（通信与信息系统专业论文）某型电子经纬仪光电信号数字处理系统研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文详细描述了某型电子经纬仪光电信号数字处理系统的设计和 实现的全过程。 根据系统的预期指标和设计要求，文中首先给出了所要研制的电 子经纬仪其光电信号系统组成和角度测量的原理，然后根据相应的原 理，设计了整个数字系统的方案图。接下来依照这个方案图具体论述 了系统的工作原理，并在该原理的基础上实现了光栅莫尔条纹光电信 号的采集、处理。 关于系统的具体实现分为硬件和软件两个部分。在系统硬件部分 实现了单片机控制系统和各种外围电路的接口设计，并且与软件相结 合，采取一种新的方法利用门电路来完成对计数脉冲的辨向和计数。 在软件设计中，利用单片机内部集成的a d c 完成信号的数字细分，从 而达到很高的细分精度。同时给出了各个主要模块的设计思想和子程 序流程。最终在满足各项设计要求和指标的条件下，完成了本系统的 设计，使得该电子经纬仪读数精度达到1 7 。 最后，本文对系统进行了误差分析，并且从软硬件两方面提出了 修正误差的方法，对抗干扰问题作出了应对措施。 关键词：电子经纬仪光电信号光栅细分单片机误差抗干扰 某型电子经纬仪光电信号数字处理系统研制 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n go fac e r t a i ne l e c t r o n i c t h e o d o l i t e 。p t o e l e e t r o n i es i g n a ld i g i t a ls y s t e ma r ep r e s e n t e di nd e t a i l 。 b a s i n g o nt h e a n t i c i p a t e dt a r g e t a n dd e s i g n e d r e q u i r e m e n to ft h e s y s t e m ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ec o n s t i t u t i o no ft h es y s t e ma n dt h e m e a s u r eo fa n g l e ，f o l l o w e dw i t ht h e p r o j e c tp i c t u r e o fw h o l e d i g i t a l s y s t e m t h e n ，a c c o r d i n gt ot h i sp i c t u r e ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h e s y s t e m i sd e s c r i b e da n dt h e a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n go ft h e m o i r e f r i n g eg r a t i n gs i g n a la r ed e s i g n e d t h ei m p l e m e n to ft h i s s y s t e m i sd i v i d e di n t oh a r d w a r e p a r ta n d s o f t w a r ep a r t t h eh a r d w a r ep a r td e s i g n st h es i g n a l c h i p m i c r o c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e ma n dp e r i p h e r a lc i r c u i t s c o m b i n e dw i t hs o f t w a r e ，an e w g a t ec i r c u i tf o rt h ed i s t i n g u i s h i n ga n ds u b d i v i d i n go fg r a t i n gs i g n a l i s a d v a n c e da n dr e a l i z e d i ns o f t w a r ep a r t ，t h eg r a t i n gs i g n a li ss u b d i v i d e d b yt h ea d c o f s i g n a l c h i pm i c r o c o m p u t e ri no r d e rt os a t i s f yt h es y s t e m q u a l i f i c a t i o ne x p e c t e d a tt h es a m et i m e ，t h es o f t w a r ep a r ts h o w st h e d e s i g nt h