，將所有中斷全部禁止。
2.2 數據處理顯示單元
輸入數據經過A/D模塊轉換成14位數字信號，如角度信號0°～360°對應輸出數值0～214。該序列數字信號由CPLD按高、低字節或一次性讀入緩存，緩存再按高、低字節寫入單片機的數據總線。單片機將高低字節合并送到顯示屏，并根據顯示要求處理，使得液晶屏讀數與模擬輸入對應，如圖形板0x8000對應360°，則A/D轉換結果要右移2位。同理，輸出數字信號由CPLD從單片機按字節讀入緩存，再從緩存輸出到D/A轉換器。
2.3 定時工作及存儲器初始化單元
定時單元改變個別全局變量值，用于其他部分定時的需求，并對系統按鍵進行定時識別。按鍵采用查詢的方法判斷是否真的有鍵被按下，以長按或短按決定數據變化速度快慢。本電路中共有5個按鍵，可看作1×5行列式鍵盤。存儲器單元用于將雙口RAM存儲器清空。
2.4 通信模塊
單片機通過串口1與液晶屏通信，包括液晶屏控制、亮度、溫度讀寫的操作子模塊，流程如圖4。
通信流程如圖5，每送一個字節液晶屏的讀寫命令，液晶屏便會返回一個字節表示溫度或狀態的數據，根據返回數值執行下一個動作。讀取液晶屏狀態可以獲得溫度傳感器是否工作的信息。設置背光燈溫度，要先判斷溫度傳感器是否有效，如無效則關閉加熱電源，否則會損壞器件；同時將默認的自動模式改為人工模式，以免系統反復試圖加熱。設置燈控制時，液晶屏返回兩個不同值用于設置白天或夜晚模式。讀取液晶屏溫度后，根據大小值判斷是否需要加熱，通常不應低于0℃。
2.5 單片機主程序模塊
主程序流程如圖6，先清空雙口RAM，查詢液晶屏溫度等狀態，小于0°且溫度傳感器有效則開加熱電源，通過串口1對液晶屏進行初始化設置，自檢測后，讀取輸入的信號并進行處理，傳輸給液晶屏顯示，將數字信號轉換為模擬輸出。對亮度等按鍵進行處理，當長按時，按鍵計數而不改變相應的值，松手后才改變亮度等值，這就實現了長按數據變化加快的功能。
本文提出的基于單片機和CPLD的液晶航向指示器的接口電路設計，能夠處理自整角機、旋轉變壓器、電壓電流計信號等模擬輸入，能夠接收系統的按鍵控制，與液晶屏通信正常，顯示清晰正確，輸出數據正確。設計方案在實際產品中得到應用，并取得良好的通信和顯示效果。
參考文獻
[1] 潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊.沈陽新華龍電子有限公司，2002.
[2] 連云港杰瑞電子有限公司.2007數據手冊—軸角分冊，2007.