C8051F120單片機(jī)在激光陀螺指北儀中的應(yīng)用

摘要： 文章介紹了C8051F120單片機(jī)在激光陀螺指北儀中的應(yīng)用，包括檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、電機(jī)控制、數(shù)據(jù)顯示和傳輸?shù)取?BR>
關(guān)鍵詞： 激光陀螺指北儀；單片機(jī)

引言

指北儀是一種測(cè)量方位的儀器，廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域，可以用于導(dǎo)彈發(fā)射的初始姿態(tài)測(cè)量、火炮瞄準(zhǔn)發(fā)射和車載雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)等。在民用領(lǐng)域，可用于大地測(cè)量、資源勘探、隧道開鑿等。隨著指北儀的日益廣泛應(yīng)用，在不降低指北精度的條件下，減小體積和降低成本成為指北儀發(fā)展的一個(gè)方向。本文的激光陀螺指北儀利用C8051F120單片機(jī)完成了系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、電機(jī)控制、數(shù)據(jù)顯示和通訊等多個(gè)功能，為研制體積小、成本低的指北儀系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

激光陀螺指北儀

激光陀螺指北儀通過測(cè)量地球自轉(zhuǎn)角速度來獲取北向方位信息，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、四頻激光陀螺、軸角編碼器(光柵編碼器)、鍵盤和顯示模塊、MCU和相關(guān)電路(圖中未畫出)組成。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，可以旋轉(zhuǎn)至任意位置。四頻激光陀螺垂直安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，陀螺的敏感軸和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的臺(tái)面平行，其作用是測(cè)量地球自轉(zhuǎn)在水平面的分量。光柵編碼器的作用是測(cè)量旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度。鍵盤和顯示模塊的作用是輸入地理緯度和顯示指北結(jié)果。MCU采用C8051F120單片機(jī)[1]，其作用是采集和處理數(shù)據(jù)、計(jì)算北向方位、控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、與其他設(shè)備進(jìn)行通訊等。系統(tǒng)工作時(shí)，將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)嚴(yán)格調(diào)水平，然后將激光陀螺旋轉(zhuǎn)至不同的位置并測(cè)量其輸出，通過陀螺的輸出即可解算出北向方位角，從而完成指北。

圖1  激光陀螺指北儀的結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)的功能

激光陀螺指北儀的MCU由Silicon Laboratories公司的高速單片機(jī)C8051F120組成。C8051F120單片機(jī)的指令集與傳統(tǒng)的MCS-51完全兼容，工作時(shí)鐘達(dá)100MHz，采用流水線指令結(jié)構(gòu)，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。C8051F120單片機(jī)內(nèi)部包含8848B內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，128kB可在系統(tǒng)編程的FLASH程序存儲(chǔ)器，通過JTAG接口下載程序。C8051F120單片機(jī)的外設(shè)相當(dāng)豐富，包括1個(gè)采樣速率達(dá)100ksps的SAR類型12位ADC，1個(gè)采樣速率達(dá)500ksps的SAR類型8位ADC，2個(gè)12位DAC，2個(gè)模擬比較器，還有串行口、SMBus接口、電壓基準(zhǔn)、電源監(jiān)視、內(nèi)部PLL、看門狗定時(shí)器和JTAG接口等。這些資源完全能滿足指北儀的要求。

參見圖2，MCU的主要功能包括與其他設(shè)備進(jìn)行通訊、與鍵盤和顯示模塊進(jìn)行通訊、檢測(cè)激光陀螺外圍電路的工作狀態(tài)(系統(tǒng)自檢)、采集激光陀螺和光柵編碼器的數(shù)據(jù)、步進(jìn)電機(jī)控制、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算北向方位等。

圖 2  激光陀螺指北儀的硬件框圖

MCU與其他設(shè)備通訊的主要目的是將指北結(jié)果傳輸給其他設(shè)備。系統(tǒng)采用RS-232接口，通訊波特率為9600bps。

鍵盤和顯示模塊主要用于輸入當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扰c顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和指北結(jié)果。MCU與鍵盤和顯示模塊進(jìn)行通訊采用I2C接口。

系統(tǒng)自檢主要檢測(cè)激光陀螺外圍電路的工作狀態(tài)，其中有模擬量的檢測(cè)，也有邏輯量的檢測(cè)。模擬量的檢測(cè)利用C8051F120的ADC完成。在FPGA中定義了相關(guān)電路的狀態(tài)引腳(即邏輯量)，邏輯量的檢測(cè)通過讀取FPGA相應(yīng)的狀態(tài)引腳完成，系統(tǒng)定義“0”為工作正常，“1”為工作不正常。

激光陀螺和光柵編碼器的計(jì)數(shù)均在一片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)，C8051F120通過總線接口從FPGA中讀取數(shù)據(jù)即完成數(shù)據(jù)的采集功能。

數(shù)據(jù)處理的工作有：對(duì)激光陀螺的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后計(jì)算出地球自轉(zhuǎn)角速度分量；利用光柵編碼器的數(shù)據(jù)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度；根據(jù)指北算法計(jì)算出北向方位。

系統(tǒng)采用四相八拍的步進(jìn)電機(jī)，C8051F120通過P2口的低四位給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)序如表1所示。通過光柵編碼器的角度反饋，C8051F120可以按指北算法的需要將平臺(tái)旋轉(zhuǎn)至任何位置。

MCU的簡化電路圖如圖3所示，其中C8051F120采用3.3V供電。Y1為22.1184MHz的石英晶振，由C8051F120內(nèi)部的PLL進(jìn)行4.5倍頻得到99.5MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。接插件JP6為JTAG接口，用于下載編譯好的可執(zhí)行程序。數(shù)據(jù)地址復(fù)用信號(hào)AD[7..0]、讀信號(hào)RDn、寫信號(hào)WRn和地址鎖存信號(hào)ALE構(gòu)成總線接口，C8051F120通過總線接口對(duì)FPGA電路進(jìn)行讀寫訪問。ADC0和ADC1和陀螺外圍電路相連接，用于檢測(cè)相關(guān)電路的工作狀態(tài)。串口0用于與其他設(shè)備進(jìn)行通訊。SDA和SCL組成I2C接口與鍵盤和顯示模塊連接。外部中斷1(INT1)與鍵盤和顯示模塊連接，用于檢測(cè)鍵盤是否有按鍵按下。外部中斷0(INT0)和FPGA電路連接。DRIVER4～DRIVER1和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路連接。

圖3  MCU的簡化電路圖

結(jié)語

C8051F120單片機(jī)已成功地應(yīng)用筆者研制的激光陀螺指北儀樣機(jī)中，多次實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。作為激光陀螺指北儀的MCU，C8051F120完成了數(shù)據(jù)采集和處理等一系列功能，使硬件得到簡化，縮小了系統(tǒng)的體積，降低了成本。

參考文獻(xiàn)：

1.Silicon Laboratories, C8051F12X/13X Mixed Signal ISP Flash MCU Family, Silicon Laboratories,2004
2. 繆玲娟，陳家斌，單激光陀螺捷聯(lián)尋北系統(tǒng),北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), Apr，1997.Vol.17.No.2
3. 田海峰，王登順，激光陀快速尋北儀的研究,中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào), Oct,2004.Vol.12.No.5