單片機三維軸角智能化測量系統
馬瑞卿 蘆 剛 劉昌旭
李鐘明 竇滿鋒 (西北工業大學)
1 引言
甩旋轉變壓器實觀軸角精密測量需要解決的關鍵是將多極旋轉變壓器的模擬量變成數字量。80年代后期；最國自行研制的14／12位XSZ系列旋轉變壓器一數字轉換器達到世界水平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。文中所述系統是利用14／12XSZ與多極旋轉變壓器的精粗通道相配作為系統的前向通路。隨著單片機微處理器的迅速發展，使得更加精密而可靠的智能測量成為可能，本系統利 用8031非常強的位操作功能、便于擴展、程序靈活、易于數字處理、體積小、價格低的特點，實現三維軸角的數據分時采集、精粗組合，打印和數碼顯示，系統可與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，本系統選用P=32，14／12XSZ數字轉換器分別將多極旋轉變壓器的精粗通道模擬電壓輸出轉換成14／12位二進制數字量，由于該數字轉換器采用二階伺服回路，輸出連續跟蹤輸入軸角的變化，使用時，旋轉變壓器輸出的4個端子分別接到轉換器D1-D4端（見圖1），通過其內部
微型隔離變壓器后仍為正余弦形式的輸出，即：
式中 θ-----旋轉變壓器軸角
假定轉換器內部可逆計數器現時代碼值為φ，則經誤差放大器后有：
由內部相敏檢波器、積分器、壓控振蕩器組成的閉環系統使sin(φ-θ)為0(即φ-0),
當這個過程完成時，可逆計數器的代碼值φ就等于轉換器的轉換結果----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。：維軸角經粗精組合就可實現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據時，可將“忙”信號M作為一位數據，連同14／12位數據一起讀入內存，再進行檢測，若M為高電平，則認為數據無效，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部可逆計數器末位的跳變，會導致粗精兩通道的****有效位發生多計和少計，尤其對粗讀數，因其處于高位，末位數不允許有誤差，所以在雙讀數系統中不加入一定的判斷及處理，就可能產生這種粗大誤差。為了有效地提高系統測量精度，必須由單片機對粗通道的12位輸出碼進行糾錯和校正。一般多極旋轉變壓器粗精通道相互獨立，對于32對極的旋轉變壓器，粗通道采用12位轉換器時，測量范圍為O．08789。～360。，而精通道采用14位轉換器時，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。由于系統采用2進制數，考慮到組合范圍應有一定寬度，而且邏輯處理上對單片機又不是太復雜，故采用3位擴展組合法。對于精通道，****位權值為5．625~，所以粗通道應從權值為5。625。的第四位向高位順序數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的情況不會發生，即誤差不會等于O．5[1]，這樣可用此規律≯U出真值，如表1所示。
由精通道全部14位數和組合后的粗通道高5位數構成一個19位2進制數。
3系統硬軟件設計
3．1系統硬件
本測量系統以80 31單片機為主控芯片，通過74Ls373鎖存器擴展了一片2764EPROM，由于該系統屬于實時數據采集系統，數據存貯量不大，利用8031內部RAM足夠，無需進行靜態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果打印出來，采用GPl6實現硬考貝，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實現電平轉換，使8031的TTI。電平和PC—XT、的RS 2 3 2口的±12V信號電平能夠實現串行通訊[3]。系統的數據采集口用一片8155實現，其中用A口作為粗精通道的低8位數據輸入口，B口作為粗精通道其余高位數據輸入口，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據鎖存信號，單片機只要分時地控制C口對應位，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。為圖6--了給軸角鎖定系統的同位單片機提供實時數據，采用并行數據傳輸方案，為此擴展了一片8255實現并行通訊。每一軸角經粗精組合以后，都變成了一個19位2進制數，所以8255的A、B、C口依次將成為數據的低8位，8位和高3位。對于顯示部分，采用靜態顯示，從8031的P1口送出8位數據，P1.0～P1,3為74Ls138的輸入信號。P1.4～P1.7作為顯示位的BCD碼數據線，在每一個顯示位通過一片MCl4495進行譯碼、鎖存和八段數碼管驅動，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。系統的控制部分，采用一鍵多用技術，方法是用一個按鈕外加一二位扭環計數器實現，一個循環控制周期有4個狀態，開機后為0狀態，每按一下按鈕顯示狀態從一種狀態跳到下一種狀態。操
作十分方便，打印機控制用一開關來實現，只要將開關撥到ON側即可打印出某一時刻三軸角的實測結果，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據校驗。
為防止程序由于干擾而“跑飛”，在硬件上還設計了“看門狗”電路[4]，一旦程序因PC指針誤跳，則可迅速地復位，使系統進入正常測試狀態。
3．2系統軟件
本測量系統軟件包括8部分，即初始程序、數據采集程序、粗精組合程序、串并通訊程序、打印程序、2—10進制浮點數轉序、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、程序間協調、故障診斷、出錯報警、自動復位等總體管理任務。軟件流程圖如圖4所示。
這里操作狀態的判斷是主程序與控制開關K和打印開關P相配合來完成的，系統通電以后，操作狀態為0，這時若P打在0N位置，則顯示器信息區LED。顯示A，度顯示區
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P打在off位置，LED。仍顯示A，表明此時系統仍工在O狀態，這時度區顯示為系統故障診斷標志。若系統工作正常，則度區顯示U。不正常時，根據診斷狀況顯示器度區顯示E0、E1等，如：E0表示14／12XSZ"}f=0，此時采集的數據無效。E1表示數據溢出，E2表示粗精組合出錯，E3表示串行口數據發送或接收出錯，E5表示打印機“忙”。當按一下K鍵時，系統便由0狀態進入1狀態，此時信息區顯示b，度、分、秒區分別顯示x軸角的度分秒實測值。依次按K鍵時，分別進入狀態2和狀態3，其中信息區分別顯示c和d，而度、分、秒區分別顯示y、z軸角的度分秒實測值，這樣4個工作狀態O～3就分別由信息區顯示的A、b、c、d表明。倘若再按一下K鍵則又進入狀態0而依次循環，其工作狀態和顯示方式如表2所示。
假若系統工作在狀態1、2、3時，即使P打在ON位置，打印機也不工作，此時如果系統不正常，則工作狀態不變，度區將根據診斷的錯誤形式而顯示相應的信息，只是系統工作正常時不像狀態O那樣顯示U，而是顯示x、y、z軸角的實測度分秒值。若工作狀態原先在O狀態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，其度區該顯示的錯誤信息仍然顯示，一旦錯誤消失，系統將回跳到0狀態P顯示方式下。
程序間的協調任務主要是各種判斷正確時系統子程序的調用和參數的傳輸，故障診斷主要是對系統外部狀態的訪問和內部運行的監測，以及參數設置的分析診斷，出錯報警要處理各種錯誤的故障級別比較，按優先權看是否必須報警，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會處于正常，所以雖作顯示監視，但不應報警或擅自亂停機，至于自動復位功能是硬件“看門狗”電路的軟件配套程序，其目的是當程序循環一次以后給其“看門狗”電路中的計數器清零，若未清零，則認為系統程序脫軌而跳出循環，那么解決這種“跑飛”干擾的辦法就是“看門狗”自動給系統復位。
4結語
本系統為一智能化測量系統，首先8031資源得到了充分地利用，由于使用了一鍵多用技術，面板簡單，操作方便，加上多功能LDE顯示技術，使得操作人員可以了解到系統的一切運行狀態，14／12XSZ的采用和嚴密的軟硬件抗干擾措施，使得系統可靠性. |
