??? 摘 要：基于CPCI總線的技術規范，設計了一種新型的天線軸角測量系統" title="測量系統">測量系統。選用CPCI平臺，研制了基于CPCI總線的軸角數字轉換" title="數字轉換">數字轉換模塊。系統軟件采用了粗精雙通道組合編碼，余數比較法糾錯，實現了兩個單通道旋變或一個雙通道旋變的角位置測量。
??? 關鍵詞：CPCI總線? 軸角轉換器? 糾錯算法
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??? 雷達天線軸角測量系統由軸角測量傳感器、軸角轉換電路、總線接口電路、微型計算機等四部分組成。旋轉變壓器" title="旋轉變壓器">旋轉變壓器具有精度高、可靠性高、環境適應性強、抗沖擊振動能力強的特點，可用作軸角測量系統的角位置傳感器[1]。軸角轉換電路大多采用單片機或數字轉換芯片，接口也隨著計算機總線的發展，選用ISA、PC104、PCI等總線形式。ISA總線速度慢；PC104總線由于其堆棧式安裝結構影響系統的可靠性，且維修插拔非常麻煩；PCI總線在結構上的可靠性、堅固性不足，近年來，CPCI總線發展迅速，其應用已從通信領域向控制領域拓展[2]。基于此，本文采用CPCI總線平臺和旋轉變壓器研制了一種新型的軸角測量系統。本文將介紹該系統的軟硬件設計。
1 系統結構
??? 該系統主要由兩個旋轉變壓器和CPCI總線平臺構成，CPCI總線平臺由CPCI機箱、CPU模塊、軸角數字轉換模塊等組成。旋轉變壓器在正弦波的激勵下，產生兩相正交的正余弦信號，這兩相正、余弦信號包含了系統的軸角位置信息。軸角數字轉換模塊從兩相正、余弦信號中提取角位置信息并轉換為數字量，供接口電路讀取。其系統構成框圖如圖1。其中，旋轉變壓器1和2是兩個單通道旋轉變壓器，或者是一個雙通道旋轉變壓器的粗通道和精通道。
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2 硬件設計
2.1旋轉變壓器
??? 經調研和試驗，選用28XZ10-5J旋轉變壓器(勵磁" title="勵磁">勵磁電壓36Vrms，400Hz，精度3′)，其最佳工作頻率確定為400Hz～2kHz。其輸出不選用Scott變壓器變壓，而是通過電阻對旋轉變壓器參考信號及正余弦信號進行分壓，以滿足AD2S82A的輸入信號要求2Vrms±10%。選擇參考分壓電阻Rref1、Rref2為4.3kΩ和2kΩ，信號分壓電阻Rs3、Rs5為1.5kΩ；Rs4、Rs6為2kΩ。
2.2 3U-CPCI平臺
??? CPCI平臺選用凌華公司的3U標準產品。選用CPU模塊CPCI-3915，2.0GHz主頻、1GB最大內存保證了系統的運算及軸角轉換速度。板上CF卡，容量4GB，用于安裝操作系統及應用程序。3U機箱根據要求由凌華公司訂制。
2.3 軸角數字轉換模塊
??? 基于CPCI總線的軸角數字轉換模塊目前市場還處于空白。為此研制了一塊基于CPCI總線的軸角數字轉換模塊。該CPCI模塊電路由兩路軸角轉換器、勵磁電路、CPCI總線接口等組成。
2.3.1 軸角數字轉換器電路參數設計
??? 美國ADI公司的跟蹤型軸角轉換器AD2S82A是軸角數字轉換模塊的核心。它將旋轉變壓器的轉角轉換成單調的與轉角成比例的數字量[3]。該軸角轉換器設計的輸入參數為：6.3Vrms、2kHz勵磁、旋變變比0.556，分辨率為12bit、14bit和16bit可選。以14bit分辨率為例，其外圍電路如圖2所示，元件參數設計過程如下：
??? (1) R1、C1、R2、C2構成高通濾波器，以減小直流偏移及輸入信號中噪聲干擾。根據公式15kΩ≤R1=R2≤56kΩ，C1=C2=1/(2πR1×fREF)計算，實際取值R1=R2=24kΩ，C1=C2=3.3nF。
??? (2)R4為DC誤差信號的增益調整電阻，根據R4=EDC/(100×10-9×3)、EDC=10×10-3(14bit)計算，實際取值R4=33kΩ。
??? (3)R6決定變換器電路的最大跟蹤速度，根據R6=6.32×1010/(T×n)計算，n=16 384(14bit)，最大跟蹤速度為每秒T轉，不能大于參考頻率的1/16，實際取值R6=82kΩ。
??? (4)C4、C5、R5構成閉環帶寬選擇電路，根據分辨率14bit時，參考信號的頻率與帶寬之比為6∶1，得出fBW=400Hz。再根據C4=21/(R6×fBW2),C5=5×C4，R5=4/(2πfBWC5)計算，實際取值：C4=1.6nF，C5=8.2nF，R5=200kΩ。
??? (5)R3、C3構成參考信號的交流耦合電路，R3=100kΩ，根據C3>1/(R3fREF)，C3=10nF。
??? (6)R7、C6構成VCO的相位補償電路，R7=68Ω，C6=470pF。
??? (7)R8、R9組成偏置調整電路，保證其輸入端的直流電平為0V，R8=4.7MΩ，R9=1MΩ。
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2.3.2 勵磁電源設計
