基于单片机的专用信号发生器设计与应用

一 前 言

在简易制导武器中，角位移传感器是姿态修正系统的敏感元件，用来测量弹体的角运动参数并以电信号形式给出三个信息。其中输出两路幅值相等相位相差90°的正弦信号作为弹体偏转测量的基准信号；另一路输出测角信号，该信号相对基准信号的相位反映角偏差的方向、幅值反映角偏差量。专用信号发生器就是模拟角位移输出信号的装置，用来进行后续解调电路以及功放电路的检测。它以单片机为核心，经过D/A转换和放大电路的处理，最后输出反应弹体姿态的基准信号和测角信号。

二 数学模型的建立

根据对输出信号性能指标的要求，基准信号幅值：A， 基准信号频率：f ，假设对A的精度要求为±0.01V，对f的要求为±10Hz，输出信号为正弦信号，可以建立模拟基准信号的数学表达式如下：

其中幅值的大小可以通过放大电路部分进行调节。

测角信号实时反映弹体的姿态，根据检测需要和角位移传感器的结构可以建立这一特定的Uc数学表达式为：

其中幅值的大小可以通过放大电路进行调节，相角Ψ反映偏差的方向。

三 方案设计

信号发生器的设计任务就是产生三路信号，并且提供和主机通讯的软硬件接口。首先根据输出信号的频率和幅值进行编码，存储在单片机的ROM里，然后以一定的时间间隔依次将这些数字量送往 D/A进行转换输出，这样，只要循环不已的送数，在D/A的双极性输出端就可以得到信号波形。信号的输出时序受上位机控制。

本设计采用AT89C4051组成一个最小的单片机系统。AT89C4051是Atmel公司的一款基于MSC51 内核的简化单片机，指令与标准的51单片机兼容，带有4K可重新编程片上程序存储器，128B的数据存储器，多达15条可编程I/O线，两个16位定时器 /计数器，片上模拟比较器，一个标准串行通讯口，内部带有振荡器和时钟电路。系统的硬件结构图如图1。

图1  硬件结构图

3.1 时钟复位电路设计

采用单片机片内的振荡器、上电复位和外部硬件看门狗电路。看门狗采用MAXIM公司的MAX706芯片,硬件电路如图2。 MAX706可以提供至少200ms宽度的复位脉冲，为使看门狗溢出有效必须把MAX706的WDO和MR连接起来，看门狗输入WDI连接4051的任何一个I/O端口都可。MAX706在程序运行期间监控整个系统的运行，喂狗程序必须在1.6秒之内使WDI引脚电平发生改变，否则MAX706将发出复位指令，使整个系统复位，看门狗时序如图3所示。

3.2 单片机与D/A的接口电路设计

D/A选用AD公司的AD7226。AD7226是具有8位精度的四通道D/A转换器，最小分辨电压约为4mV，可以满足设计的精度要求。每个通道都有一个输入锁存器，可以对输入的数字量进行锁存；输出端带有输出缓冲放大器。AD7226有一条写入控制线WR，两条地址线A0、A1，通过地址线可以选择不同的D/A转换通道。写入时序如图4所示。

由于4051没有专门的地址和读写控制引脚，此处可以通过普通的I/O引脚参考AD7226的写入时序，利用软件进行时序模拟。可以通过改变延时的时间来改变输出的频率。图5是利用4051的P3.0、P3.1口作为A0、A1的地址线，P3.5作为WR的写入控制线的硬件参考电路，相应的示例程序如下：
     ……..      
    MOV  P1, A         ；P1口置数              
    MOV  P3, #0FCH    ；选择通道A      
    CLR   P3.5         ；置P3.5 低电平 
    SETB  P3.5         ；置P3.5 高电平，上升沿锁存数据
    LCALL  DELAY     ；调用延时子程序
     ……..

图5   单片机与D/A接口电路

3.3 偏移电路设计

AD7226的每一个通道都可以单独用来提供单极性或双极性的输出，要获得双极性的输出必须外加运算放大器和偏移电阻，输出电压的范围取决于参考电压的大小，如图6是在单极性电源供电情况下的双极性输出电路图，要注意偏移电阻的阻值匹配。

图6  AD7226双极性输出电路

3.4 放大电路设计

放大电路主要是对AD7226输出的双极性电压信号幅值进行处理，以达到使用的要求。放大电路的输入极增加一个一阶低通滤波器，以防止D/A输出的高频成分干扰；采用低频运放作为射随器以提高输入阻抗。放大电路部分如图7所示。     

     
图 7  放大电路（部分）

四 信号发生器的软件设计

4.1 信号编码

在这里要注意 的取值范围是－1～ ,而不是－1～＋1。取整时要按照四舍五入的原则以减少误差，表1是双极性输出时二进制编码表以及对应模拟输出电压。

表 1  双极性输出偏移二进制码表

4.2 软件设计

软件的任务是根据上位机的指令完成信号的控制和输出，编程语言采用8051汇编语言，整个程序由初始化模块、基准信号输出模块、测角及基准信号输出模块、中断模块、延时模块和喂狗模块组成。软件流程如图8所示。

4.3 与上位机接口时序

信号发生器采用中断的模式响应上位机的控制指令，其指令的时序如图9所示。

系统上电后，上位机须发送清零指令，复位INT0、INT1为低电平，Uj1、Uj2、Uc输出为0。在INT0、INT1为低电平期间，可以发送基准信号输出指令INT0，输出基准信号Uj1、Uj2；在基准信号输出期间，即INT0为高电平期间，可以发送测角信号输出指令INT1，此时输出测角信号 Uc，Uj1、Uj2同步输出。当INT0变为低电平时，无论INT1为何种状态，三路信号输出都为0。发送基准信号和测角信号输出前必须保证INT0、 INT1有效复位低电平。在INT0为低电平期间，陀螺仪模拟器不响应任何INT1指令。如果发生不可预料的逻辑紊乱，可以通过复位INT0、INT1，再按照图9所示时序关系发送指令。

图 8   软件流程图

图 9  INT0、INT1工作时序

五 结 论

通过软件硬件的调试和检测，表明该模拟装置的硬件和软件系统能很好的工作，在系统的联调中能正确的模拟角位移传感器的基准信号和测角信号，满足设计的要求，已经在某产品的检测系统中获得了应用。

参考文献：
【1】 胡汉才 著 单片机原理及其接口技术 清华大学出版社 1995年6月
【2】 陈大钦 著 模拟电子技术基础  高等教育出版社  1999年7月
【3】 汤钰鹏 等著 MCS－51系列单片机应用及其接口技术 人民邮电出版社 2003年6月