單片機三維軸角智能化測量系統(tǒng)
馬瑞卿 蘆 剛 劉昌旭
李鐘明 竇滿鋒 (西北工業(yè)大學(xué))
1 引言
甩旋轉(zhuǎn)變壓器實觀軸角精密測量需要解決的關(guān)鍵是將多極旋轉(zhuǎn)變壓器的模擬量變成數(shù)字量。80年代后期；最國自行研制的14／12位XSZ系列旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器達到世界水平i‘它由一塊厚膜集成器件就可完成原來二三塊雙面電路板所能完成的任務(wù)。文中所述系統(tǒng)是利用14／12XSZ與多極旋轉(zhuǎn)變壓器的精粗通道相配作為系統(tǒng)的前向通路。隨著單片機微處理器的迅速發(fā)展，使得更加精密而可靠的智能測量成為可能，本系統(tǒng)利 用8031非常強的位操作功能、便于擴展、程序靈活、易于數(shù)字處理、體積小、價格低的特點，實現(xiàn)三維軸角的數(shù)據(jù)分時采集、精粗組合，打印和數(shù)碼顯示，系統(tǒng)可與PC-XT串行通訊及與同位單片機并行通訊。
2 工作原理
2.1 前向通路
多極旋轉(zhuǎn)變壓器有粗精兩個通道，猶如時針與分針能精確計時一樣，一般粗通道為一對極，精通道為P對極，本系統(tǒng)選用P=32，14／12XSZ數(shù)字轉(zhuǎn)換器分別將多極旋轉(zhuǎn)變壓器的精粗通道模擬電壓輸出轉(zhuǎn)換成14／12位二進制數(shù)字量，由于該數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用二階伺服回路，輸出連續(xù)跟蹤輸入軸角的變化，使用時，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的4個端子分別接到轉(zhuǎn)換器D1-D4端（見圖1），通過其內(nèi)部
微型隔離變壓器后仍為正余弦形式的輸出，即：
式中 θ-----旋轉(zhuǎn)變壓器軸角
假定轉(zhuǎn)換器內(nèi)部可逆計數(shù)器現(xiàn)時代碼值為φ，則經(jīng)誤差放大器后有：
由內(nèi)部相敏檢波器、積分器、壓控振蕩器組成的閉環(huán)系統(tǒng)使sin(φ-θ)為0(即φ-0),
當這個過程完成時，可逆計數(shù)器的代碼值φ就等于轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果----待測軸角θ。對于14/12XSZ，激磁頻率為400HZ,精度為+4.5”，跟蹤速度可達r/s。這樣精粗通道分別采用14xsg和I~XS2；對芋每。：維軸角經(jīng)粗精組合就可實現(xiàn)360。全角測量。以x軸為例，前向通路接線原理如圖1所示。其中計算機在讀取數(shù)據(jù)時，可將“忙”信號M作為一位數(shù)據(jù)，連同14／12位數(shù)據(jù)一起讀入內(nèi)存，再進行檢測，若M為高電平，則認為數(shù)據(jù)無效，反之8031先分別通過外圍I／O芯片．PC口的2位信號線鎖定G1和G2端，然后分時地從8155的PA、PB口讀取精通道的14位和粗通道的12位2進制數(shù)即可。
2．2粗精組合
由于電氣誤差、變換器電路的精度以及內(nèi)部可逆計數(shù)器末位的跳變，會導(dǎo)致粗精兩通道的****有效位發(fā)生多計和少計，尤其對粗讀數(shù)，因其處于高位，末位數(shù)不允許有誤差，所以在雙讀數(shù)系統(tǒng)中不加入一定的判斷及處理，就可能產(chǎn)生這種粗大誤差。為了有效地提高系統(tǒng)測量精度，必須由單片機對粗通道的12位輸出碼進行糾錯和校正。一般多極旋轉(zhuǎn)變壓器粗精通道相互獨立，對于32對極的旋轉(zhuǎn)變壓器，粗通道采用12位轉(zhuǎn)換器時，測量范圍為O．08789�！�360。，而精通道采用14位轉(zhuǎn)換器時，測量范圍為0。～11．25。粗精組合的目的是把12位粗碼與14位精碼組合成一個2進制數(shù)。由于系統(tǒng)采用2進制數(shù)，考慮到組合范圍應(yīng)有一定寬度，而且邏輯處理上對單片機又不是太復(fù)雜，故采用3位擴展組合法。對于精通道，****位權(quán)值為5．625~，所以粗通道應(yīng)從權(quán)值為5。625。的第四位向高位順序數(shù)3位作為與精通遭高3位進行組合的擴展位，如圖2所示。
