摘 要： 介绍了一种用于雷达伺服分机的轴角编码系统方案。在阐明旋转变压器工作原理后，主要描述了轴角数字转换芯片AD2S1210的外围电路、激磁信号驱动电路、芯片与DSP的接口设计、系统整体结构以及软件流程。目前该系统已经成功应用于成都信息工程学院雷达系统研究室的WXR-MD-10型多普勒天气雷达伺服分机，以及民航西南空管局气象雷达伺服系统备机。
关键词： 雷达伺服分机；轴角编码；旋转变压器；AD2S1210
0 引言
雷达伺服分机主要用于对雷达天线进行精确控制、目标跟踪和指示。在执行这些任务时，需要实时地获取天线的角度信息，从而实现伺服电机的闭环控制。将雷达的天线角度——方位角和俯仰角这两个机械量变换为数码形式，这一过程称为轴角编码[1]。旋转变压器（后面简称旋变）作为一种轴角传感器，具有精度较高、稳定可靠、环境适应强等优点，广泛应用在雷达、汽车、精密机床等领域。但是旋变得到的是模拟电压信号，需要轴角编码为数字信号才能被处理器使用。轴角编码主要有两种方法[2-3]：一是结合硬件调理电路，利用处理器运行轴角转换算法计算轴角；另外一种是直接使用轴角数字转换芯片（RDC）。第一种方法成本低廉、实用性强，但存在转换精度不高、电路复杂和开发周期长等缺点。RDC芯片精度较高、外围电路简单，现代雷达广泛采用集成的RDC芯片完成轴角编码。目前美国AD公司、日本多摩川公司和国内中船重工716所等都有相应的RDC产品。本文基于AD公司新型RDC芯片AD2S1210和TI公司TMS320LF2407A DSP，研究设计了一套用于雷达伺服分机的轴角编码系统。
1 旋变的工作原理
旋变由定子和转子组成。转子有两个相互正交的绕组，一个是激励绕组R1R2，由激励源提供激磁信号；另外一个是补偿绕组R3R4，用于避免干扰两端短接。定子同样有两个相互正交的绕组，绕组S1S2、S3S4与转子R1R2激磁信号分别正比于轴角的正弦和余弦，即[4]：
其中，θ为轴角，uR为激磁信号。
本方案中选用的是上海赢双电机有限公司生产的51XFW975型旋变，其变比为0.5，激磁频率为2 kHz（经过产方调整），激磁电压最大为7 V峰峰值[5]。
2 轴角编码系统硬件电路设计
2.1 RDC芯片外围及激磁驱动电路
AD公司的集成RDC芯片AD2S1210，是一款完整的10~16位分辨率RDC，片上集成了可编程的正弦波振荡器，能够为旋变提供所需的激磁信号。芯片的正、余弦信号输入端允许2.3~4.0 Vpp，正弦波振荡器输出激磁信号频率为2 kHz~20 kHz。内部有一个Type II数字伺服跟踪环路负责跟踪输入的正、余弦信号，并转换为数字的位置和速度字[6]。
AD2S1210的外围电路如图1所示。芯片共需要3组电源，即模拟电源AVDD +5 V 供电、数字电源DVDD +5 V供电以及芯片逻辑电源VDRIVE +3.3 V。芯片逻辑电源VDRIVE之所以采用+3.3 V电压，是为了与TMS320LF2407A的接口电压相兼容。在制作印制电路板时，将三组电源的滤波退耦合电容尽量靠近芯片管脚摆放。模拟电源和数字电源地线隔离，最后通过一个0 Ω电阻单点接地。分辨率选择管脚RES0和RES1接逻辑电压+3.3 V，选择16位分辨率。为了尽量减弱外界干扰和隔离地线，旋变两组定子的正余弦调制信号分别通过1:1的200 mW音频隔离变压器接入芯片。由于正余弦输入管脚输入阻抗最小值为485 kΩ，故在隔离变压器输出端分别并联一个1 kΩ的电阻，从而与隔离变压器实现阻抗匹配。
AD2S1210的激磁信号输出通常在EXC和/EXC输出端提供3.6 Vpp正弦信号，将产生一个7.2 Vpp差分信号。本设计采用的51XFW975型旋变的输出比为0.5，当芯片激磁信号通过单位增益驱动器加到旋变转子时，旋变两组定子输出的幅度约为差分3.6 Vpp。芯片手册给出的定子的正弦和余弦输入应该满足2.3～4.0 Vpp。但这毕竟是比较理想的情况，设计中还应该考虑到转子和定子上的隔离音频变压器损耗。同时由于装有旋变的雷达天线一般固定在雷达楼顶端的天线罩内，而伺服分机在下方的雷达室，两者通过一段较长的电缆连接。信号在这段电缆上的损耗也是要考虑的。
图2给出了本设计的激磁信号驱动电路。电路包括一级增益放大电路和后级推挽输出。双管推挽的输出为旋变提供电流驱动，输出晶体管的静态电流较小。第一级增益放大电路采用轨到轨、单电源供电运放AD8664，采用+12 V供电。增益放大分别通过电阻R410和R411、R422和R423设定。通过一段时间实验后，R410（R422）、R411（R423）电阻值分别取24 kΩ和10 kΩ，电路的增益为2.4。因为电路采用单电源供电，需要将激磁信号抬升至正电压范围。电阻R414和R415设定运放同相端+3.6 V直流偏置。激磁信号输出时直流偏置电压约为+2.5 V。因此，增益放大电路的直流偏置电压约为+6.2 V。2.2 kΩ电阻为后级推挽电路的二极管提供偏置电路，并确定该侧的静态电流。如果输出驱动能力不够且输出尚未达到饱和，可以适当减小该电阻。
2.2 RDC芯片和DSP接口设计