o u g h to fe v e r ym o d u l ea n de a c hs u b p r o g r a mf l o w ，f u r t h e r m o r e ， t h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ei su t i l i z e da n dr e a l i z e di nt h es y s t e md e s i g n h e r e i n ，t h ep r e c i s i o no fr e a d i n gd a t ao ft h es y s t e mw ed e s i g n e di nt h i s p a p e ri su pt o 1 + ， a tl a s t ，w e a n a l y z et h ee r r o r so ft h es y s t e m ，a n dt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r e t e c h n i q u e s t oe l i m i n a t et h ee r r o r sa n do t h e r a n t i - j a m m i n g m e t h o d sa r ein t r o d u c e d k e y w o r d s ：e l e c t r o n i c t h e o d o l i t e ，o p t o e l e c t r o n i c s i g n a l ，g r a t i n g ， s u b d i v i d i n g ，s i g n a l c h i pm i c r o c o m p u t e r ，e r r o r ，a n t i - j a m m i n g 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：i 鱼：盘蔓 日 期：趔 臣捌塑司 南京航空航天大举硕士学位论文 第一章缝论 随着激光技术、微电子技术和计算技术的迅速发展，测角仪器的 发袋已经达到可以在溺戴魏场自动读数、记录黟诗箕酶地步，传荧测 角仪器的典鼙代表一一经纬仪也有了缀大的发葳相交纯。零章首先描 述了经纬仪的概况与国内外电子经纬仪的发展情况，然后具体说明了 本文的研究目的、手段和主要内容。 1 1 经纬仪概述 经纬仪是三大豢蕊测鬣议器( 电_ 孑经终纹、勉努测距仪、全站式 这测仪) 之，用于测鼓霞标的垂盛角和水平簿，主要应用于国家三 角测量，精密工程测量及矿山测量替。测量角度是大地测墩的一项主 要工作，因此通常把经纬仪归并在大地测量仪器类里。 龟予羟纬纹是在经终铰豹基础上，使萁毫予纯餐鹱纯，采褥锻睾晁 电子细分、控制处理技术和滤波技术，集光、机、电为一体，实现测 角读数智能化。 电子经终仪甄可以肇独终为测锈纹器完成导线溺曩等潮餐王 蕈， 又可与激光测距仪、电予孕簿等组合成全站仪同时记录和燕示目标水 平角、竖直角、水平距离、垂直距离、斜距、商程、坐标点。还可与 陀螺仪、卫星定位仪、激光测距仪等组成炮兵测地系统，实现边角联 溺、定位、是离等各耱溺鏊。在采袋煮终式双鬣双蒜滚箍鼹示稿标疆 r s 2 3 2 、r $ 4 8 5 、u s b 2 0 和最新发展起来的蓝牙技术等通讯接口后，既 可以直接读数，同时又可实现数据通讯。电予经纬仪主蒙采用数字 赞感器( 竞耱) 终受测爨分凄基准数，结合擞处毽器、滚燕驻示器等 实现了操作程序的自动化、测量结聚自动显示、自动存储，以及多功 能测量工作，从而有利予野外环境下的测量，大大减轻了工作人员的 劳动强度，掇嶷了工作效率。 1 2 国内外经纬仪发展动态 某型电予烧纬仪光电信母数字处理系统研制 徽电子鼓术秘诗葵掇按术獒迅逮发聂，绘转绞豹溪绘技术帮测绘 仪器繁来了稂大湾击，经簿倥技术静发袋氇经瑟了革命注的寂鬣二。 自世界上第一批经纬仪一威尔特t h i 型经纬仪( 即t 2 的前身) 予1 9 2 3 年问世，至今已衡8 0 多年的历史。在电子经纬l 叟取代整个经 练搜枣矮之魏，还存在游椿羟练莰零濑学经鹭坟豫个陵嫒。上避瑟8 年代出现了电子经纬仪，电子经纬仪的测角系统和读数系统都不采用 经媳的光学机械结构，而采用光电转换或电子式测角技术和电子细分 或宽邀爨分豹溅秧读数续构，著虽缀食羰楚理器，缀蚕瀑孬疆垮耋羲 皂、溅量结暴数字显示、崮动抒窜、鑫动记录、鑫动存储，迩默掖 据嘲定程序软件进行多功能测量。电予经纬仪虽然在外观上和光学经 纬仪相类似，健窀是题微枫控制和电予测角系统仪替是学豹读数系统。 秘光学经鲸搜褪踺它育英鳃显懿嚣愁缝，主要商：逛予羟终役使蘑电 予测角系统，能自动显示测量成果，实现读数的自动化和数字化；采 用积木式结构，较为方便地与测距仪_ j f 数字记录器组合成全站型屯子 逮测谈，羞鹜戳逶当豹接鹫，可整野努慕集熬数鬻囊接簸入话舞藤莲 行计算移绘图；电子经纬仪测角精度浅，使用方谴嚣入兔误麓少。妇 电子经纬仪在目前国际测量行业得到了广泛应用。