基于高性能單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

陀螺儀是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中很關(guān)鍵的測量元件，敏感著載體的角速率，為姿態(tài)計(jì)算提供基準(zhǔn)坐標(biāo)系，因此其輸出信號性能的好壞在很大程度上決定了捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，高性能陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中是必須的。

本文正是針對這一需要成功地設(shè)計(jì)了一種基于高性能單片機(jī)的高精度陀螺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元、雙端口RAM緩存單元和通訊監(jiān)聽三部分組成，很好地解決了船用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集傳輸與姿態(tài)運(yùn)算的時(shí)間沖突矛盾。

1　陀螺儀數(shù)據(jù)采集整體系統(tǒng)

圖1為陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。

船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中陀螺儀及其驅(qū)動線路——力反饋回路通常安放在甲板上的慣性組件箱中，直接敏感船體的搖擺，而用于姿態(tài)運(yùn)算和控制的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)則放在控制柜中，遠(yuǎn)離慣性組件箱，因此現(xiàn)場采集的陀螺儀信號必須遠(yuǎn)距離傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)中。由于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)需要不斷地進(jìn)行復(fù)雜的姿態(tài)運(yùn)算，實(shí)時(shí)地給出姿態(tài)信息，因此若現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集板與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)直接通訊，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)將把大量時(shí)間消耗在數(shù)據(jù)接收上，姿態(tài)運(yùn)算來不及實(shí)現(xiàn)。為此陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集板與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)之間加了一塊數(shù)據(jù)緩存單元，它主要由雙端口RAM和高性能單片機(jī)89C51組成。由于艦艇上工作環(huán)境很惡劣，各種電磁波和干擾會影響數(shù)據(jù)的采集和傳輸，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮通訊監(jiān)聽和糾錯的措施。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作受導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的控制，也可以獨(dú)立工作。正常時(shí)要求采集器在10 ms內(nèi)完成兩個陀螺四路力反饋電流信號的采集、傳輸發(fā)送及通訊監(jiān)聽、糾錯等功能，剩下的時(shí)間由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)工作，因此整個系統(tǒng)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，要求數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間越短越好，這樣有利于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的濾波計(jì)算和陀螺動態(tài)漂移補(bǔ)償計(jì)算，并實(shí)時(shí)地給出姿態(tài)更新信息。

2　采集板的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中陀螺儀有用信號的頻帶范圍為直流至50 Hz左右。圖2為陀螺儀靜態(tài)時(shí)的信號頻譜圖，由圖2可見陀螺儀輸出信號中含有135 Hz以及更高頻率的噪聲，信號調(diào)理時(shí)必須盡可能地濾除它們，將真實(shí)有效信號給反映出來，為此在I／V轉(zhuǎn)換線路后面設(shè)計(jì)了一個高階低通濾波器。

采集板中的高性能16位單片機(jī)采用微處理器80C196KC［1］，它除了提供8X96已包括的一些外設(shè)（如時(shí)鐘發(fā)生器、I／O端口、A／D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、串行口、高速輸入輸出等）外，還集成了先進(jìn)的外設(shè)事物服務(wù)器 PTS（Peripheraltransaction server）。PTS是一種微代碼硬件處理器，可以替代CPU高速實(shí)現(xiàn)諸如啟動A／D轉(zhuǎn)換并讀取結(jié)果、讀取HSIFIFO、裝載HSO、串行口的發(fā)送與接收等中斷服務(wù)，從而大大減少CPU響應(yīng)中斷的開銷。在數(shù)據(jù)采集板中80C196KC用來完成A／D轉(zhuǎn)換器的啟動和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取和處理，并及時(shí)發(fā)送出去。80C196KC具有數(shù)據(jù)總線動態(tài)配置功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使80C196KC在讀程序時(shí)置數(shù)據(jù)總線為8位方式，而讀A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)置數(shù)據(jù)總線為16位方式，這樣一次讀走A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。系統(tǒng)中通過開關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)對四路力反饋信號的采集，且利用80C196KC提供的高速輸出HSO和內(nèi)部定時(shí)器T1配合形成四路力反饋信號的精確等間隔采樣，然后輔以必要的數(shù)字平滑濾波。通常發(fā)送數(shù)據(jù)是要花費(fèi)CPU時(shí)間的，而采用80C196KC提供的PTS發(fā)送數(shù)據(jù)可近似認(rèn)為發(fā)送不占CPU的時(shí)間。此外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中還充分利用了80C196KC提供的內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器，來定期采集慣性組件箱內(nèi)的溫度為電子線路溫度漂移補(bǔ)償提供參數(shù)。

采集板中的A／D轉(zhuǎn)換器為MAX195［2］，16位串行輸出，具有自校準(zhǔn)功能，轉(zhuǎn)換速率隨外界時(shí)鐘頻率而定。系統(tǒng)中將80C196KC的時(shí)鐘輸出端四分頻形成1．5 MHz的時(shí)鐘供MAX195使用。

3　數(shù)據(jù)通訊監(jiān)聽糾錯

由于艦艇上的工作環(huán)境很惡劣，有強(qiáng)烈的電磁干擾（慣性組件箱靠近搜索雷達(dá)），有可能使遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯，采用雙絞線或屏蔽電纜線能大大提高通訊的可靠性，但也不能保證不出錯。由于數(shù)字通訊中一個數(shù)碼的錯誤可能導(dǎo)致整個發(fā)送數(shù)據(jù)面目全非，因此在通訊中必須采用校驗(yàn)和糾錯技術(shù)。若接收方校驗(yàn)出錯，則要求發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這些工作必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)盡快完成。

