微處理器在導(dǎo)航設(shè)備模擬信號(hào)處理中的應(yīng)用

摘要：介紹了一種微處理器在某導(dǎo)航設(shè)備中模擬信號(hào)的處理思路和算法，有效地提高了設(shè)備的系統(tǒng)集成度，達(dá)到提高設(shè)備可靠性的目的。
關(guān)鍵詞：微處理器；差動(dòng)方位；磁方位

    機(jī)載近程無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備可以為飛機(jī)駕駛員提供飛機(jī)所在位置信息以及航向信息，即可以連續(xù)地給飛機(jī)提供方位和距離數(shù)據(jù)，數(shù)字化的方位和距離信息可直接在數(shù)字指示器上顯示。為了更直觀地反映和觀察飛機(jī)的位置及航向，需要將數(shù)字方位進(jìn)行調(diào)制，變換成模擬的差動(dòng)方位信號(hào)，以提供給飛機(jī)的模擬航向位置指示器，指示飛機(jī)的航向信息。
    在早期第一代導(dǎo)航設(shè)備中，采用大量分立元件和同步發(fā)送器、感應(yīng)器、齒輪等機(jī)械傳動(dòng)方式完成差動(dòng)方位的產(chǎn)生。到了第二代導(dǎo)航設(shè)備，去掉機(jī)械傳動(dòng)部分，采用大量的中、小規(guī)模數(shù)字及模擬集成電路，完全依靠硬件電路完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理。以上兩種方式由于采用的元件數(shù)量多，并且有機(jī)械傳動(dòng)裝置，因而存在較多的不可靠因素，且數(shù)據(jù)處理誤差大，受環(huán)境條件影響大。在現(xiàn)代無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備中，大量采用微處理器完成系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)計(jì)算，減少和取掉了許多中、小規(guī)模集成電路、分立元件等，計(jì)算精度及可靠性、穩(wěn)定性等都有了較大提高。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 硬件原理
    根據(jù)“差動(dòng)方位=數(shù)字方位-磁方位”的關(guān)系，要得到差動(dòng)方位，必須知道數(shù)字方位和磁方位，其中數(shù)字方位在導(dǎo)航設(shè)備中可從接收的地面信標(biāo)臺(tái)的信號(hào)中解算而得到，而磁方位信息是由飛機(jī)輸入到導(dǎo)航設(shè)備的，它是X，Y，Z三相400 Hz交流信號(hào)，因此，首先將磁方位信號(hào)經(jīng)過(guò)交直流變換，使磁方位信號(hào)在交流基準(zhǔn)信號(hào)(AC1．5 V／400 Hz)的作用下解調(diào)并轉(zhuǎn)換成直流電平，該直流電平隨著磁方位的不同而變化，再通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器將磁方位信號(hào)進(jìn)行量化處理變成數(shù)字量。
    將數(shù)字方位與數(shù)字化的磁方位進(jìn)行計(jì)算得到數(shù)字化的差動(dòng)方位，然后將數(shù)字差動(dòng)方位通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器，在交流基準(zhǔn)信號(hào)的作用下，調(diào)制轉(zhuǎn)換成X，y，Z三相400 Hz交流差動(dòng)方位信號(hào)輸出。
1．2 電路的選取
    根據(jù)信號(hào)處理的特點(diǎn)，為使硬件規(guī)模最小化，選取微處理器為C8051F041，其內(nèi)部包含64 kB的Flash，4 kB的數(shù)據(jù)RAM，多通道12 bit的ADC和雙通道的12 bit的DAC，內(nèi)部3～24．5 MHz可編程的時(shí)鐘源；運(yùn)算放大器選取性能較好、低溫漂的OP11；由于輸出的差動(dòng)方位為模擬信號(hào)，須驅(qū)動(dòng)模擬表頭，需要的電流較大，采用大電流的運(yùn)算放大器SFH51作為最后輸出。

2 硬件的實(shí)現(xiàn)
2．1 交直流變換及ADC
    在C8051F041中有一多通道12 bit的ADC，將磁方位X，Y分別由模擬通道AIN0．0／AIN0．1輸入，基準(zhǔn)信號(hào)由VREF’和VREFA輸入。MCU分時(shí)對(duì)X／Y兩路信號(hào)進(jìn)行采樣、變換，電路如圖1所示。

2．2 數(shù)模變換(DAC)
    當(dāng)從磁方位信號(hào)中解調(diào)出磁方位角后，可以計(jì)算出差動(dòng)方位角度，根據(jù)具體硬件電路參數(shù)，可進(jìn)一步推算出該角度對(duì)應(yīng)的DAC轉(zhuǎn)換需要的數(shù)字量，然后將數(shù)字量送入DAC中，在交流基準(zhǔn)的調(diào)制下便可得到模擬的差動(dòng)方位信號(hào)，電路如圖2所示。

3 軟件的實(shí)現(xiàn)
3．1磁方位解算
    對(duì)于三相磁方位信號(hào)X，Y，Z，通常Z接地。假設(shè)磁方位為φ，則有
   
    根據(jù)前面分析，VXZ即為磁方位信號(hào)X的ADC采樣值，VYZ為磁方位信號(hào)Y的ADC采樣值，由此可根據(jù)上述公式計(jì)算出磁方位角度。
3．2 差動(dòng)方位產(chǎn)生
    根據(jù)差動(dòng)方位信號(hào)的要求和電路參數(shù)計(jì)算，差動(dòng)方位X和差動(dòng)方位Y分別表示為
   
    其中，θ為數(shù)字方位；φ為磁方位，ω=2πft，f=400 Hz；根據(jù)實(shí)際電路模型，有
   
    其中，DX為差動(dòng)方位X向數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量；DY為差動(dòng)方位Y向數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量。

4 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)上述硬件線路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，開展了相關(guān)課題實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用到某導(dǎo)航設(shè)備中，其集成度和可靠性得到了進(jìn)一步提高，指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。