如瑞士w i l d 厂 生产驰t 3 0 0 0 、t 2 0 0 4 、与测距仅、诤冀攒等设备黢用鲍t m 3 0 0 0 ：王 | | k e r n 厂皇产靛e 2 ，e 5 ；德鬣o p t o n 厂童产憝e l t a 4 ；e l t a 6 ；鼗羚，还 有瑞典、美国、日本一些厂家生产的电子经纬仪镎，型号规格达几百 种之多。并且晕已达到秒级及秒级以下的测量高糟度。而在我国，电 予经终霞魏开发近蔑年矛开始透嚣。绝大多数嚣内厂家爻畿嚣发6 8 獒 测爨精度，同时功麓禳不完善。虽然这两年发鼹很大，精度也大育 提商。但总体上还是与西方国家，特剐是日本、瑞士等经纬仪强国有 缀大莲蓬。主黎程裁量精度秘自动化稳壤土仍有您魏强。“3 1 3 谍题研究目的和盎樊内容 3 。 群窕雾辩 本文研制的电子经纬仪光电信号处理系统属予教研室横向谍题项 2 南京航空航天大学硕士学位论文 目，其目的是为某军工厂生产的电子经纬仪设计和改进它的光电信号 采集与处理模块，根据已知的指标实现角度信号的采集、处理，并且 能够实现数据的液晶显示，误差补偿。概况说来可以实现以下六个功 能： ( 1 ) 水平角可任意置零或锁定在任意角值。 ( 2 ) 竖角可设置天顶零位或水平零位。 ( 3 ) 仪器有存储功能，关机后设置项目可以保存。 ( 4 ) 仪器具有测定竖盘指标差、照准差( 2 c 值) 与水平轴和竖轴不垂 直误差的功能。 ( 5 ) 仪器还具有数字式自动改正上述后两项误差在俯仰角8 0 。范围内 对水平方位角的影响。 ( 6 ) 仪器可与红外测距仪连接组成全站仪。可连续测距和单次边角测 量。 1 3 2 研究内容 本文主要对电子经纬仪测角数据进行滤波、辨向、细分等一系列 处理，然后将处理结果通过按键功能有选择性地在液晶显示器上显示 出来。研究主要分为硬件设计与软件实现两部分。我们采用模块化的 方法，将整个系统分为几个模块来逐一设计。采用增量式测量方式， 利用门电路进行辨向，选用款高速、低功耗、集成度高、功能完善 的单片机进行电路控制和软件细分，同时在接口设计中注意与电子水 泡、手簿、测距仪的连接，可以达到很高的精度和良好的系统兼容性。 本文第二章阐述了系统总体设计思想，包括角度测量的基本原理 和系统设计的基本原理及组成，同时给出了系统设计的总体技术指标。 第三章专门介绍了系统的硬件设计部分，包括光电信号的采集原理与 硬件实现，辨向和四细分的实现，基于单片机控制系统及其外围电路 的设计等等。第四章便是在第三章硬件部分的基础上着重阐述软件部 分的设计与实现，给出了各个子模块的设计思想和程序流程图。第五 章讲述了该系统的软硬件调试，对系统的误差进行了分析和相应处理。 并对系统的进一步优化做了展望。 某型电予经纬仪光电信号数字处理系统研制 第二耄系统总体设计思想 2 1 角度测壁的基本原理 2 ， 衣平霸测羹豹基本滕遴 如图2 1 所示，a 、b 、c 为地面上不同高度的三个点，a b 、a c 连 线在水平嚣上黥投影为a b 、a c ，刘霹一z c a b 为a 点黠b 、e 两患辑张兹 水平角。壶诧w 知，水平麓就是地面上相交两条壤线在水平黼上投影 所夹的角。 为了在a 点测得水平角声，就必须在a 点水平安置一个带有角度 裂矧懿隶乎度焱，并霞零乎度鑫豹霾，囊经予遥矗点静凳垂线上。校器 a b 和a c 在水平度盘上的投影线0 1 1 1 和o n 即可读取相应在度盘的读数m 和n ( m 、n 分别为水平度擞上0 分化线至o i n 、o i l 的角度读数) 所以水 乎角毽为筘= m n 。 2 ，1 2 垂直角测量的基本牒理 如图2 1 所示，a 点至c 点的垂壹角为a c 所触豹垂直面上a e 直线 与承平线戆夹角盛。 图2 1 水平角和垂成角测量原理 南京航空航天大学硕士学位论文 摇果憋个带有煮发剩翅豹垂_ 纛溲鑫垂直蟪安置在a 点上，劳傻 瞬盘中心与矗点重合，如圈2 1 蘼示。垂矗废焱随着视线起转魂， 幽视线照准c 点时，则利用安置在与a 同一水平面上的指标，就可以 测得a 点至c 点的垂直角拦。也可以说垂直角就是地面上一直线与水 平甏酶夹受。 经纬仪就是根据上述的水平角和垂直角测爨的基本原理设计并制 邈如来的。t “ 2 2 系统缀成及其基本源理 在电子缀纬仪的设计方案中，光电系统主要出模拟角度测量系统 鬻数字磊寝渊蹩系统缝成。 2 2 1 模拟角度测量系统 模拯受摩测量系统的主要箨羯是将光援菱尔条绞党信号转变为毫 信号( 正弦波信号) 。它主要由两块相互平行的光栅盘( 亥口商等间距黑 囱刻线的玻璃圆盘) 和模拟装置组成，两块光栅盘中一块称为主光栅 擞，另一块稼为指示光栅盘，其中搬示光掇盘潮定，秀主光糨盘随照 漆部( 东平惫度溺量) 袋錾远镜辘( 霆壹受度测鬃) 转动。妇h ”“模羧 靛置主要由光源、准誊谶镜和光电转换器组成，在两块光栅对径位置 上各安置了个模拟装黢，以消除偏心差，光源与准直透镜安装在光 撵裂，光毫转换器安装在走褥盘貔男一铡，熬爨2 。2 嚣示。 我们采麓的度盘是计量光栅”“，要测量度焱所转的角度是通过对 主光栅度盘相对于指示光栅度盘所移动过的孔隙数进行计数来实现 约。