2進制3位擴展的差別規(guī)則為：粗一精≤3/8，不加不減；粗一精≥5/8，加1；精一粗≥5/8，減1。這里假定4/8一0．5的情況不會發(fā)生，即誤差不會等于O．5[1]，這樣可用此規(guī)律≯U出真值，如表1所示。
由精通道全部14位數(shù)和組合后的粗通道高5位數(shù)構(gòu)成一個19位2進制數(shù)。
3系統(tǒng)硬軟件設(shè)計
3．1系統(tǒng)硬件
本測量系統(tǒng)以80 31單片機為主控芯片，通過74Ls373鎖存器擴展了一片2764EPROM，由于該系統(tǒng)屬于實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存貯量不大，利用8031內(nèi)部RAM足夠，無需進行靜態(tài)RAM擴展，硬件原理圖如圖3所示。
為了快速將某時刻的測量結(jié)果打印出來，采用GPl6實現(xiàn)硬考貝，其中P，作為選片信號，而GPl6的“Busy”信號送到INTl端以引起中斷[2]。在8031的串行口通過MCl488和MCl489實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，使8031的TTI。電平和PC—XT、的RS 2 3 2口的±12V信號電平能夠?qū)崿F(xiàn)串行通訊[3]。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集口用一片8155實現(xiàn)，其中用A口作為粗精通道的低8位數(shù)據(jù)輸入口，B口作為粗精通道其余高位數(shù)據(jù)輸入口，不用的位，通過電阻接高電平。而8155的C口作為x、y、Z三軸角的三個粗通道和三個精通道的數(shù)據(jù)鎖存信號，單片機只要分時地控制C口對應(yīng)位，即可從A、B兩口上獲得某一軸角粗通道或精通道的12或1 4位2進制數(shù)。為圖6--了給軸角鎖定系統(tǒng)的同位單片機提供實時數(shù)據(jù)，采用并行數(shù)據(jù)傳輸方案，為此擴展了一片8255實現(xiàn)并行通訊。每一軸角經(jīng)粗精組合以后，都變成了一個19位2進制數(shù)，所以8255的A、B、C口依次將成為數(shù)據(jù)的低8位，8位和高3位。對于顯示部分，采用靜態(tài)顯示，從8031的P1口送出8位數(shù)據(jù)，P1.0～P1,3為74Ls138的輸入信號。P1.4～P1.7作為顯示位的BCD碼數(shù)據(jù)線，在每一個顯示位通過一片MCl4495進行譯碼、鎖存和八段數(shù)碼管驅(qū)動，麗三一八譯碼器則用于8個LED的位迭信號，其中LED。用信息顯示，LED1～LED3用于度顯示，LED4～LED5用于分顯示，而LED6～LED7用于角秒顯示。系統(tǒng)的控制部分，采用一鍵多用技術(shù)，方法是用一個按鈕外加一二位扭環(huán)計數(shù)器實現(xiàn)，一個循環(huán)控制周期有4個狀態(tài)，開機后為0狀態(tài)，每按一下按鈕顯示狀態(tài)從一種狀態(tài)跳到下一種狀態(tài)。操
作十分方便，打印機控制用一開關(guān)來實現(xiàn)，只要將開關(guān)撥到ON側(cè)即可打印出某一時刻三軸角的實測結(jié)果，并分別用度、分、秒(10進制)和2進制示出，后者用于人員進行數(shù)據(jù)校驗。
