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街角的祝福伴奏:一种用数模混合电路实现的多电刷电位器

时间: 2019-03-14阅读:

摘要 针对远距传输系统中线绕电位器协调速度慢、产品体积大、产品安装复杂的不足,本文提出一种用数模混合电路模拟多电刷电位器,它以C8051F020和DAC8831MCDREP集成电路为核心芯片,实现角度信号转换为电位器电压信号输出功能。模拟电位器硬件电路主要由C8051F020单片机、DAC8831MCDREP数模转换芯片和放大电路三部分组成;软件部分主要有数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块三个功能模块;并用软件修正电压的方法提高模拟电位器的精度。

【关键词】角度 转换 电位器 单片机

电位器远距离传输角度信号在远距传输系统中应用广泛,尤其在机载设备中。电位器是远距传输系统中的一个重要器件,过去多采用线绕电位器,但其协调速度慢、产品体积大、产品安装复杂。针对线绕电位计的不足,本设计用一种电路模拟远距传输系统的电位器,采用数学方法拟合输出电压,用电子电路实现电位器电压输出来进行伺服驱动,试验验证取得了良好的效果。电路设计上结合单片机控制、数模转换、放大电路等设计技术,解决电位器进行伺服驱动的电子化,协调速度快、减小了体积,安装简捷,实现了产品整体电子化的更新换代。

1 电位器远距传输系统

电位远距传输系统的原理如图1所示,直流27V电源加在a、b点,只有c、d和e、f处于同电位的位置上,系统才处于协调状态。各电刷位置如图1所示,c、d和e、f点间的连线与a、b点间的连线互成90°关系。协调状态下,c、d和e、f点间没有电位差,即无信号输出。

如果其中一个电位器或其电刷相对协调位置转过一个角度,将会在c、d和e、f点间产生电位差,即有信号输出,此信号经各自的随动系统,带动相应电刷架或电位器转动,以消除失调现象,实现传输角度信号的目的。

本文模拟的电位器具有三个滑动电刷A、B、C,三个滑动电刷互成120°,通过对该电位远距传输系统进行试验测试、数据分析,确定了三个滑动电刷A、B、C电位与角度的关系如图2所示。

2 硬件设计

设计采用数模混合电路实现多电刷电位器(后面简称模拟电位器),其原理图如图3所示,RS422串口格式的角度信号经过单片机微处理器接收、处理、转换,输出三路具有120°相位差的数字量电压信号,通过三路片选信号及一路时钟信号控制三块数/模转换芯片工作,将三路数字量的电压信号转换为三路模拟量电压信号,然后经过直流电压放大电路放大,输出A、B、C三路直流电压信号,基准电压源为数/模转换芯片提供数模转换基准电压。

模拟电位器的硬件电路由C8051F020单片机、DAC8831MCDREP数模转换芯片和放大电路三部分组成,采用16位D/A转换,其转换精度可达0.01 V。C8051F020单片机的输入为串口格式的RS422角度信号,RS422角度信号经过单片机内部数据处理模块处理、转换为三路16位的数字量电压信号,通过单片机MOSI串口(P0.4)输出,P0.2输出时钟信号;P3.0输出数模转换芯片寄存器控制信号;单片机通过P3.1、P3.2、P3.3输出片选信号,控制三个数模转换芯片工作。

如果数模转换芯片DAC8831MCDREP(U2)被選通,A通道的U2将接收数字量A电压信号,并将其转换为0V~2.5V的电压信号。数模转换所需的2.5V基准电压,由高精度的温度补偿式带隙基准电压源芯片AD580SH提供。0v~2.5V的电压信号经过电压放大电路输出0v~27V电压A信号。同理,通过片选信号控制通道B和C可以将数字量电压信号B、C转换为电压B、C信号。

3 软件设计实现

模拟电位器的数据处理软件开发平台是Windows XP系统和Silcon laboratories IDEV3.20开发环境。采用模块化程序设计思想,根据数字电位计的功能需求,确定软件总体架构,再划分不同功能模块,主要包括:参数初始化、数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块。

3.1 参数初始化

初始化C8051F020芯片内部相关寄存器,包含看门狗、交叉开关、存储器配置、SPI接口、串口、定时器其它寄存器;初始化DAC88 31芯片SPI接口、控制寄存器。

3.2 数据采集模块

数据采集模块的主要功能是采集RS422接口数据,进行解算处理,为数据处理模块提供角度信息信号。

3.3 数据处理模块

数据处理模块用于实现角度/电压信号的转换和电压信号数据的修正等功能。

(1)角度/电压信号的转换按照图2中电压信号与角度信号的函数关系,将角度信号转换为三路相位差为120°的电压信号。

(2)对角度/电压进行分段,采用一次线性插值和二次抛物线插值法拟合三路输出电压与角度函数关系,二次抛物线插值比一次线性插值的计算复杂,运行时间增长,在拟合时要考虑测试负载差异,从中分离出有效的数据根据函数曲线形状的变化确定插值间距,分区及计算同时要考虑计算速度,存储容量,精度要求等多种因素。

(3)电压信号修正。输出误差包括:拟合电压与角度函数关系的偏差;硬件放大电压失真造成偏差;电压分段时拐点处偏差;经过大量的试验测试、数据分析,确定最终电压修正函数。

3.4 数据输出模块

经过修正后的三路电压信号,通过单片机的串行外设接口SPIO输出给外部硬件电路,实现数字/模拟变换。

为验证电路输出信号驱动情况,连接原电位计输出信号驱动的综合航向指示器进行了试验,精度优于原电位计输出驱动,达到了满意的效果。

4 结束语

笔者提出了一种以C8051F020和DAC8831MCDREP集成电路为核心芯片的模拟电位器,介绍了模拟电位器的工作原理,给出了硬件设计电路及软件设计实现方法。它结构简单,将电路与产品其他功能电路集成在电路板上,减小了产品体积,提高了可靠性和精度,己在某机载系统中得到应用,具有广阔的工业应用前景。

参考文献

[1]潘琢金,施国君.C8051FXXX高速soc单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[2]郭宝宁,周涛,电机应用技术[M].北京:北京大学出版社,2011.

[3] DAC8831 Voltage-Output Digital-to-Analog Converters.

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