两指示溅掇凄盘是避定不动的，主巍掇度焱辐对予攒示光援度盘 所转角度都怒主光褥度盘随照准部( 仪器汞平方向转动时) 或随望运 镜轴( 仪器瓣直方向转动时) 转动的角度。每移动一个光栅刻划代表 度盘转过一定的角度。 溺爱纛遴耪j 童程”“踯 翔下； ( 1 ) 光栅莫尔条纹倍号的产生 光源发出的光线经凇直透镜后，变成平行光束，照亮接收医，由 某型电子经纬仪光电信曙数字处理系统研制 予嚣块竞援豢之润豹摆要转动，光撩塞等闯隔罴自刻线( 遮光与不透 光) 的相对移动产生免强麓周籁往的变化( 即巍稀式莫尔条纹) 。其过 程如图2 3 所示。 光搬辛聱按嚣 图2 2 模拟角度测鬣系统示意图” 黧羹竽殳昌 承毙凝、c 懋= = 兰： h 蠹大光最 蠹童爱笪兰邑 。薏垂走囊 d 中问光量 e 蠹大光鲎 图2 3 光栅莫尔条绒信号产生示意图 南京航空航天大学硕士学位论文 光栅盘移动一个刻线间距w ，光量度变化一个周期，光量变化曲线 如图2 4 所示。 根据试验证明，在理想条件下，莫尔条纹信号是非正弦周期函数， 并且当狭缝宽a = w 2 时( 即指示光栅盘透光部分) 得到三角波，如图 2 5 ( a ) 所示，但在实际结构中，由于两盘间隙的变化，光线的不平行 性，光的衍射作用，度盘面之间光的反射以及光栅刻线的不均匀，实 际得到的光栅信号变化曲线为近似正弦波曲线，如图2 5 ( b ) 所示，而 且其中还含有直流分量，为了保证计数和细分的精度应设法将直流分 量消除。 光量 o 图2 4 光量度变化曲线 图2 5 ( a ) 理想条件下光信号变化曲线图2 5 ( b ) 实际情况下变化曲线 ( 2 ) 所需电信号的形成 我们在指示光栅盘的狭缝处设置了指示光栅，狭缝被平均分成四个窗 框，窗框中刻有与主光栅盘问距相等的刻线，四个窗框的刻线各相差 1 4 间距，形成每隔相位差9 0 。的四个指示光栅，在对应的位置上安置 了4 个光电接收元件( 硅光电池) d 1 - d 4 ，如图2 2 所示，四个指示光 栅与光电接收元件的对应位置如图2 6 所示。 指示光栅：0 。一一d 1 某型电子经纬仪光电信号数字处理系统研制 9 0 。一d 2 1 8 04 一一d 3 2 7 04 一一d 4 l 9 0 。 2 7 0 。 i q 。l 髓4 ld 3泓 i d t孙2 指示光栅和位蕉光电接收器位置 潮2 。6 指示毙撵与光电接收元传对应锭鼍示意围 当光栅纛稽互转动时，光电接收元件中将产生四个稆位麓9 0 的电 信号i1 、1 2 、1 3 、1 4 。 此电信号即是我们设计数字角度测量系统所需的原始信号，具体 熬处理过程我们将在下一澎详缨阕遮。 2 2 2 光栅测量基本原溅 计量光糍“是一静增量式编码戆先学瑟礁嚣，麸光撵载辱搴豹影装 分，有长光襁( 或称为激光栅) 和圈光栅( 亦称为辐射光栅或光栅度 盘) 两种。长光栅是以栅距( 主光栅两相邻刻线之间距离) 0 9 为增量 的编玛尺：磁圆光栅是以栅角( 两必褪栅线交角) 妒为增量的编码盘。 诗嚣光撩大多是利蘑两块光裰叠台辩产生的葵尔祭纹效疲采工作鹣。 本文采用的是圆光栅，其编码方程式为： 矿j - n 。+ 古( 2 一1 ) 式中：毒一一灏走爨麓强溺焦 一一光栅的栅线对数 v 一一栅角 j 一一不足一个搬角豹小角度缀 由诧可凳，所谓先糯溅量实际童就是读取鞠成的辩和艿酶僮。砖 于n ，只要将光栅相对移动所形成的光信号经光电转换器后形成的电信 号进行周期性计数即可获得。至于艿，就需要缀过细分来获得。假定 将撵角分袋足拿等蛰，称“r l ”必绸分系绞戆缁分数，爨纲分系统匏 分辨率f 可表示为： f = t n 8 南柬航空航天大举硕士学位论文 委；6 = m t f ，g , - = t f ，其中m = 0 ，t ，2 ，n 所以圆光穰的测量方程为： 西= n v 十m f = ( n + m ) r ( 2 2 ) 我们采用的圆光栅擞全圆周共刻有6 4 8 0 条刻线，所以，光栅每移 韵一条蘩线，产生静葵尔条纹正弦麓号移凌一个溜麓，馨代表囊凄移 渤了3 6 0 6 0 6 0 6 4 8 0 2 0 0 。可以对正弦波信号进行波形变换，形 成与其对应的周期性脉冲信号，对此脉冲信号j 行计数，即可获得所 溅焦度兹粳码。其薅角发浏量蓬移霹囊- f 式表示： 毋= 2 0 0 ”n + 或一统 ( 2 3 ) 其中：n 一一正弦波信母的周期数( 熬数) 一一终点处不足一个周期代表角度的小建度数 疹，一一起点楚不蹩一个蠲期代袭焦凄静小角度蘩 0 ：、o r 凄经过细分才能求出。 2 2 3 数字角度测量系缆 模拟角度测量系统 i 来的电信号将送入数字角度测量系统作进一 步处理，在数字角度测燃系统中，一方面采集原始电信号并对其进行 放大、合成，形成准委弦信号。继箍选手亍波形变换，搜之成为与此准 正弦信号鞠对应静周期瞧方波信号，然螽逶遘举片辊控制傣号送入门 电路中进行辨向和计大数。另一方面，将合成腐的准正弦信号送入微 处理器进行软件滤波、零位信号补偿、进一步数字细分等一系列处理， 黢屠将囊度数谴在滚鑫疆示器上显零读数。 由圆光栅的测量方程( 见公式( 2 2 ) ) ，可以概括出互种数字式 光栅测量系统原理方案“1 ，如图2 7 、图2 8 、图2 9 所示。 