【 摘要 】 基于RTlinux和AD2S80A的角位置测量系统，选用旋转变压器和感应同步器作为测量系统的传感器，利用AD2S80A轴角变换器将两种测量传感器输出的模拟信号转换为相应的数字信号。根据双通道测角系统粗精耦合的原理，在RTLinux嵌入式系统中对两种数字信号进行耦合处理，并对耦合后信号的进行补偿处理，实现角位置的高精度测量。检测数据表明，这种测量系统可以实现以内的测量精度。
【 关键词 】 RTLinux；AD2S80A；测量系统；粗精耦合
Design and Analysis of Angle Measuring System Based on RTlinux and AD2S80A
Shen Wei-fang
(Jiangsu Province Rugao Vocational SchoolJiangsu Rugao 226500)
【 Abstract 】 Rotary transformer and inductosyn are chosen as sensors in the angle measuring system which is based on RTLinux and AD2S80A. The resolver-to-digital converter AD2S80A is used to convert analog signal into corresponding digital signal, and the analog signal is generated by the two sensors. Then, digital signal will be combined and compensated in the RTLinux embedded system by the combination for coarse-fine coed principle. Detected data has effectively improved that this measuring system can realize an measuring precision within.
【 Keywords 】 RTlinux; AD2S80A; measuring system; combination for coarse-fine coed
1 引言
角位置测量系统是测量技术的重要组成部分。在船舶、航空航天等工业领域中，常常要求对角位置进行快速精密的测量，以便调整或控制被测物体的方位、姿态等，使其稳定在工作要求的动态范围内。不同角位置测量系统的测量原理和工作方式往往由它采用的传感器决定，目前常用的角位置测量传感器有电位器、旋转变压器、感应同步器、光电编码器等，不同传感器的精度和价格是不同的。
通过综合分析比较以上传感器的特点，在设计某飞行姿态双轴仿真转台测量系统时，根据转台系统的特点，设计了一种基于RTlinux和AD2S80A的角位置测量系统。这种测量系统选用旋转变压器和感应同步器为传感器。首先由旋转变压器测量1周内的粗角位置信号，由感应同步器测量1度内的高精度角位置信号。其次，利用美国AD公司生产的AD2S80A轴角变换器将两种测量传感器输出的模拟信号转换为相应的数字信号。最后，根据双通道测角系统粗精耦合的原理，在RTLinux中通过对信号的耦合和补偿处理，实现1周内的高精度角位置信号测量。本文将对这测量系统的组成、工作原理、通讯接口、粗精耦合和补偿原理进行分析，并用数据说明这种测量系统的测量效果。
2 测量系统的组成和工作原理
基于RTlinux和AD2S80A的角位置测量系统主要包括旋转变压器、感应同步器、AD2S80A轴角变换器、接口转换电路和RTlinux嵌入式处理平台，它们之间的基本关系如图1所示。
