位標器是紅外制導進行目標跟蹤的關鍵部件，位標器陀螺儀上線圈組件(包括基準線圈、調制線圈、Φ角線圈)的繞制精度和作為陀螺轉子的磁鋼的充磁性能將直接影響導彈的命中精度與火箭飛行的平穩度。因此，對線圈繞制精度和磁鋼充磁性能的檢測十分必要。

1測量原理

測量Φ角線圈輸出，目的在于保證位標器的電鎖精度。當測量轉子在待測線圈部件內旋轉時，若Φ角線圈與測量轉子的旋轉磁場同軸則線圈不產生感應電勢，因此測量出Φ角線圈的感應電動勢就能判斷其繞制精度。調制線圈和基準線圈在線圈部件中和測量轉子垂直，轉子旋轉時輸出調制信號和基準信號，比較兩者相位即得到相位差。測量磁鋼磁性能，目的在于保證位標器基準線圈、調制線圈的輸出電壓和波形，當測量轉子旋轉時，測量磁鋼轉子在標準的線圈內部產生的開路電壓有效值和波形失真度來判斷被測部件的磁鋼磁性能及分布情況。位標器陀螺儀的結構如圖1所示。

系統主要由以下四部分構成：電源模塊、測量模塊、電機控制模塊、顯示模塊。電源模塊由電源板、變壓器、大功率7805組成。測量模塊由測量電路組成，包括頻率檢測電路、相位差檢測電路及自校準電路、有效值檢測電路和單片機接口電路。電機控制電路包括起轉電路、穩速電路。顯示模塊包括顯示驅動電路，數碼管。

測量電路是系統的核心，由于系統需要測量參數較多，還要監控開關電源電壓，因此使用多路模擬開關HC4051(連接到8155的PB口)輪流選通信號到ICL7135模／數轉換器，ICL7135通過74LSl57和8155的PA口與單片機接口；ICL7135的輸入電壓值在-2～+2V之間，因此必須用放大電路將各待測電壓信號放大至適當大小，經采樣后，由單片機進行數據處理并在前端面板顯示，失真度采用外掛失真度儀進行測量。

2硬件電路設計

2.1ICL7135與單片機接口

ICL7135是全MOS工藝的14位雙積分式A／D轉換器，具有自校零，動態字位掃描BCD碼輸出，自動極性判別信號輸出，自動量程控制信號輸出等性能。89c51通過8155擴展IO口與ICL7135接口，如圖2所圖2ICL7135與89c51接口示。

當ICL7135的高位選通信號D5輸出高電平時，ICL7135的B1、POL、OVER、UNDER通過74LS157送到8155的PA0～PA3；當D5位低時，ICL7135的B1、B2、B4、B8輸出低位BCD碼，仍通過74LS157送到PA0～PA3。8155的A口工作在選通方式，ICL7135的數據輸出選通脈沖信號／ST連接到8155的PC2上，A口中斷請求線PC0反相后接到單片機的／INT1端，當ICL7135完成一次A／D轉換后，產生5個數據選通脈沖分別將各位BCD碼和位標志送到PA口，PA口接受數據后，中斷標志線PC0變高，向單片機申請中斷，通過中斷響應將數讀入到內存。A／D轉換時鐘由8155定時器輸出(圖中未畫出，即8155的6腳TMBOUT接在ICL7135的22腳CLK上)。HC4051的通道選擇端A、B、C和INH分別接到8155的PB0～PB3，輪流控制采樣不同的信號，4051的模擬輸入端有處理后的基準線圈、Φ角線圈產生的信號以及±20V電源信號，還有標準1V(用作校準)。

2.2有效值檢測電路

有效值檢測電路由射極跟隨電路、帶通濾波電路、放大電路、精密半波整流電路和低通電路共同構成。帶通濾波器主要是濾去干擾信號。考慮到各信號電壓的輸出與A/D轉換器的輸入電壓范圍(-2V～+2V)不一致，故用放大電路調整至合適的值。由兩個二極管和一個運放構成精密半波整流電路，經低通、有效值檢測，輸出信號直接送到HC4051的輸入端。