r 一 r j f “1 l 取样电路卜叫诗数编粥魄路 _ 叫计数和显麟 l - - - - - - - jt - - j l 。，一j 图2 7 直接计数系统 j l 采j 分 整形t - t 数编码卜一 l | 铺数 l 琶b 耄 擞 罡i 路 il 遂算 零 叫细分卜 图2 8 数字式光栅测量系统( 糍、小数分别处理) 原理方寨幽 某型电子经纬仪光电信母数字处理系统研 b 0 r 一 r 一一- r 一“】 | 取样电路卜叫细分曝黯卜_ 一计数和显示j 一一。一l一。，+j l ，、， 图2 9 全绷分系统 本文选用了图2 8 所示的整、小数分别处理的原理方察图。光栅 信号由分离电路分离出整澎计数脉冲秘细分所需信号，然鼷分别经整 彩编码霸缩分惹送入综会诗数运雾奄耱孛( 其中缨壬 壶软 牛寒实凌， 计数和辨向由门电路来实现) ，最后，显示测量结果。 由以上原理方案，我们设计出了艇个系统电原理框图如图2 1 0 所 示。 翻2 1 0 系统电藤理方挺强 我们采丽软硬件结合翡方式对波形处理，醚实现辨向。此辨向电 路可实现对光栅信号的崴按四细分。所以，我们对周期n 的计数主要 遇过辨向电路采实现的，两且是每蠲分之一周期产生一次计数，计数 蕊记为n ，燕n = 4 x n 。逶遘鼙冀撬对诗数稼冷来诗数，芷转时， 每来一个计数脉冲，计数嚣加一，角度值增加1 4 2 0 0 ”；5 0 ”；反转 时，每来一个计数脉冲，计数器减一，角度值减少5 0 。对于小于5 0 ”的 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 角度值，再由细分求出。从而公式( 2 3 ) 便转化为： 目= 5 0 ”1 + 碰一致 ( 2 4 ) 系统总的工作原理如下： 丌机后，转动光栅盘，待过零后，模拟信号处理电路将垂直盘和 水平盘光栅读数头输出的正余弦信号进行放大整形。然后送数字信号 处理电路采样并保存。将正余弦信号产生的计数脉冲通过门电路及单 片机控制进行辨向和计大数。另一方面，同时将正余弦信号送入微处 理器中，经过模数转换、软件细分和运算，细分结果和大数值相加后 的结果经制式变换等获得终点处角位移量，最终送到显示器显示，或 者存储于存储器中。此外，在系统中还进行了误差检测和补偿措施。 2 3 系统设计要求及技术指标 2 3 1 系统设计要求 ( 1 ) 在设计上我们采用将水平盘和垂直盘均设置为双侧对径光电转换 读数头，可自动消除盘偏心差，同时结合采用精密工艺制造的高精度 轴系、光栅盘等部件，可以确保1 ”级精度的角度测量。 ( 2 ) 仪器采用双侧液晶显示，双行数字显示，同时配有各种显示字母 和标记，可以表示多种不同的测量模式的内容和数据，使用直观明确。 由于采用照明装置，在昏暗条件下也可以正常测量使用。 ( 3 ) 操作键盘配有7 种按键，每个键都有其各自独立功能及多种组合 功能，可以完成角度测量的多种模式的测量工作。 ( 4 ) 各种测量操作程序固化在模块中，具有多种模式测量功能，并且 操作简单、灵活、方便。 ( 5 ) 采用最新的电子技术。电子元器件采用微功耗、小体积器件，尽 量采用大规模可编程集成电路。 2 3 2 系统主要技术指标 ( 1 ) 望远镜：成像正像 物镜孔径中4 0 m m 某型电子经纬仪光电信号数字处理系统研制 放大倍率 2 9 1 视场角 1 。2 0 乘常数1 0 0 加常数0 调焦范围2 m o o ( 2 ) 电子测角：一测回水平方向标准偏差5 ”( 室外) 测量方式增量式 最小读数5 ”1 ”( 0 0 0 0 5 9 0 n ，0 0 0 3 9 0 n ) 液晶显示双面 ( 3 ) 水准器：长水泡2 0 ”2 m m 圆水泡8 2 m m ( 4 ) 光学对中器：成像正像 视场角5 。 放大倍率 1 4 。 数据通讯r s 一2 3 2 c 通讯接口 ( 5 ) 电源：直流6 v 镍氢充电电池 工作时间 大于6 小时( 电池使用时间与仪器的使用状 态和使用环境有关) ( 6 ) 使用温度：一2 0 。c + 4 5 。c ( 7 ) 尺寸：15 0 1 6 0 3 2 0 m m ( 8 ) 重量：4 7 k g ( 不含电池) 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章系统硬件原理与接口设计 3 1 光栅读数头及其输出波形的处理 3 1 1 光栅读数头的基本组成与分类 ( 1 ) 基本组成 光栅读数头是将光栅信号转换为电信号的部件，并以此电信号作 为计数和细分的原始信号，光栅读数头又称光栅发讯器。“ ”1 光栅读数头由光源、照明系统、指示光栅、光学系统、光电接收 元件等五部分组成。如图3 1 所示。 1 光源2 一照明系统3 一主光栅4 一指示光栅5 一接收光学系统6 一光电接收元件 图3 1 光栅读数头的基本组成 照明系统将光源发出的光束转化为均匀的平行光照明主光栅。由 于主光栅和指示光栅的相对移动而输出交变的莫尔条纹信号。此信号 光束经光学系统( 物镜) 会聚到光电接收器，并转换成反映莫尔条纹 特性的电信号供光电计数及细分用。 ( 2 ) 分类 光栅读数头的形式很多。