基于ads8364 和arm7 单片机的导航姿态角采集系统设计

基于ADS8364和ARM7单片机的导航姿态角采集系统设计Designing of the gathering system on the navigation attitude anglebased on ADS8364 and ARM7 MCU赵 欣1 许春艳2（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001；东海舰队海洋水文气象中心，浙江宁波 315000）摘 要：介绍了一种由ADS8364与LPC2000系列单片机构成的数据采集系统。

对ADS8364的工作原理进行了介绍，并给出了其与LPC2292单片机之间的引脚连接图，重点阐述了如何采集旋转变压器信号。

最后说明了数据采集系统的软件实现过程。

关键词：ADS8364 数据采集系统 LPC2000 旋转变压器Abstract: In this article, we introduced a method of data acquisition system composing by ADS8364 and singlechip of LPC2000 series. First, the operating principle of ADS8364 is illuminated. Following, we showed the connection between ADS8364 and LPC2292. The most important of all is how to gather the single from resolver. Finally, the software realization of the data acquisition system is given. Keywords: ADS8364 Data acquisition system LPC2000 Resolver0 引言惯性导航系统中，对航向和纵横摇姿态角的模拟和数字发送精度要求通常都很高。

一般来说，平台罗经的姿态角模拟发送精度要求2’，数字转换精度要求30”，惯性导航系统要求则更高。

因此，对姿态角精确而快速的采集、计算并存储，是正确进行寻北、导航并定向的基础所在。

要完成这些功能，不仅对CPU 的处理速度要求高，而且对A/D 的转换速度和精度也有很高的要求。

ADS8364是高速、低功耗、六通道同时采样的16位模数转换器。

该芯片具有灵活的高速并行接口，可以与ARM 单片机LPC2292系列直接相连。

在实时性和精度方面比较适合电力系统中高精度数据采集处理的需要，非常适合于多路(多种)采集系统的需要。

1 采样多极旋转变压器1.1 旋转变压器的输出惯性导航系统的测角组件大都采用粗精结合的多极旋转变压器，粗精比通常为1：16和1：30等。

我们采用的是粗精比1：16的多极旋转变压器。

旋转变压器能够测得平台坐标系与载体坐标系之间的夹角。

测得的旋转变压器的输出信号，再经过一系列的处理就可以求出角度信号了。

正-余弦旋转变压器包括转子和定子部分，其输出电压与转子转角的函数成正弦或余弦函数关系。

定子一个绕组产生一个具有参考频率的电压，其幅值正比于轴角的正弦，另一个绕组产生一个幅值正比于轴角余弦的电压。

激磁电压sin ω=R m V V t ，输出正余弦电压：1sin sin sin θωθ==R m V V V t2cos sin cos θωθ==R m V V V t其中θ为转子相对于定子的转角。

输出电压波形如图1所示。

0°90°180°270°360°θ(°)图1 旋转变压器波形1.2 姿态角的轴角转换我们可以通过采集由旋转变压器输出的正余弦值算出当前的角度。

要计算当前角度值，总体思想是确定角度的卦限，然后根据正余弦值之商（即角度正切值）来匹配角度值。

正余弦旋转变压器给出的两个电压V 1和V 2在0°~360°范围内都不是单值函数，所以不能简单地通过V 1、V 2或其比值12Vtg V θ=等编码来得到轴角β的数字码。

为此，可以把0°~360°等分成8个区间，每个区间间隔为，称为一个卦限。

在每个区间内，V 45D 45D 1、V 2或tg θ的函数值是单值的。

为了得到轴角β的数码，需要解决两个问题：第一是确定轴角β在8个区间中的哪一个，这是解决大范围的问题；第二是解决β在各区间的角度α是多少，即在某一卦限内，真实轴角（β）偏离0°、90°、180°、270°等线的偏离角α。

将8个区间编码列于表1中，根据卦限符号编码来确定0°~360°范围内的真实转角β。

这与单独采用正弦或余弦信号编码相比，能将函数值0~1对应的角度区间由0°~90°降为0°~45°，从而提高转换精度一倍；同时，这种方法还能消除由于激磁电压波动引起的误差，从而降低对激磁电源稳定性的要求。

由表1我们可以看出，轴角的真实值由轴角卦限和轴角计算值α共同决定，而轴角卦限则与符号位的编码一一对应。

确定每一个卦限的编码还需要利用、和sin V cos V cos sin V V −3个信号的符号（记为、、），具体的对应关系如图2所示，其中、和1D 2D 3D sin V cos V cos sin V V −分别与、、一一对应。

