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C8051F120单片机在激光陀螺指北仪中的应用
内容导读:

摘要: 文章介绍了C8051F120单片机在激光陀螺指北仪中的应用,包括检测系统状态检测、数据采集、数据处理、电机控制、数据显示和传输等。

关键词: 激光陀螺指北仪;单片机

引言

指北仪是一种测量方位的仪器,广泛应用于军事和民用领域。在军事领域,可以用于导弹发射的初始姿态测量、火炮瞄准发射和车载雷达天线对准等。在民用领域,可用于大地测量、资源勘探、隧道开凿等。随着指北仪的日益广泛应用,在不降低指北精度的条件下,减小体积和降低成本成为指北仪发展的一个方向。本文的激光陀螺指北仪利用C8051F120单片机完成了系统状态检测、数据采集、数据处理、电机控制、数据显示和通讯等多个功能,为研制体积小、成本低的指北仪系统打下了基础。

激光陀螺指北仪

激光陀螺指北仪通过测量地球自转角速度来获取北向方位信息,其结构如图1所示,主要由机械旋转平台、四频激光陀螺、轴角编码器(光栅编码器)、键盘和显示模块、MCU和相关电路(图中未画出)组成。旋转平台由步进电机带动,可以旋转至任意位置。四频激光陀螺垂直安装在旋转平台上,陀螺的敏感轴和旋转平台的台面平行,其作用是测量地球自转在水平面的分量。光栅编码器的作用是测量旋转平台转过的角度。键盘和显示模块的作用是输入地理纬度和显示指北结果。MCU采用C8051F120单片机[1],其作用是采集和处理数据、计算北向方位、控制电机转动、与其他设备进行通讯等。系统工作时,将旋转平台严格调水平,然后将激光陀螺旋转至不同的位置并测量其输出,通过陀螺的输出即可解算出北向方位角,从而完成指北。

图1  激光陀螺指北仪的结构图

单片机的功能

激光陀螺指北仪的MCU由Silicon Laboratories公司的高速单片机C8051F120组成。C8051F120单片机的指令集与传统的MCS-51完全兼容,工作时钟达100MHz,采用流水线指令结构,70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期。C8051F120单片机内部包含8848B内部数据RAM,128kB可在系统编程的FLASH程序存储器,通过JTAG接口下载程序。C8051F120单片机的外设相当丰富,包括1个采样速率达100ksps的SAR类型12位ADC,1个采样速率达500ksps的SAR类型8位ADC,2个12位DAC,2个模拟比较器,还有串行口、SMBus接口、电压基准、电源监视、内部PLL、看门狗定时器和JTAG接口等。这些资源完全能满足指北仪的要求。

参见图2,MCU的主要功能包括与其他设备进行通讯、与键盘和显示模块进行通讯、检测激光陀螺外围电路的工作状态(系统自检)、采集激光陀螺和光栅编码器的数据、步进电机控制、数据处理和计算北向方位等。

图 2  激光陀螺指北仪的硬件框图

MCU与其他设备通讯的主要目的是将指北结果传输给其他设备。系统采用RS-232接口,通讯波特率为9600bps。

键盘和显示模块主要用于输入当地的地理纬度与显示系统的工作状态和指北结果。MCU与键盘和显示模块进行通讯采用I2C接口。

系统自检主要检测激光陀螺外围电路的工作状态,其中有模拟量的检测,也有逻辑量的检测。模拟量的检测利用C8051F120的ADC完成。在FPGA中定义了相关电路的状态引脚(即逻辑量),逻辑量的检测通过读取FPGA相应的状态引脚完成,系统定义“0”为工作正常,“1”为工作不正常。

激光陀螺和光栅编码器的计数均在一片FPGA中实现,C8051F120通过总线接口从FPGA中读取数据即完成数据的采集功能。

数据处理的工作有:对激光陀螺的原始数据进行滤波,然后计算出地球自转角速度分量;利用光栅编码器的数据计算出旋转平台转过的角度;根据指北算法计算出北向方位。

系统采用四相八拍的步进电机,C8051F120通过P2口的低四位给步进电机驱动电路输出驱动脉冲实现电机转动,驱动时序如表1所示。通过光栅编码器的角度反馈,C8051F120可以按指北算法的需要将平台旋转至任何位置。

MCU的简化电路图如图3所示,其中C8051F120采用3.3V供电。Y1为22.1184MHz的石英晶振,由C8051F120内部的PLL进行4.5倍频得到99.5MHz的系统时钟。接插件JP6为JTAG接口,用于下载编译好的可执行程序。数据地址复用信号AD[7..0]、读信号RDn、写信号WRn和地址锁存信号ALE构成总线接口,C8051F120通过总线接口对FPGA电路进行读写访问。ADC0和ADC1和陀螺外围电路相连接,用于检测相关电路的工作状态。串口0用于与其他设备进行通讯。SDA和SCL组成I2C接口与键盘和显示模块连接。外部中断1(INT1)与键盘和显示模块连接,用于检测键盘是否有按键按下。外部中断0(INT0)和FPGA电路连接。DRIVER4~DRIVER1和步进电机的驱动电路连接。

图3  MCU的简化电路图

结语

C8051F120单片机已成功地应用笔者研制的激光陀螺指北仪样机中,多次实验表明系统工作稳定可靠。作为激光陀螺指北仪的MCU,C8051F120完成了数据采集和处理等一系列功能,使硬件得到简化,缩小了系统的体积,降低了成本。

参考文献

1.Silicon Laboratories, C8051F12X/13X Mixed Signal ISP Flash MCU Family, Silicon Laboratories,2004
2. 缪玲娟,陈家斌,单激光陀螺捷联寻北系统,北京理工大学学报, Apr,1997.Vol.17.No.2
3. 田海峰,王登顺,激光陀快速寻北仪的研究,中国惯性技术学报, Oct,2004.Vol.12.No.5

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来源:电子产品世界 作者:国防科技大学光电科学与工程学院 黄宗升 秦石乔 王省书 时间:2007/2/4 0:00:00
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