為防止程序由于干擾而“跑飛”，在硬件上還設(shè)計了“看門狗”電路[4]，一旦程序因PC指針誤跳，則可迅速地復(fù)位，使系統(tǒng)進入正常測試狀態(tài)。
3．2系統(tǒng)軟件
本測量系統(tǒng)軟件包括8部分，即初始程序、數(shù)據(jù)采集程序、粗精組合程序、串并通訊程序、打印程序、2—10進制浮點數(shù)轉(zhuǎn)序、顯示程序和主控程序，其中主控程序主要完成判斷操作狀態(tài)、程序間協(xié)調(diào)、故障診斷、出錯報警、自動復(fù)位等總體管理任務(wù)。軟件流程圖如圖4所示。
這里操作狀態(tài)的判斷是主程序與控制開關(guān)K和打印開關(guān)P相配合來完成的，系統(tǒng)通電以后，操作狀態(tài)為0，這時若P打在0N位置，則顯示器信息區(qū)LED。顯示A，度顯示區(qū)
顯示P，表示這時打印機在每測量一次三維軸角后便打印一次實測值，當開關(guān)P打在off位置，LED。仍顯示A，表明此時系統(tǒng)仍工在O狀態(tài)，這時度區(qū)顯示為系統(tǒng)故障診斷標志。若系統(tǒng)工作正常，則度區(qū)顯示U。不正常時，根據(jù)診斷狀況顯示器度區(qū)顯示E0、E1等，如：E0表示14／12XSZ"}f=0，此時采集的數(shù)據(jù)無效。E1表示數(shù)據(jù)溢出，E2表示粗精組合出錯，E3表示串行口數(shù)據(jù)發(fā)送或接收出錯，E5表示打印機“忙”。當按一下K鍵時，系統(tǒng)便由0狀態(tài)進入1狀態(tài)，此時信息區(qū)顯示b，度、分、秒?yún)^(qū)分別顯示x軸角的度分秒實測值。依次按K鍵時，分別進入狀態(tài)2和狀態(tài)3，其中信息區(qū)分別顯示c和d，而度、分、秒?yún)^(qū)分別顯示y、z軸角的度分秒實測值，這樣4個工作狀態(tài)O～3就分別由信息區(qū)顯示的A、b、c、d表明。倘若再按一下K鍵則又進入狀態(tài)0而依次循環(huán)，其工作狀態(tài)和顯示方式如表2所示。
假若系統(tǒng)工作在狀態(tài)1、2、3時，即使P打在ON位置，打印機也不工作，此時如果系統(tǒng)不正常，則工作狀態(tài)不變，度區(qū)將根據(jù)診斷的錯誤形式而顯示相應(yīng)的信息，只是系統(tǒng)工作正常時不像狀態(tài)O那樣顯示U，而是顯示x、y、z軸角的實測度分秒值。若工作狀態(tài)原先在O狀態(tài)P顯示方式，那么除了報警條件以外，打印機在其它錯誤下仍然能正常工作，其度區(qū)該顯示的錯誤信息仍然顯示，一旦錯誤消失，系統(tǒng)將回跳到0狀態(tài)P顯示方式下。
程序間的協(xié)調(diào)任務(wù)主要是各種判斷正確時系統(tǒng)子程序的調(diào)用和參數(shù)的傳輸，故障診斷主要是對系統(tǒng)外部狀態(tài)的訪問和內(nèi)部運行的監(jiān)測，以及參數(shù)設(shè)置的分析診斷，出錯報警要處理各種錯誤的故障級別比較，按優(yōu)先權(quán)看是否必須報警，因為有許多情況屬于干擾引起的突變，一旦干擾消失則系統(tǒng)會處于正常，所以雖作顯示監(jiān)視，但不應(yīng)報警或擅自亂停機，至于自動復(fù)位功能是硬件“看門狗”電路的軟件配套程序，其目的是當程序循環(huán)一次以后給其“看門狗”電路中的計數(shù)器清零，若未清零，則認為系統(tǒng)程序脫軌而跳出循環(huán)，那么解決這種“跑飛”干擾的辦法就是“看門狗”自動給系統(tǒng)復(fù)位。
4結(jié)語
本系統(tǒng)為一智能化測量系統(tǒng)，首先8031資源得到了充分地利用，由于使用了一鍵多用技術(shù)，面板簡單，操作方便，加上多功能LDE顯示技術(shù)，使得操作人員可以了解到系統(tǒng)的一切運行狀態(tài)，14／12XSZ的采用和嚴密的軟硬件抗干擾措施，使得系統(tǒng)可靠性. |