从图1中可以看出，该测量系统首先由旋转变压器和感应同步器将角位置变化信号转换为不同的模拟电信号，受限于传感器的工作原理，这种信号不能直接表示为对应的数字信号。因此，在测量系统中的第二个部分选用由美国AD公司生产的AD2S80A轴角变换器对传感器输出的信号进行处理。这是一款针对旋转变压器和感应同步器输出信号处理的专用芯片，一方面，它对旋转变压器和感应同步器输出信号的波形失真、幅值稳定度等技术指标要求不高，有利于实现精确测角；另一方面，它的输出信号更新速度很快（为微秒级），有利于提高数字控制方案的采样频率，由它处理后输出的数字信号可以直接与通用的数字通讯接口或微处理器接口相连。
考虑实际使用的RTlinux是一款基于PC的嵌入式操作系统，选用一款PCI插槽的I/O板卡采集相应的数字信号；为了节约板卡资源，降低系统成本，在AD2S80A 芯片和RTLinux嵌入式处理平台之间添加了一块接口转换板。由于制造工艺的不同，旋转变压器输出的电信号表示的角位置范围大、精度低；感应同步器输出的电信号表示的角位置范围较小、精度高。它们中的任意一个都不能同时满足系统高精度、绝对编码的要求。因此，在RTlinux处理的过程中，首先需要对采集到两路信号进行耦合处理，再根据外界基准对耦合后的信号进行补偿，以消除系统机械安装、电磁干扰等造成的测量误差，提高测量的精度。
3 粗精耦合和误差补偿原理
3.1 粗精耦合原理
在粗、精双通道测角系统中，两个通道是相互独立的两套系统，它们的测量范围和精度均不相同，且任何通道都不能同时满足大范围、高精度测量系统的要求。粗、精耦合原理就是将两个通道测量值耦合为满足测量系统要求的准则。
在某飞行姿态双轴仿真转台测量系统中，粗测通道的旋转变压器测量精度为4角分，其输出的数据在十分位就可能同真实的角位置有偏差。由360对极感应同步器组成的精测通道具有较高的测量精度，它的测量精度最高可达万分之几度。在测量系统中，可以认为精测通道输出数据的前几位是真实的（带有精测误差的真实值）。因此所谓粗、精耦合实际上是先以精测的结果为标准对粗测结果进行修正，并将修正后的粗测整数位同精测的小数位合并形成最终测量系统得输出值。
根据感应同步器极对数的不同，可以选用十分位比较判别修正法或粗、精通道个位数奇偶异同判别法进行粗精耦合。因该转台选用360对极感应同步器，通过分析比较这两种方法的优缺点，前一种方法更适合本测量系统。此时，耦合的前提条件是粗测误差小于等于。
在此前提条件下，如果由于粗测误差造成其测量数据十分位向个位进行错误的进、借位，肯定造成最后合并的结果出现的跳跃变化。这时需要根据精测数据的十分位对其进行修正，并将修正后的粗测整数位与精测小数位耦合。以下是具体处理过程。
（1）如果粗测和精测数据的十分位误差绝对值小于4，则粗测数据的个位值为真实值（带有精测误差的真实值），这时直接将粗测数据的整数位与精测小数位相耦合，得到大范围的角位置信号。
（2）如粗测和精测数据的十分位误差绝对值大于4，则必须对粗测数据的个位值进行修正后再耦合，以下是具体方法。
a. 如果粗测数据的十分位大于精测数据的十分位，则说明粗测数据的十分位向其个位有错误借位，故必须将粗测数据的整数部分加1后再与精测小数耦合，得到正确的大范围角位置信号。
b.如果粗测数据的十分位小于精测数据的十分位，则说明粗测数据的十分位向其个位有错误进位，故必须将粗测数据的整数部分减1后再与精测小数耦合，得到正确的大范围角位置信号。
3.2 误差补偿原理
任何测量系统输出的数据都与真实值之间存在一定的误差，这种误差有些是由机械安装造成的，有些是由电路中的电磁干扰形成的。为了提高测量系统的精度，需要对测量系统输出的基础数据进行补偿。如果假设N个测量点的测量值和理想值分别为xi和yi，对应点的误差为△i=yi-xi，其中i=1,2...N。任意两点之间的分段线性拟合方法可以描述为：
yn=xi+■·xi+△i (1)
其中yn为点i和i+1之间的拟合点。这种补偿方法的基本原理是用两点之间的直线代替两点之间曲线，比较容易实现，补偿的精度随测量点的增加而增加。
4 测量系统设计
根据这种测量系统的组成和基本原理，在设计时可以分为硬件电路和软件算法两个部分。这里以某飞行姿态双轴仿真转台测量系统为对象对测量系统进行设计，并给出相关的电路图和软件流程。