??? 通過對旋轉變壓器升頻降壓使用(6.3Vrms，2kHz)，其消耗電流降為55mA，所需要的功率也從原來的3W 降低到350mW。電路設計采用EXAR的XR2206高精度函數發生器和APEX的PA60DK雙路1A功率運放，函數發生器和功率運算放大器由±12V電源供電，與AD2S82A供電電源一致，減少了電源的種類，降低了系統設計復雜性和成本。
2.3.3? CPCI總線接口設計
??? CPCI總線是由PCI總線工業計算機制造商組織（PICMG）制定的一個開放式、國際性的計算機技術標準。簡單說，CPCI 總線=PCI總線的電氣規范+標準針孔連接器+歐洲卡規范。常用的PCI Target接口芯片有5933、9052、9054等。本設計選用PLX公司的PCI9030。PCI9030是業界首個支持熱交換的PCI目標接口芯片，為CPCI接口提供了優秀的解決方案[4]。它采用SMARTarget技術，提供符合PCI V2.2規范所規定的32位33MHz目標接口，與PCI總線連接，支持寬范圍速率的本地總線, 傳輸速率最高可達132MB/s；可編程32位局域總線操作高達60MHz，使突發傳輸速度高達240MB/s。
??? CPCI總線到橋接芯片PCI9030之間的布局與布線必須滿足CPCI規范PICMG2.1，即保證時鐘信號線長度滿足63.5mm±2.54mm（2.5英寸±0.1英寸），從CPCI連接器到分支匹配終端電阻信號線長度不超過15.2mm（0.6英寸），從CPCI連接器到PCI控制器信號線總長度不超過38.1mm（1.5英寸），信號線特性阻抗65Ω±10%。
??? 局部總線時序設計是正確可靠地對AD2S82A進行操作的必要條件。PCI9030對局部總線時序配置的寄存器為局部地址空間總線屬性描述寄存器。在本設計中局部地址空間總線屬性描述寄存器的值為：0x8042C140。另外，由于PCI9030和AD2S82A的邏輯接口電平分別是3.3V和5V，本文選用了SN74LVTH16245A進行電平轉換。
3 軟件設計
3．1軸角編碼算法
軸角編碼采用粗精雙通道組合編碼，余數比較法糾錯，以提高軸角編碼精度[5]。編碼計算公式如下：[θc]整數部分
。其中，i為粗精比、N為0～31。
??? 余數比較法就是把θC圓周分為i個區間，每個刻度之間的軸角為360°/i，θC在i個刻度間的小角度為“余數”，將余數分為四個區間，根據θC所在的區間及θC在各區間對應的范圍來判斷糾錯。其糾錯判據如下：
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??? 由以上分析可知，余數糾錯法的糾錯能力為±360°/4i。
速比1∶32，粗精通道采用14位編碼，若粗精組合最大誤差小于±2.8125°，則糾錯程序的偽代碼如下：
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3．2 數據采集" title="數據采集">數據采集軟件設計
??? 編碼數據采集軟件運行于Win2000平臺。軟件開發工具采用Win2000DDK，采用WDM驅動程序模型，設備類型為字符設備。該模塊對物理I/O端口讀寫的軟件設計較為簡單，這里不再贅述。數據采集流程為禁止轉換跟蹤后數據方能讀入；數據經組合和糾錯后返回。數據采集軟件流程圖如圖3。
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4 測試結果及結論
??? 旋轉變壓器采用降壓升頻6.3Vrms、2kHz的勵磁信號，對該軸角數字測量系統進行了36點法測試，以保證測試的準確性。測試結果如圖4。從中可知，旋轉變壓器誤差小于2′，編碼誤差小于3′。
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??? 該軸角數字測量系統設計方案先進，具有精度高、分辨率高、可靠性高等特點，能在惡劣環境工作條件下可靠運行，并完全滿足雷達對軸角測量系統的性能要求。
參考文獻
[1] 崔玥，盧彤，陸水平，等. 單片軸角數字轉換器（RDC）及其精度校驗[J]. 哈爾濱工業大學學報，1994，26（4）:61-65.
[2] 劉鑫. 中國CompactPCI/ PXI 技術發展與應用[J]. 測控技術，2004，23（6）：4-6.
[3] Analog Devices, Inc.. Variable Resolution, Monolithic?Resolver-to-Digital Converters AD2S81A/AD2S82A[Z].?Norwood, MA: Analog Devices, Inc., 1998.
[4] PLX Technology Inc.. PCI 9030 Data Book Version1. 4[Z]. Sunnyvale, CA: PLX Technology Inc., 2002.
[5] 秦繼榮，沈安俊. 現代直流伺服控制技術及其系統設計[M]. 北京：機械工業出版社，1991：209-212.