引言

轉臺是檢測、校驗陀螺必不可少的設備。由于有不同種類、不同功用的陀螺，出現多種型號的轉臺。除了極少數的高精度轉臺（慣導級的）具有速率輸出校準裝置，其余絕大多數是中低精度轉臺，都沒有速率輸出接口。鑒于陀螺的重要性，對轉臺的主要指標速率進行校準是很有必要的。因為轉臺的總體存量很大，型號各異，所以研制一套通用的轉臺速率校準裝置有著重大的意義。本課題采用高精度速率陀螺直接標定中低精度轉臺的速率，配合計算機技術進行補償和擬合，可以簡便易行地實現對多種轉臺的速率校準。用于轉臺速率較準的測試原理如圖1。本文介紹的是轉臺校準裝置中的核心模塊轉臺速率校準卡的設計。

圖1 轉臺速率校準原理圖

1 整體設計

轉臺速率校準卡的結構框圖如圖2所示。整個轉臺速率校準卡主要由SPI接口電路、數據采集電路、數字隔離電路、無線傳輸電路和電平轉換電路幾部分組成。

SPI接口電路是由CPLD器件組成，負責PC104處理器與具有SPI總線的外圍設備進行數據交換。數據采集和數字隔離電路，是由A/D轉換器、基準電壓源和數字隔離模塊組成，負責將速率陀螺輸出的模擬信號通過高精度的A/D轉換器轉換成數字信號，并將數字信號進行數字隔離，隔離后的數據通過SPI接口送入主處理器。無線傳輸和電平轉換電路，是由無線傳輸模塊、電平轉換器以及電源模塊構成，電路負責將送入內存的高精度速率陀螺的數據，通過無線傳輸模塊的發射，傳送給地面的計算機，并運用軟件對數據進行分析和處理。

圖2 轉臺速率校準卡的結構

2 SPI接口電路

2．1 基于CPLD器件的SPI設計結構

在總線接口電路的設計中，采用了具備在系統可編程能力的復雜可編程邏輯器件CPLD取代傳統的標準邏輯電路。基于CPLD設計的SPI接口其目的在于為PC104的處理器擴展SPI接口的功能。能夠實現PC104總線與SPI總線之間的通信。

為了滿足擴展SPI接口功能，基于CPLD的SPI接口必須具有以下功能：①與PC104總線的接口功能；②多位外部從機選擇功能；③時鐘極性和相位選擇不同，有四種傳輸模式功能；④SPI數據傳送完成標志。在SPI接口中，我們采用的芯片是EPM7128SLC-84，它的I/O接口被定義為SPI接口的控制線、數據線和地址線等。SPI接口的結構框圖如圖3所示。在我們設計的速率校準卡的SPI接口中，狀態端RDY和片選端CS已經夠用。如果外部有更多的SPI接口模塊，我們可以通過軟件的編程與設置，擴展更多的狀態端RDY和片選端CS，并共用時鐘線和數據線，實現擴展具有SPI接口的外部設備。

圖3 SPI接口的結構框圖

2．2　軟件設計

PC104的處理器通過CPLD的SPI接口，實現了SPI接口的擴展。其系統軟件設計主要包括兩部分。第一部分是SPI接口功能電路的VHDL語言軟件設計，該軟件設計是利用MAXplusⅡ開發的軟件平臺開發的。該軟件的編程是采用層次化設計的方法。頂層中包括兩大模塊，即：PC104接口模塊和SPI接口模塊。在PC104接口模塊中建立了接口中各寄存器的地址和構造了各寄存器。在SPI接口模塊中又包括SPI控制模塊、SPI邏輯模塊、SPI移位接收模塊和SPI移位發送模塊等。第二部分是PC104處理器與SPI接口之間通信的軟件設計，在這一部分中，我們使用的CPU的主板是基于PC104總線的HXL/DX-440，由于它的基本配置相當于486計算機的主板，因而可以很方便的使用DOS操作系統，利用C語言來實現對SPI接口中數據傳送完成位的檢測、對CPLD中各寄存器的讀寫操作以及對模數轉換器送入的數據進行計算和處理。

3　數據采集與隔離電路

數據采集與隔離電路的結構框圖如圖4所示，其核心是AD7732和ADuM1401。AD7732是AD公司采用∑-⊿技術產生的24位串行模數轉換器，模擬輸入通道在AD7714的基礎上作了較大改進，可用于高頻小信號的測量。ADuM1401是一種新的iCoupler數字隔離器，它采用平面磁場專利隔離技術實現隔離，該芯片能夠替代光電耦合器。其主要優點在于：①不需要使用多個分立器件，僅用一個單芯片就實現了多通道數字隔離；②與現在普遍使用的光電耦合器相比，其印制電路板（PCB）面積縮小60％，功耗降低98％；③不需要驅動LED的外部電路；④具有比光電耦合器更高的數據傳輸速率、時序精度和瞬態共模抑制能力；⑤在同一芯片內提供正向和反向通信通道。

AD780是高精度的參考電壓源，它為AD7732提供2.5V基準電壓。陀螺輸出的模擬電壓接入AD7732的輸入端，通過A/D轉換器的模數轉換，以SPI串行數據的格式輸出。為了提高系統的穩定性與A/D轉換器的精度，在A/D轉換器與SPI接口間加入了數字隔離器ADuM1401，試驗表明隔離器的加入能夠提高模數轉換器的精度以及對外界的抗干擾性。電路中用了兩片ADuM1401，是因為ADuM1401是兩入兩出的4通信通道隔離器，而我們設計的是對5個信號的數字隔離。

圖4　數據采集與隔離電路的結構框圖

4 無線傳輸與電平轉換電路

無線傳輸與電平轉換電路結構框圖如圖5所示。其核心是nRF2401，它是無線收發一體芯片，都工作在2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點間通信，最高傳輸速率超過1Mbit/S。它采用SoC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發電路。沒有復雜的通信協議，它完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信。

nRF2401的電源電壓范圍為1.9～3.6V，利用主板上的+5V電源，通過MIC2937A將電壓轉換為3.3V，為nRF2401提供電源電壓。我們利用的電平轉換器CD4504（TTL–CMOS或CMOS，–CMOS），是為了使系統的+5V的電平信號與無線傳輸的+3.3V電平信號之間的轉換，以便使系統能夠與無線模塊間進行通信。

5　結束語

開發的便攜式轉臺速率校準卡能對中低精度轉臺的速率進行標定，并取得了良好的效果，解決了中低精度轉臺沒有校準裝置的問題。同時通過使用CPLD對SPI接口的開發和利用，使我們學習到只要對本文所介紹的SPI接口的設計方法作適當的變換，就能用于哪些沒有SPI接口功能的處理器和控制器。從而能夠為那些沒有SPI接口功能的處理器和控制器擴展SPI接口電路，來實現與具有SPI總線的外圍設備進行數據交換。