現(xiàn)場采集板上的單片機(jī)80C196KC是數(shù)據(jù)發(fā)送方，它的工作十分繁忙，且發(fā)送控制是通過PTS硬件邏輯實(shí)現(xiàn)的，不可能要求它在發(fā)送完數(shù)據(jù)后再接收導(dǎo)航計(jì)算機(jī)要求的數(shù)據(jù)重發(fā)命令，為此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加了數(shù)據(jù)通訊監(jiān)聽糾錯單元，負(fù)責(zé)通訊有誤時(shí)的處理。其原理為在采集板80C196KC的附近設(shè)置一個監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)80C196KC通過PTS發(fā)送陀螺數(shù)據(jù)至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，也接收陀螺數(shù)據(jù)。當(dāng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)時(shí)，回傳要求重發(fā)數(shù)據(jù)，此信號被監(jiān)控系統(tǒng)接收并負(fù)責(zé)重發(fā)數(shù)據(jù)，而80C196KC不再負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的重發(fā)，實(shí)時(shí)地啟動下一次A／D轉(zhuǎn)換。在軟件編程時(shí)，采取了漢明編碼理論［3］，通過軟件來實(shí)現(xiàn)糾錯編碼［4］。實(shí)踐表明，采用硬件通訊監(jiān)聽和軟件實(shí)現(xiàn)糾錯編碼后，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率大大降低，特別是對一些突發(fā)性干擾（尖脈沖）尤為明顯，大大提高了整機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

4　雙端口RAM緩存

由于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)忙于姿態(tài)更新和復(fù)雜的濾波計(jì)算，不可能直接和采集板上的單片機(jī)80C196KC或89C2051進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，因此系統(tǒng)中采用雙端口 RAM來緩存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)，緩存單元由微處理器89C51進(jìn)行控制。首先是89C51直接和采集板上的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并負(fù)責(zé)通訊傳輸過程中可能發(fā)生的誤碼的處理，然后將接收到的數(shù)據(jù)放入雙端口RAM，這樣導(dǎo)航計(jì)算機(jī)只需從雙端口RAM的另一側(cè)數(shù)據(jù)線上讀走數(shù)據(jù)，減輕了導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高了慣性系統(tǒng)的可靠性。

雙端口RAM緩存單元不僅暫時(shí)存貯陀螺儀的信息，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還暫存加速度計(jì)的信息，此外還由89C51進(jìn)行陀螺標(biāo)度因子的計(jì)算來完成導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的部分工作。

雙端口RAM在實(shí)際操作時(shí)會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，即雙端口RAM兩側(cè)的CPU同時(shí)對同一個地址單元進(jìn)行寫操作，這種情況是不允許的。有三種解決爭用的方案：片內(nèi)硬件判優(yōu)方案、中斷方案和令牌傳替方案。在本系統(tǒng)中，利用雙端口RAM（IDT7130／LA55P）上兩個特殊的存貯單元3FFH和3FEH（16 進(jìn)制）產(chǎn)生中斷信號供兩側(cè)計(jì)算機(jī)使用［5］。

5　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件和抗干擾

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，軟件可分為三個模塊，分布在三個單片機(jī)中。（1）數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換啟動模塊，它包括對16位A／D轉(zhuǎn)換器的自校準(zhǔn)編程，采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理處理和PTS發(fā)送等功能；（2）通訊監(jiān)聽糾錯模塊，完成通訊過程中數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收編程，漢明碼的軟件實(shí)施等；（3）數(shù)據(jù)緩沖單元中89C51的編程，主要完成通訊數(shù)據(jù)的接收和陀螺標(biāo)度因子的計(jì)算以及發(fā)布導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的控制命令等工作。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾主要從硬件和軟件上著手，除了上面介紹的措施外，系統(tǒng)中還采取了多種方法，如對程序和電源進(jìn)行監(jiān)視，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)失控防護(hù)以及掉電復(fù)位和掉電操作的控制。對軟件運(yùn)行中可能出現(xiàn)的“飛程序”和程序 “死循環(huán)”采取了監(jiān)控定時(shí)器和中斷互檢技術(shù)。此外良好的地平面技術(shù)、合理的系統(tǒng)布局都大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。圖3給出該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試陀螺儀靜態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)曲線。

Vave＝0．003 377 6 V
Vrms＝1．013833e－004 V
Vmax＝0．003 631 6 V
Vmin＝0．003 106 6 V

參考文獻(xiàn)

1　孫涵芳．Intel 16位單片機(jī)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995．144～171
2　MAXIM 1996 New Release Data Book Volume V7．93～7．117
3　楊　爵，等．實(shí)用糾錯編碼．北京：中國鐵道出版社，1988．22～34
4　吳延海．用軟件實(shí)現(xiàn)糾錯編碼．電子技術(shù)應(yīng)用，1997，5：33～35
5　朱欣華．多機(jī)系統(tǒng)中雙口RAM的構(gòu)成方法及應(yīng)用．測控技術(shù)，1996，2：25～28