摘 要：基于CPCI总线的技术规范，设计了一种新型的天线轴角测量系统" title="测量系统">测量系统。选用CPCI平台，研制了基于CPCI总线的轴角数字转换" title="数字转换">数字转换模块。系统软件采用了粗精双通道组合编码，余数比较法纠错，实现了两个单通道旋变或一个双通道旋变的角位置测量。
    关键词：CPCI总线  轴角转换器  纠错算法

    雷达天线轴角测量系统由轴角测量传感器、轴角转换电路、总线接口电路、微型计算机等四部分组成。旋转变压器" title="旋转变压器">旋转变压器具有精度高、可靠性高、环境适应性强、抗冲击振动能力强的特点，可用作轴角测量系统的角位置传感器^[1]。轴角转换电路大多采用单片机或数字转换芯片，接口也随着计算机总线的发展，选用ISA、PC104、PCI等总线形式。ISA总线速度慢；PC104总线由于其堆栈式安装结构影响系统的可靠性，且维修插拔非常麻烦；PCI总线在结构上的可靠性、坚固性不足，近年来，CPCI总线发展迅速，其应用已从通信领域向控制领域拓展^[2]。基于此，本文采用CPCI总线平台和旋转变压器研制了一种新型的轴角测量系统。本文将介绍该系统的软硬件设计。
1 系统结构
    该系统主要由两个旋转变压器和CPCI总线平台构成，CPCI总线平台由CPCI机箱、CPU模块、轴角数字转换模块等组成。旋转变压器在正弦波的激励下，产生两相正交的正余弦信号，这两相正、余弦信号包含了系统的轴角位置信息。轴角数字转换模块从两相正、余弦信号中提取角位置信息并转换为数字量，供接口电路读取。其系统构成框图如图1。其中，旋转变压器1和2是两个单通道旋转变压器，或者是一个双通道旋转变压器的粗通道和精通道。

                    
2 硬件设计
2.1旋转变压器
    经调研和试验，选用28XZ10-5J旋转变压器(励磁" title="励磁">励磁电压36Vrms，400Hz，精度3′)，其最佳工作频率确定为400Hz～2kHz。其输出不选用Scott变压器变压，而是通过电阻对旋转变压器参考信号及正余弦信号进行分压，以满足AD2S82A的输入信号要求2Vrms±10%。选择参考分压电阻R_ref1、R_ref2为4.3kΩ和2kΩ，信号分压电阻R_s3、R_s5为1.5kΩ；R_s4、R_s6为2kΩ。
2.2 3U-CPCI平台
    CPCI平台选用凌华公司的3U标准产品。选用CPU模块CPCI-3915，2.0GHz主频、1GB最大内存保证了系统的运算及轴角转换速度。板上CF卡，容量4GB，用于安装操作系统及应用程序。3U机箱根据要求由凌华公司订制。
2.3 轴角数字转换模块
    基于CPCI总线的轴角数字转换模块目前市场还处于空白。为此研制了一块基于CPCI总线的轴角数字转换模块。该CPCI模块电路由两路轴角转换器、励磁电路、CPCI总线接口等组成。
2.3.1 轴角数字转换器电路参数设计
    美国ADI公司的跟踪型轴角转换器AD2S82A是轴角数字转换模块的核心。它将旋转变压器的转角转换成单调的与转角成比例的数字量^[3]。该轴角转换器设计的输入参数为：6.3Vrms、2kHz励磁、旋变变比0.556，分辨率为12bit、14bit和16bit可选。以14bit分辨率为例，其外围电路如图2所示，元件参数设计过程如下：
    (1) R1、C1、R2、C2构成高通滤波器，以减小直流偏移及输入信号中噪声干扰。根据公式15kΩ≤R1=R2≤56kΩ，C1=C2=1/(2πR1×f_REF)计算，实际取值R1=R2=24kΩ，C1=C2=3.3nF。
    (2)R4为DC误差信号的增益调整电阻，根据R4=EDC/(100×10^-9×3)、EDC=10×10^-3(14bit)计算，实际取值R4=33kΩ。
    (3)R6决定变换器电路的最大跟踪速度，根据R6=6.32×1010/(T×n)计算，n=16 384(14bit)，最大跟踪速度为每秒T转，不能大于参考频率的1/16，实际取值R6=82kΩ。
    (4)C4、C5、R5构成闭环带宽选择电路，根据分辨率14bit时，参考信号的频率与带宽之比为6∶1，得出f_BW=400Hz。再根据C4=21/(R6×f_BW2),C5=5×C4，R5=4/(2πf_BWC5)计算，实际取值：C4=1.6nF，C5=8.2nF，R5=200kΩ。
    (5)R3、C3构成参考信号的交流耦合电路，R3=100kΩ，根据C3>1/(R3f_REF)，C3=10nF。
    (6)R7、C6构成VCO的相位补偿电路，R7=68Ω，C6=470pF。
    (7)R8、R9组成偏置调整电路，保证其输入端的直流电平为0V，R8=4.7MΩ，R9=1MΩ。