4.1 测量系统的硬件电路设计
测量系统硬件电路的设计主要包括旋转变压器和感应同步器工作需要的激磁电路设计、AD2S80A的外围电路设计和简单的接口外扩电路三个部分。这里首先对硬件的通讯接口进行分析，再分别简单介绍各个部分的电路设计。
激磁电路在设计时，先用5MHz晶振产生基波信号，再利用两个分频芯片CC4020和CC4017将信号转换为AD2S80A期望的2KHz信号。AD2S80A的外围电路设计时，主要按照AD2S80A数据手册[5]中的典型应用配置具体参数。接口外扩电路只需要AD2S80A 外围电路板中加入一个DB25针的插座即可，这是由于AD2S80A输出单元自带锁存寄存器，在AD2S80A外围电路板设计时，通过板内走线的方式将对应的信号连接起来就实现了端口复用的功能。
根据测量系统的组成和工作原理，设计时选用两片AD2S80A轴角变换器分别对旋转变压器和感应同步器输出的信号进行处理。为了满足用户不同的设计要求，AD2S80A提供10bit、12bit、14bit和16bit四种输出分辨率工作方式，由SC1和SC2管脚确定，输出的接口总是为16bit。显然,如果不加处理，单片AD2S80A就要占用板卡16位I/O端口，为满足测量系统接口需要选择一块I/O为32位的板卡。为了充分利用系统资源，节省开发成本，在不影响系统功能的前提下，可以采用端口分时复用的方法，即所有2片AD2S80SA输出信号共用一个16位I/O端口，由另外2位I/O端口负责分时选通相应的测角芯片。这样，完成RTlinux嵌入式平台与AD2S80A之间的数据采集就只需18位I/O端口，一块I/O为24位的板卡就可以满足系统要求，实际系统中选择台湾泓格公司生产的PIO-D24。
4.2 测量系统的软件设计
测量系统的软件功能主要包括两个端口的数据采集、粗精耦合和耦合后的误差补偿三个部分。在RTlinux系统中首先用创建一个周期为1ms的周期进程，在该进程中每次都要完成一次数据采集、耦合和误差补偿的处理过程。由泓格公司生产的PIO-D24 I/O板卡寄存器地址与PC机内存地址之间是固定不变的关系，且该板卡是以字节为单位对数据进行存取操作。数据采集时，只需调用RTLinux内核下的inb()函数就能完成数据的采集。具体的流程如图2所示。
5 实验结果
选用23面棱体和自准直光管对以上设计的测量系统进行检测。检测的结果如图3所示。图中的虚线表示补偿前的误差曲线，图中的点划线表示补偿后的误差曲线。从图中可以看出，补偿前这种测量系统的精度在峰-峰左右，补偿后系统的精度在以内，充分说明这种测量系统能够实现以内的精度。
6 结论
基于RTLinux和AD2S80A的角位置测量系统，选用旋转变压器和感应同步器作为测量系统中的粗测和精测传感器。利用AD2S80A轴角变换器对传感器输出的信号进行处理，并通过RTLinux嵌入式处理平台对AD2S80A处理后的信号进行耦合和补偿处理，最终实现角位置的高精度测量。实际应用结果表明，这种角位置测量系统能够实现±2.5"以内的测量精度。
参考文献
[1] 王兴华,孙纯祥,周成岩.基于AD2S80A的高精度测角测速系统设计[J].微电机,2008,41(10):50-53.
[2] 丁华福,曲蔚,陈其兵.AD2S80在测角系统中的应用[J].信息技术，2002(8):6-8.
[3] 何俊,李文华.基于FPGA和AD2S80A的数字测角系统[J].仪表技术与传感器,2008(7):67-69.
[4] Analog Devices Inc, Data Converter Reference Manual, 1994.
[5] 姜复兴,庞志成.惯导测试设备原理与设计[M].哈尔滨工业大学出版社,1998(2)：208-216.
[6] 邹思轶.嵌入式Linux设计与应用[M].清华大学出版社,2002：5-6.
作者简介：
沈维芳（1975-），女，中学一级，江苏省如皋中等专业学校。