1D 2D 3D 1.3 轴角转换的软件实现过程轴角的真实值由轴角卦限和轴角计算值共同决定，而轴角卦限的确定是与测得的正弦、余弦值的符号相对应的。

确定卦限的软件实现过程如下：{if(x>=0x7FFF) if(y>=0x7FFF)if(x<=y) //0xFFFF-x>=0xFFFF-y res=5; // 第6卦限 else res=4; // 第5卦限 elseif((0xFFFF-x)>=y) // 第7卦限 res=6;else res=7; // 第8卦限 elseif(y>=0x7FFF)if(x>=(0xFFFF-y)) res=2; // 第3卦限 else res=3; // 第4卦限 else if(x>=y) // 第2卦限 res=1;else res=0; // 第1卦限 return res; }其中：x 、y 分别定义为采样测得的正弦和余弦值。

表1 符号位编码与真实角β的关系区间号角度范围符号位编码真实角度β123456780~45D D45~90D D 90~135D D135~180D D 180~225D D225~270D D 270~315D D 315~360D D111110100101001000010011α90α−D 90α+D 180α−D 180α+D 270α−D 270α+D 360α−D2 数据采集部分设计2.1 ADS8364与LPC2292之间的接口电路我们用AD 转换器ADS8364采集来自旋转变压器的旋变信号。

ADS8364芯片自身带有片选（CS ）、输入时钟（CLK ）、并行数据输出（[0：15]）以及灵活的控制信号，因此可以直接与ARM7单片机进行连接。

ADS8364是高速、低功耗的6通道同步采样16位模数转换器，它的6个模拟输入分为3组（A ，B ，C ），每个输入端都有一个ADC 保持信号用以保证几个通道能同时进行采样和转换，非常适合于多路(多种)采集系统的需要。

ADS8364提供了一个灵活的高速并行接口，可以运行在直接寻址、循环采样、FIFO 等3种模式，每个通道的输出数据都可直接作为一个16bit 的字。

ADS8364的差分输入可在到之间变化。

图3为ADS8364与LPC2292之间的接口示意图。

REF V −REF V +V C V S 360θ(°)270180904512345678135°90°45°0°315°225°180°10110011011101101000000132187654图2 轴角卦限判别示意图① 电源：ADS8364采用+5V 模拟电源（A VDD ）和数字电源（DVDD ），内部缓冲器采用与LPC2292相同的+3.3V 电压。

缓冲器电压（BVDD ）允许直接连接到3V 或5V 电压系统，由于LPC2000系列单片机是低电源供电器件，因此必须把ADS8364的BVDD 设置成+3.3V 。

② 时钟：ADS8364的最大时钟频率可达5MHz ，LPC2292的时钟频率为11.0592MHz ，因此可以利用LPC2292的PWM 接口，它的作用是把系统时钟（11.0592MHz ）3分频，约3.6MHz ，作为ADC 的时钟。

③ 模拟输入：ADS8364为6通道同时采样，被采样的模拟信号从A0、A1、B0、B1、C0端输入。

正常操作时，与连接可以为ADS8364提供+2.5V 的参考电压。

它采用差分输入（输入峰-峰值为和 ），因此需要在输入前端设置一个运算放大电路。

输入电压有3种规范的输入范围，即IN REF OUT REF REF V −REF V +2.5V ±、5V ±和10V ±，对于不同的输入配置不同的电阻。

我们选用的是1k 和的配置。

如图4所示，使输入信号转换成差分信号。

Ω5k Ω图3 ADS8364与LPC2292的接口示意图④ 其它控制端：RST 、CS 、HOLDX 分别连到LPC2292的GPIO 口，分别为AD 芯片复位、片选信号和6个信道的选通信号；、AD 引脚接地，以完成16位数据传输，并只输出bit0~bit15数据；引脚BUSY D EOC 与LPC2292的一个中断引脚EINT 相连接，使得在AD 转换完成时EOC 引脚触发的低电平能够通知LPC2292读取数据。

R图4 模拟信号调理电路2.2 数据采集的软件实现LPC2292在采集数据前需要对ADS8364做一些初始化的设置工作。

① RST 初始化：P2.19初始化高电平，待系统时钟稳定后触发为低电平，就可以保证给ADS8364一个稳定的复位。

必须要先对LPC2292复位的原因是可以保证ARM 从ADC 中读出的数据转换结果顺序依次是A0~C1，否则通道的顺序是随机的，无法正确存储数据； ② CS 初始化：置为高电平。

一旦为低，并行数据线反映输出缓冲器的当前状态，CS 被选中时才能进行读操作；③ RD ：置为高电平。

RD （读）信号端也是一个有源低电平信号。

当CS 为低时，在读信号的下降沿，ADS8364的寄存器中的内容将被更新。