基于單片機的信號發生器設計與應用

　　一、前言
　　
　　在簡易制導武器中，角位移傳感器是姿態修正系統的敏感元件，用來測量彈體的角運動參數并以電信號形式給出三個信息。其中輸出兩路幅值相等相位相差90°的正弦信號作為彈體偏轉測量的基準信號；另一路輸出測角信號，該信號相對基準信號的相位反映角偏差的方向、幅值反映角偏差量。信號發生器就是模擬角位移輸出信號的裝置，用來進行后續解調電路以及功放電路的檢測。它以單片機為核心，經過D/A轉換和放大電路的處理，zui后輸出反應彈體姿態的基準信號和測角信號。
　　
　　二、數學模型的建立
　　
　　根據對輸出信號性能指標的要求，基準信號幅值：A，基準信號頻率：f，假設對A的精度要求為±0.01V，對f的要求為±10Hz，輸出信號為正弦信號，可以建立模擬基準信號的數學表達式如下：
　　
　　其中幅值的大小可以通過放大電路部分進行調節。
　　
　　測角信號實時反映彈體的姿態，根據檢測需要和角位移傳感器的結構可以建立這一特定的Uc數學表達式為：
　　
　　其中幅值的大小可以通過放大電路進行調節，相角Ψ反映偏差的方向。
　　
　　三、方案設計
　　
　　信號發生器的設計任務就是產生三路信號，并且提供和主機通訊的軟硬件接口。首先根據輸出信號的頻率和幅值進行編碼，存儲在單片機的ROM里，然后以一定的時間間隔依次將這些數字量送往D/A進行轉換輸出，這樣，只要循環不已的送數，在D/A的雙極性輸出端就可以得到信號波形。信號的輸出時序受上位機控制。
　　
　　本設計采用AT89C4051組成一個zui小的單片機系統。AT89C4051是Atmel公司的一款基于MSC51內核的簡化單片機，指令與標準的51單片機兼容，帶有4K可重新編程片上程序存儲器，128B的數據存儲器，多達15條可編程I/O線，兩個16位定時器/計數器，片上模擬比較器，一個標準串行通訊口，內部帶有振蕩器和時鐘電路。系統的硬件結構圖如圖1。　　　　
　　3.1時鐘復位電路設計
　　
　　采用單片機片內的振蕩器、上電復位和外部硬件看門狗電路。看門狗采用MAXIM公司的MAX706芯片,硬件電路如圖2。MAX706可以提供至少200ms寬度的復位脈沖，為使看門狗溢出有效必須把MAX706的WDO和MR連接起來，看門狗輸入WDI連接4051的任何一個I/O端口都可。MAX706在程序運行期間監控整個系統的運行，喂狗程序必須在1.6秒之內使WDI引腳電平發生改變，否則MAX706將發出復位指令，使整個系統復位，看門狗時序如圖3所示。　　
　　3.2單片機與D/A的接口電路設計
　　
　　D/A選用AD公司的AD7226。AD7226是具有8位精度的四通道D/A轉換器，zui小分辨電壓約為4mV，可以滿足設計的精度要求。每個通道都有一個輸入鎖存器，可以對輸入的數字量進行鎖存；輸出端帶有輸出緩沖放大器。AD7226有一條寫入控制線WR，兩條地址線A0、A1，通過地址線可以選擇不同的D/A轉換通道。寫入時序如圖4所示。　　
　　由于4051沒有專門的地址和讀寫控制引腳，此處可以通過普通的I/O引腳參考AD7226的寫入時序，利用軟件進行時序模擬。可以通過改變延時的時間來改變輸出的頻率。圖5是利用4051的P3.0、P3.1口作為A0、A1的地址線，P3.5作為WR的寫入控制線的硬件參考電路，相應的示例程序如下：
　　
　　……..
　　
　　MOVP1,A；P1口置數
　　
　　MOVP3,#0FCH；選擇通道A
　　
　　CLRP3.5；置P3.5低電平
　　
　　SETBP3.5；置P3.5高電平，上升沿鎖存數據
　　
　　LCALLDELAY；調用延時子程序
　　
　　……..　　　　
　　3.3偏移電路設計
　　
　　AD7226的每一個通道都可以單獨用來提供單極性或雙極性的輸出，要獲得雙極性的輸出必須外加運算放大器和偏移電阻，輸出電壓的范圍取決于參考電壓的大小，如圖6是在單極性電源供電情況下的雙極性輸出電路圖，要注意偏移電阻的阻值匹配。　　　　
　　3.4放大電路設計
　　
　　放大電路主要是對AD7226輸出的雙極性電壓信號幅值進行處理，以達到使用的要求。放大電路的輸入極增加一個一階低通濾波器，以防止D/A輸出的高頻成分干擾；采用低頻運放作為射隨器以提高輸入阻抗。放大電路部分如圖7所示。　　　　
　　四、信號發生器的軟件設計
　　
　　4.1信號編碼
　　
　　在這里要注意的取值范圍是－1～,而不是－1～＋1。取整時要按照四舍五入的原則以減少誤差，表1是雙極性輸出時二進制編碼表以及對應模擬輸出電壓。
　　　　
　　4.2軟件設計
　　
　　軟件的任務是根據上位機的指令完成信號的控制和輸出，編程語言采用8051匯編語言，整個程序由初始化模塊、基準信號輸出模塊、測角及基準信號輸出模塊、中斷模塊、延時模塊和喂狗模塊組成。軟件流程如圖8所示。4.3與上位機接口時序
　　
　　信號發生器采用中斷的模式響應上位機的控制指令，其指令的時序如圖9所示。
　　
　　系統上電后，上位機須發送清零指令，復位INT0、INT1為低電平，Uj1、Uj2、Uc輸出為0。在INT0、INT1為低電平期間，可以發送基準信號輸出指令INT0，輸出基準信號Uj1、Uj2；在基準信號輸出期間，即INT0為高電平期間，可以發送測角信號輸出指令INT1，此時輸出測角信號Uc，Uj1、Uj2同步輸出。當INT0變為低電平時，無論INT1為何種狀態，三路信號輸出都為0。發送基準信號和測角信號輸出前必須保證INT0、INT1有效復位低電平。在INT0為低電平期間，陀螺儀模擬器不響應任何INT1指令。如果發生不可預料的邏輯紊亂，可以通過復位INT0、INT1，再按照圖9所示時序關系發送指令。　　　　　　
　　五、結論
　　
　　通過軟件硬件的調試和檢測，表明該模擬裝置的硬件和軟件系統能很好的工作，在系統的聯調中能正確的模擬角位移傳感器的基準信號和測角信號，滿足設計的要求，已經在某產品的檢測系統中獲得了應用。