按结构布局特点分，有直读式、分光式、 镜象式和调制型四类。按光栅的工作条件分，则有透射式和反射式两 类。按光栅的形式又可分为相位型光栅和振幅型( 黑白) 光栅读数头。 本文采用直读式光栅读数头。 直读式光栅读数头式指利用垂直照明光束获得莫尔条纹信号的读 数头，也称为垂直入射式光栅读数头。此类读数头采用硅光电池为接 收系统。这种读数头结构紧凑、简单，并且硅光电池性能稳定，安装 固定方便。 某型电子经纬仪光电信号数字处理系统研制 3 ，2 光搬读数头的优化设计 ( 1 ) 光栅读数头中的照明系统 a 对光源的要求：鼹有足够的光通量、平行光均匀照明、寿命长 以及在使蘑l 过程中光能鬃波动小。 b 好丝宽度静选簿：灯丝在垂纛于竞裰裰线方蠢上匏瓷度大，产 生斜平行光束的倾角也大，因而条纹的反差降低。为此应尽量选择较 细的灯丝，并使灯丝长艘方向与光栅栅线平行。 e 照饔羯豹傻臻寿念：醛压霹援嵩照瞬好鹣锼震寿鑫，溷辩降嚣 馒发光光谱向红线方向移动，这样与硅光电池等光电元件的光谱特性 鼹加匹配。这一点也提醒我们应朝稽选择低电聪芯片的方向来进行系 绞豹实现。 d 光源的秤类帮选撵：激光单色性好、发敬螽，j 、，是较理想静光 源。 ( 2 ) 光电接收元件的选撵 磕光电涟受竞瑟较大，竞麓翻耀攀毫，颓窭嚷应较离( 1 0 一s ) 著 且使用时不需另加偏压，可使读数头结构紧凑，所以本文使用硅光电 池作为光电按收元件。尤其是四相硪光电池，能实现光栅信号的直接 鞠绸分。在谈蠲硅光电漶瓣，应合壤选择受载魄疆，疆取褥较丈不失 蠹的输出电聪。 ( 3 ) 多相信号的获得方法 为了捎除光襁信号的巍流分量和刿嬲铡量方向，常纛从光搬读数头 中驭密二穗袋霹葙信号。这里我翻暴翔袭穗指示光赣法轴1 寐获季霉霞程 证弦信号，用来辨向和细分使用。裂相指示光栅法是在空间上按照四 相信号相位羧a a ! = x 2 ，以0 、口，2 、厅、3 x 2 布置四个指示光栅，就 可以获褥潢是糖显要求麴疆个莫客条纹售号。孬爝霆令硅竞邀遗去接 收，就可以输出四相光电信号，供露面信号处璎用。若用电压形式来 表示，这四个包含直流分量的莫尔祭纹电信号表达式为： u l = u o + u ls i n ( o j t + o ) = 砜+ u l s i n c o t u 2 = u o + u ls i n ( o x + 曩，2 ) = g j + 氓c o s c o t u 3 = u o + u is i n ( c o t + 刀) = u o u ls i n o g 南京靛空航天大学硕士学位论文 u 4 = + us i n ( c o t + 3 x 2 ) = u o u i c o s o a t 3 3 光电僖警筋采集蘸瓒 电子经纬仪镜简的转动，带动垂赢光栅盘转动，因此光栅盘产生 信号竣出；电予经纬仅底廉的转动，带动承平光掇塞转动，毙襁盘弱 铎产生信号输滋。蓊霞我们已经详细搦述了葵承条绞酶原瑾及光秘读 数头光电信号的形成，即阐述了供数字角度测量系统处理的原始光电 信号的形成过程。下面我们将进一步阐述数字角度测量系统对此光电 盏号熬采集楚臻。 水平光栅镦和垂直光栅盘的输出信号，经过数字电位器、敞大、 合陂形成正余豫信号，再缀过比较电路，形成一系列咏冲，雅片机控 割f j 电路采囊这些躲冲，掇型褪羁。弼时，敖丈会戏后鲍正余弦信号 还鞣输入革片梳进行a d 转换，c p u 读取a d 转化屠的值并通过较件编 程对其数字细分。最后综合粗码和细分值即可得到转过的水平角和垂 直热。其框图如图3 2 所示。 3 1 4 波形处理 瑟3 2 兜逛穰芎暴集蔗理据莲 为了获褥竞邀采集系绞酝需豹售譬，裁必须褥毙援读数头竣窭豹 信号进行波形变换、处理，使之成为辨尚电路所需的方波信譬和a d 转换器所需的信号。从光栅读数头处获得的四相裰弦信号都有噪声、 各张谐波分量、巍流分量，弱且，信峰蹙电压信号，还不能滋足辨岛 瑟缡分豹要求，必须经过裁置放大嚣“，去豫子貔裁各次谐波。我们 采用0 。和1 8 0 + 两相信号差分放大形成s i n 0 ，9 0 。和2 7 0 。两相信号差分放 某型电于经纬仪光电信号数字处理系统研制 大形成c o s o 来实现。由于水平角与垂直角的测量原理完全一致，下面 我们仅以对水平光栅盘输出光电信号的处理为例，来具体分析光栅读 数头输出信号的波形变换。 我们利用数字电位器来进行原始信号的采集，1 由光栅盘的接口 可知，水平光栅盘上有两组各相位差9 0 。的四路光电转换信号，其中 g o 和g 0 为按正弦规律变化的电信号，将这两路信号合并为“h o p ”， g 1 8 0 和g 1 8 0 两路合并为“h o n ”，因此“h o p ”和“h o n ”相位相差1 8 0 。， 将g 9 0 和g 9 0 ，g 2 7 0 和g 2 7 0 这4 路信号做同样的处理得到相位差 为1 8 0 。的“h 9 0 p ”、“h 9 0 n ”。这样由水平光栅盘一共得到4 路信号“h o p ”、 “h o n ”和“h 9 0 p ”、“h 9 0 n ”。