2.3頻率測量

線圈感應信號的頻率與轉子轉速是一致的，因此可以通過測量感應信號的頻率來確定轉子轉速。首先對線圈輸出信號濾波除去干擾，滯回比較器的閾值設為±0.4V，能夠精確的將正弦信號變成同頻率的方波信號，再由三極管構成的反相器產生TTL電平；對于低頻信號(這里頻率為100Hz左右)的測量，一般采用周期測量法。將單片機內定時／計數器T0定為16位定時器，對內部機器周期計數，即方式控制字為#01H。定時器的開關由程序根據P1.4口上的狀態進行控制，檢測到上升沿時開T0計數，當緊接著的另一個上升沿被檢測到時關T0計數。T0中的計數值為nx，則被測信號周期Tx=nxTs，對于12MHz晶振，Ts=1μs。電路接口如圖3所示。

周期測量控制程序如下：

2.4相位差檢測

相位差檢測電路用于檢測兩個信號的相位差。輸入信號為基準線圈(有效值3～5V)和調制線圈(有效值3～5V)，經選頻濾波后，由滯回比較器(閾值電壓為±0.4V)產生對稱的同頻率的方波，經三極管構成的反相器后，將它們轉變為標準的TTL電平。由兩個JK觸發器構成相位差檢測電路將兩個方波的相位差轉換成對應占空比的相位差矩形波輸出。用單片機去檢測相位差矩形波占空比的大小，采用類似頻率的測量方法，分別測出高電平和低電平的計數值，則可計算出相位差的大小。相位差矩形波接在單片機的P1.7腳上。電路中還使用了晶振分頻后產生的兩個相位差為180度的信號，用作基準進行自校正。

2.5LED顯示

檢測系統共需要顯示16位數據，使用了共陽極動態LED顯示電路。顯示驅動采用TPIC6B595N單片專用集成電路。它由一個八位串入并出、串入串出移位寄存器、八位數據鎖存器和驅動器三個主要部分組成。移位寄存器接收串行輸入數據，輸出串行數據，并提供送往鎖存器的并行數據。移位寄存器和鎖存器有獨立的時鐘輸入端，對移位寄存器有一個異步的復位端。TPIC6B595N電源電壓范圍寬、工作電壓高達50V，環境溫度范圍寬(-40℃～125℃)、輸出級采用OC結構，可直接驅動LED，其邏輯信息處理的接地端和輸出級大電流接地端相互獨立，保證了數據傳輸有效可靠。電路采用DMOS工藝，數據處理速度快，而且與單片機的接口簡單。為了避免閃爍，LED采用中斷形式顯示數據，電路上采用了雙片TPIC6B595N和一個74LS138用作位選構成對稱結構，74LS138地址線和控制線接在8155的PB4～PB7，每根譯碼線控制兩位顯示，兩片TPIC6B595N的8腳接高電平，9腳接地，數據線SER IN分別接在單片機P1.0和P1.1，移位寄存器時鐘控制線SRCK和數據輸出鎖存器控制線RCK共同接在單片機P1.2、P1.3口上。顯示器件分時工作，這樣單片機每掃描一次，每次有兩個器件顯示。

3軟件設計

單片機軟件主流程圖如圖4所示。軟件采用MCS51匯編語言編寫并運用模塊化的結構形式。主程序主要控制程序的流向，子程序模塊包括數據處理模塊、采樣模塊、相位差測量模塊、頻率測量模塊、顯示子程序模塊、校正子程序模塊、出錯處理模塊等。由于顯示中斷有可能引發采樣死循環、頻率相位差等測不準，程序中做了一些技巧性處理；為了保證運行速度和精度，在程序中有專門的化小數運算為整數運算的子程序；另外還使用了數字濾波程序，對八次采樣值進行算術平均值濾波。

4結束語

該系統以單片機為核心，具有自動化程度高、測量速度快、精度高等優點，較好地解決了位標器陀螺儀的綜合檢測問題；經實際應用表明，檢測裝置運行穩定，操作調整方便，抗干擾能力強，各項指標均滿足設計要求。需要注意的是，陀螺儀轉動軸承的加工安裝精度必須保證，否則將會給測量結果帶來較大的影響。

參考文獻：

［1］ 何立民.MCS51系列單片機應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1999.

［2］ 張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，1996.85～92.

［3］ 孫育才.MCS51系列單片微型計算機及其應用［M］.南京：東南大學出版社，1997.