AD2S1210的角码数字量可以通过16位并行总线或者4线标准SPI获取。两种数据接口方式通过芯片的串行使能missing image file选择，高电平为并行总线方式，低电平为SPI串行方式。如图1所示，本方案选用的是DSP并行总线访问方式。角码位置寄存器更新使能missing image file接在DSP的I/O上，在读取角码数据前触发使能刷新角码位置寄存器。AD2S1210的DB0~DB15接到TMS320LF2407A的16位外部数据总线上，片选missing image file接DSP的外部数据存储空间使能missing image file、芯片并行数据输出使能missing image file接DSP的外部数据存储空间读选通missing image file。这样将AD2S1210映射到DSP的8000H开始的外部数据空间上，读写AD2S1210就可以使用数据存储器访问指令。
2.3 系统整体结构和信号测试波形
图3所示为WXR-MD-10天气雷达伺服分机与天线的整体结构图。图中左半部分为伺服分机的信号控制部分，其中就包括轴角编码系统。电路板上连接旋变的6pin插座，使用双绞屏蔽电缆连接到机箱外壳的航空插座上。为了减弱伺服电机驱动信号的干扰，电机驱动信号和轴角编码信号使用不同的航空插座与电缆分开连接。右半部分为雷达天线，转台内部装有旋变和无刷伺服电机。图3中间为线路连接部分，轴角编码电缆通过长15 m、直径0.5 mm的双绞屏蔽电缆连通，电机驱动电缆使用长15 m、直径2 mm的屏蔽电缆。前面涉及到的屏蔽电缆，其外层金属屏蔽网全部接到模拟地线上[7]。
整个伺服系统连接好之后通电进行试验测试。图4测试的是芯片输出的激磁信号经过驱动电路放大后，测得的隔离变压器输出端的信号。其峰峰值为20.6 V，频率为2 kHz。图5为输入到AD2S1210的正弦调制信号波形，此时天线固定在某个角度上。正弦调制信号的峰峰值为3.44 V，正好满足正弦信号输入幅度要求。从两幅图可知，轴角编码信号传输电缆以及旋变造成的信号衰减还是很大的。
3 轴角编码系统软件设计
图6是雷达伺服分机的轴角编码软件流程图。系统初始化分配一个I/O口给角码寄存器，更新使能missing image file、两个I/O口给模式选择A1和A0，同时初始化一个定时器中断。AD2S1210有两种工作模式：配置模式和普通模式。配置模式主要用于对寄存器进行编程，普通模式主要用于角度数据的读取。在配置激磁频率、控制寄存器前，需要将模式选择输入A1和A0置高。此时芯片处于配置模式。激磁频率设置为08H，对应2 kHz。控制寄存器设置为7FH，即锁相范围默认±44°、默认使能迟滞、16位编码器分辨率。拉低模式选择输入A1和A0，退出配置模式。
一般来说，天气雷达天线做PPI扫描转速最快为6转/分钟（0.036°/ms）、天线定位精度≤0.2°[4]。因此没有必要用查询的方式读取角度值，同时也不现实。软件中使用1 ms定时器中断读取轴角位置数据，这个定时间隔足够满足要求。读取角度数据的TMS320LF2407A，汇编代码如下所示：
LDP #PADATDIR>>7
LACC PADATDIR
AND #0FFC7H
SACL PADATDIR ；使能/SAMPLE下降沿，更新位置寄存器，设置模式选择A1和A0为普通模式-位置输出
RPT #24
NOP
LDP #8000H>>7
LACC 0,16 ；AD2S1210在外部RAM地址8000H上
LDP #aziposi_buf
SACH aziposi_buf ；读取16位轴角角码值到缓存
LDP #PADATDIR>>7
LACC PADATDIR
OR #08H
SACL PADATDIR ；拉高/SAMPLE，准备下次更新位置寄存器
4 总结
AD2S1210作为AD公司新一代的轴角数字转换芯片，其结构简单、体积小、功能强大，具有广阔的应用前景。本文提出的基于AD2S1210、TMS320LF2407A和51XFW975型旋变的轴角解码系统，经测试能够可靠地为天气雷达伺服分机提供天线的轴角信息。采用该方案的WXR-MD-10型多普勒天气雷达目前运行稳定，已经成功部署在贵州威宁县气象局。在设计的民航西南空管局天气雷达伺服备份系统中，证明了该方案可行。
参考文献
[1] 焦中生,沈超玲,张云. 气象雷达原理[M]. 北京:气象出版社, 2005.
[2] 彭俊峰,姬建伟,宋家友,等. 三种轴角数字转换电路的分析与比较[J]. 微计算机信息, 2006(17):8-10.
[3] 徐大林,陈建华. 自整角机/旋转变压器—数字变换技术及发展[J]. 测控技术, 2005(10):1-5,10.
[4] 何建新,姚振东,马尚昌,等. 气象雷达原理与系统[Z]. 成都：成都信息工程学院电子工程学院, 2010.
[5] 上海赢双电机有限公司. 旋转变压器产品手册[Z]. 2012.
[6] Analog Devices Ins. AD2S1210 datasheet[Z]. 2010.
[7] 王媛媛,张凯,任占飞. 集成电路的电磁兼容性分析与设计研究[J]. 微型机与应用, 2014,33(7):15-18.