如图3 3 所示： 图3 3 水平光栅盘输出信号处理原理图 “h o p ”与“h o n ”有如下关系：“h o p ”= 一k 十“h o n ”+ c ，其中k 为 比例系数，c 为常数，通过l i d 3 2 4 运放后输出的“h a v o ”= k l $ “h o p ” 一k 2 “h o n ”+ c l ，其中k 1 、k 2 为比例系数，c 1 为常数，可以通过数字 电位器调节其大小。使“h o p ”、“h o n ”经运放处理后得到的信号“h a v o ” 为一个基准电压为v r e f 的正弦信号s i n 0 ，再通过l m 3 3 9 鉴幅，输出周 期与“h a v o ”相同的脉冲信号“h o ”( s i l 3 脉冲) 。将“h 9 0 p ”和“h 9 0 n ” 经过同样的处理，得到余弦信号“h a v l ”( c o s o ) 和相应的脉冲信号“h 1 ” ( c o s 脉冲) 。其波形如图3 4 所示。 对于水平零位信号h z e r o 与垂直零位信号v z e r o ，我们作类似的处 理，经过数字电位器，分别与v r e f 差分输入运算放大器l m 3 2 4 得到h z o 与v z o ，再通过l m 3 3 9 鉴幅，得到相应的脉冲信号hc l r 及vc l r 。其 南京航空航天大学硕士学位论文 波形如图3 5 所示。 八八厂厂厂 vvvvv h a 矿1 ( c o s 日、 、八，、八八 vvvvv h o ( m n 脉冲) 几nn h l ( c o s 脉冲) 厂 厂 厂 厂 i 图3 4 水平信号波形 弋厂一 h _ c l r ( v _ _ c l r ) i 图3 5 零位信号波形 3 2 辨向和四细分的实现 如图3 4 的波形图所示，由于主光栅度盘与指示光栅度盘是相对 转动的，我们假定主光栅度盘向某一方向转动为正，则读数头输出信 号经放大后得到的为f 点左侧的正弦波，对应鉴幅后得到m 点左侧的 方波；主光栅度盘反向转动时得到如m 点右侧所示的波形。 我们将水平光栅盘( 垂直盘同理) 输出的光电信号对应的两路脉 冲信号h o 、 l 通过相应的异或门电路“2 1 ( 如图3 6 所示) 接到单片机 的外部中断0 ( i n t 0 ) 引脚。通过c p u 的水平角相位控制信号h p h a s e 和正余弦选通信号h s e l 0 、h s e l l ，使两路脉冲信号的每个脉冲的上升 沿和下降沿都产生中断，这样在一个脉冲周期内产生4 次中断。通过 某型电子经纬仪光电信号数字处理系统研制 计算中断次数来确定所转角度的粗码。电子经纬仪水平角有正转和反 转，c p u 通过判断引起中断的脉冲上升沿或是下降沿触发，并判断另一 路脉冲信号的电平来区别正转和反转。具体方法如下： ( 1 ) 正转转动：当h o 产生中断时，如果为脉冲的上升沿触发，读 取到的h 1 脉冲的电平为高电平；如果产生的中断为脉冲的下 降沿，读取到的h 1 脉冲的电平为低电平；当h 1 产生中断时， 如果为脉冲的上升沿触发，读取到的h 0 脉冲的电平为低电 平；如果为脉冲的下降沿触发，读取到的h l 脉冲电平为高电 平，c p u 判为正转，每产生一次中断计数加l 。 ( 2 ) 反转转动：当h o 产生中断时，如果为脉冲的上升沿触发，读 取到的h 1 脉冲的电平为低电平；如果产生的中断为脉冲的下 降沿，读取到的h l 脉冲的电平为高电平；当h l 产生中断时， 如果为脉冲的上升沿触发，读取到的h o 脉冲的电平为高电 平；如果为脉冲的下降沿触发，读取到的h 1 脉冲电平为低电 平，c p u 判为反转，每产生一次中断计数减l 。 图36 辨向异或门电路 h p h a s e = 0 时，h o 和h 1 经过异或门后波形不改变方向，依然是h 0 或h l ；h p h a s e = 1 时，h o 经过异或门后波形翻转成为丽，h 1 经过异或 门后波形翻转成为丽。 h s e l o = o 时，异或门u 5 a 输出端3 的信号被选通并且反向( 高变为 低，低变为高) 到或非门 1 9 b 的引脚4 上；h s e l o = l 时，信号不能选通 到u 9 b 的输出端；同理，h s e l l 为o 1 时，对应于异或门u 5 b 输出端6 的信号选通( 并反向) 不选通到或非门的输出端1 上。这几种情况通 过或非门u 9 c 综合到i n t o ，通过c p u 来判断中断次数计数并且根据以 上原理利用软件辨别水平盘转动方向。其中h p h a s e 、h s e l l 、h s e l o 信 南京航空航天大学硕士学位论文 号高低对应功能如表3 1 所示。垂直盘v p h a s e 、v s e l o 、v s e l l 信号功 能完全等同此理。 表3 1 水平盘软件控制信号真值表 序信号 功能 号h p h a s eh s e l lh s e l 0 l 0ooo不考虑此种情况 1o01i n t o 跟踪h o 2ol o i n t o 跟踪h 1 f 30ll不选通，i n t 0 = 1 4100 不考虑此神情况 51o1i n t o 跟踪n o 6lloi n t o 跟踪丽 7111 不选通，i n t o = 1 c p u 通过计算中断次数得到的数值即为粗码。