                 
2.3.2 励磁电源设计
    通过对旋转变压器升频降压使用(6.3Vrms，2kHz)，其消耗电流降为55mA，所需要的功率也从原来的3W 降低到350mW。电路设计采用EXAR的XR2206高精度函数发生器和APEX的PA60DK双路1A功率运放，函数发生器和功率运算放大器由±12V电源供电，与AD2S82A供电电源一致，减少了电源的种类，降低了系统设计复杂性和成本。
2.3.3  CPCI总线接口设计
    CPCI总线是由PCI总线工业计算机制造商组织（PICMG）制定的一个开放式、国际性的计算机技术标准。简单说，CPCI 总线=PCI总线的电气规范+标准针孔连接器+欧洲卡规范。常用的PCI Target接口芯片有5933、9052、9054等。本设计选用PLX公司的PCI9030。PCI9030是业界首个支持热交换的PCI目标接口芯片，为CPCI接口提供了优秀的解决方案^[4]。它采用SMARTarget技术，提供符合PCI V2.2规范所规定的32位33MHz目标接口，与PCI总线连接，支持宽范围速率的本地总线, 传输速率最高可达132MB/s；可编程32位局域总线操作高达60MHz，使突发传输速度高达240MB/s。
    CPCI总线到桥接芯片PCI9030之间的布局与布线必须满足CPCI规范PICMG2.1，即保证时钟信号线长度满足63.5mm±2.54mm（2.5英寸±0.1英寸），从CPCI连接器到分支匹配终端电阻信号线长度不超过15.2mm（0.6英寸），从CPCI连接器到PCI控制器信号线总长度不超过38.1mm（1.5英寸），信号线特性阻抗65Ω±10%。
    局部总线时序设计是正确可靠地对AD2S82A进行操作的必要条件。PCI9030对局部总线时序配置的寄存器为局部地址空间总线属性描述寄存器。在本设计中局部地址空间总线属性描述寄存器的值为：0x8042C140。另外，由于PCI9030和AD2S82A的逻辑接口电平分别是3.3V和5V，本文选用了SN74LVTH16245A进行电平转换。
3 软件设计
3．1轴角编码算法
轴角编码采用粗精双通道组合编码，余数比较法纠错，以提高轴角编码精度^[5]。编码计算公式如下：[θc]整数部分。其中，i为粗精比、N为0～31。
    余数比较法就是把θ_C圆周分为i个区间，每个刻度之间的轴角为360°/i，θ_C在i个刻度间的小角度为“余数”，将余数分为四个区间，根据θ_C所在的区间及θ_C在各区间对应的范围来判断纠错。其纠错判据如下：
   

    由以上分析可知，余数纠错法的纠错能力为±360°/4i。
速比1∶32，粗精通道采用14位编码，若粗精组合最大误差小于±2.8125°，则纠错程序的伪代码如下：
   

3．2 数据采集" title="数据采集">数据采集软件设计
    编码数据采集软件运行于Win2000平台。软件开发工具采用Win2000DDK，采用WDM驱动程序模型，设备类型为字符设备。该模块对物理I/O端口读写的软件设计较为简单，这里不再赘述。数据采集流程为禁止转换跟踪后数据方能读入；数据经组合和纠错后返回。数据采集软件流程图如图3。

                      
4 测试结果及结论
    旋转变压器采用降压升频6.3Vrms、2kHz的励磁信号，对该轴角数字测量系统进行了36点法测试，以保证测试的准确性。测试结果如图4。从中可知，旋转变压器误差小于2′，编码误差小于3′。

                   
    该轴角数字测量系统设计方案先进，具有精度高、分辨率高、可靠性高等特点，能在恶劣环境工作条件下可靠运行，并完全满足雷达对轴角测量系统的性能要求。
参考文献
[1] 崔玥，卢彤，陆水平，等. 单片轴角数字转换器（RDC）及其精度校验[J]. 哈尔滨工业大学学报，1994，26（4）:61-65.
[2] 刘鑫. 中国CompactPCI/ PXI 技术发展与应用[J]. 测控技术，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] 秦继荣，沈安俊. 现代直流伺服控制技术及其系统设计[M]. 北京：机械工业出版社，1991：209-212.