主c p u 得到所测角的 粗码后，再读取a d ，通过模数转换得到角度的细分值，最后将粗码与 细分值相加得到最终的角度值在液晶显示器上显示出来。 将采集到的光栅信号进行光电细分与计数，将光栅信号转化为数 字信息，从而得到精确的角度值是实现光栅动态测量的关键性的一步。 本文的数字细分是由c p u 控制a d c 完成的，属于软件细分，具体的过 程我们会在下一章里详细描述。 3 3 单片机控制系统 单片机控制系统”1 的作用一方面是控制数字信号处理系统的 运行和数据的转换、存储、显示，以及和外围设备的接口；另一方面 单片机要完成数字化软件细分。同时，由于系统要求体积小、功耗低、 多功能、方便快捷等，所以我们尽量选择内部带a d 转换的多i o 口 的单片机，而且功耗小、价格相对便宜。经过比较多个较常见型号的 单片机，我们选择了美国c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机。 3 31c 8 0 5 1f x x 系列单片机简介 9 某型电子经纬仪光电信号数字处理系统耐制 美国c y g n a l 公司新远推出了离谯能c 8 0 5 1 f x x x ，可彻底改变人们 对8 0 5 1 单冀税速度经、t 陡能低酌印象。篱要说来，c 8 0 5 1 f x x x 系弼单 片机具有如下几个重要的特点： ( 1 ) 速度快：赢达2 5 m 1 p s 的速度，比标准8 0 5 1 快2 0 倍以上，丝毫 不避子p i c 、a v r 单片撬。 ( 2 ) 强大的模拟信号处理功能：有多达3 2 路i 2 位a d c ( 速度为1 0 0 k h z ) 或高达5 0 0 k h z 的8 位a d c 、两路1 2 位精度的d a c 、两路模拟比较器、 赢精凄基准患源、程控放大器帮温度传感器。 ( 3 ) 先进的j t a g 调试功髓：支持程系统、全速、菲插入式诞试稚编 程，不占用任何片内资源。 4 ) 强大的擦制功能：有多达6 4 位i 0 口线，所有的口线可以编程 为弱主拉或捺撬赣窭。受为疆特懿楚其奏数字开关箨秀( d i g i t ；t l cr o s s b a r ) ，可以将内部系统资源定向到p o 、p 1 和p 2 ，即可以把定时 器、串行总线、外部中断源、a d 转换输入、比较器输出定向到p o 、p i 嬲p 2 。 ( 5 ) 丰富酶窜行接口：凝脊标准的念敢工u a r t 、p h i l i p s 或i n t e l 标 凇的i2 c s m b u s 串行总线“小及m o t o r o l a 的s p i 串行总线。不仅覆盖 了热型的串行邋信标准，筒且功能更强大。 ( 6 ) 多达2 2 令中繇漂：为实嚣多经务系统静实璇箍供了藐安静基础。 ( 7 ) 可靠的囊全机制：有7 种复位源，使系统的逡行可靠性大大提高： 采用一种与传统方式完全不同的加密方式，利用j t a 6 口编瑕来加密芯 冀，可以绝对僚护楚户静艇瑷产毅。 ( 8 ) 存储器：有多达6 4 k b 的f l a s h 存储器，其中的部分可以作为数 据存储器用。同时，片内可有多达4 k b 的r a m 存储器。 3 。3 ，2 壤墨输入输窭 m c u 中有大量的数字资源需要通滋数字i o 端口p o 、p l 、p 2 和p 3 才+ 能使用。c 8 0 5 l f 0 0 5 单片机的每个i 0 端口均有8 个引脚。端口0 、 l 露2 中魏每个萼l 瓣嚣可以定义麓对藏敦演习| o ，又胃浚分嚣绘一个 内部数字资源。设计者对功能分配衣完全的控制，这种资源分配的灵 活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。 南京航空航天大学硕士学位论文 在软件设计中是利用寄存器x b r o 、x b r l 和x b r 2 来选择内部数字 功能或让i o 引脚默认为端口i o 的。所有端口i o 都耐5 v 电压。可 以用端口配置寄存器( p r t o c f 、p r t l c f 、p r t 2 c f 、p r t 3 c f ) 将端口i o 单元配置为推挽或漏极开路方式。 关于具体的端口资源配置、交叉开关译码器的原理、各寄存器设 置以及i o 电气特性等参见参考文献【1 3 】，本文不再详述。 3 3 3a d 转换器 c 8 0 5 l f 0 0 5 的a d c 子系统包括一个9 通道的可配置模拟多路开关 ( a m u x ) ，一个可编程增益放大器( p g a ) 和一个l o o k s p s 、1 2 位分辨 率的逐次逼近寄存器型a d c ，a d c 中集成了跟踪保持电路和可编程窗口 检测器( 见图3 7 的原理框图) 。a m u x 、p g a 、数据转换方式及窗u 检 测器都可用软件通过图中所示的特殊功能寄存器来配置。 图3 71 2 位a d c 功能框图 本课题中，要对多路模拟信号进行采集，如对水平盘输出的相位 相差9 0 。的两路信号h a v o 、h a v l 和垂直盘输出的相位相差9 0 。的