位标器是红外制导进行目标跟踪的关键部件，位标器陀螺仪上线圈组件(包括基准线圈、调制线圈、Φ角线圈)的绕制精度和作为陀螺转子的磁钢的充磁性能将直接影响导弹的命中精度与火箭飞行的平稳度。因此，对线圈绕制精度和磁钢充磁性能的检测十分必要。

1测量原理

测量Φ角线圈输出，目的在于保证位标器的电锁精度。当测量转子在待测线圈部件内旋转时，若Φ角线圈与测量转子的旋转磁场同轴则线圈不产生感应电势，因此测量出Φ角线圈的感应电动势就能判断其绕制精度。调制线圈和基准线圈在线圈部件中和测量转子垂直，转子旋转时输出调制信号和基准信号，比较两者相位即得到相位差。测量磁钢磁性能，目的在于保证位标器基准线圈、调制线圈的输出电压和波形，当测量转子旋转时，测量磁钢转子在标准的线圈内部产生的开路电压有效值和波形失真度来判断被测部件的磁钢磁性能及分布情况。位标器陀螺仪的结构如图1所示。

系统主要由以下四部分构成：电源模块、测量模块、电机控制模块、显示模块。电源模块由电源板、变压器、大功率7805组成。测量模块由测量电路组成，包括频率检测电路、相位差检测电路及自校准电路、有效值检测电路和单片机接口电路。电机控制电路包括起转电路、稳速电路。显示模块包括显示驱动电路，数码管。

测量电路是系统的核心，由于系统需要测量参数较多，还要监控开关电源电压，因此使用多路模拟开关HC4051(连接到8155的PB口)轮流选通信号到ICL7135模／数转换器，ICL7135通过74LSl57和8155的PA口与单片机接口；ICL7135的输入电压值在-2～+2V之间，因此必须用放大电路将各待测电压信号放大至适当大小，经采样后，由单片机进行数据处理并在前端面板显示，失真度采用外挂失真度仪进行测量。

2硬件电路设计

2.1ICL7135与单片机接口

ICL7135是全MOS工艺的14位双积分式A／D转换器，具有自校零，动态字位扫描BCD码输出，自动极性判别信号输出，自动量程控制信号输出等性能。89c51通过8155扩展IO口与ICL7135接口，如图2所图2ICL7135与89c51接口示。

当ICL7135的高位选通信号D5输出高电平时，ICL7135的B1、POL、OVER、UNDER通过74LS157送到8155的PA0～PA3；当D5位低时，ICL7135的B1、B2、B4、B8输出低位BCD码，仍通过74LS157送到PA0～PA3。8155的A口工作在选通方式，ICL7135的数据输出选通脉冲信号／ST连接到8155的PC2上，A口中断请求线PC0反相后接到单片机的／INT1端，当ICL7135完成一次A／D转换后，产生5个数据选通脉冲分别将各位BCD码和位标志送到PA口，PA口接受数据后，中断标志线PC0变高，向单片机申请中断，通过中断响应将数读入到内存。A／D转换时钟由8155定时器输出(图中未画出，即8155的6脚TMBOUT接在ICL7135的22脚CLK上)。HC4051的通道选择端A、B、C和INH分别接到8155的PB0～PB3，轮流控制采样不同的信号，4051的模拟输入端有处理后的基准线圈、Φ角线圈产生的信号以及±20V电源信号，还有标准1V(用作校准)。

2.2有效值检测电路

有效值检测电路由射极跟随电路、带通滤波电路、放大电路、精密半波整流电路和低通电路共同构成。带通滤波器主要是滤去干扰信号。考虑到各信号电压的输出与A/D转换器的输入电压范围(-2V～+2V)不一致，故用放大电路调整至合适的值。由两个二极管和一个运放构成精密半波整流电路，经低通、有效值检测，输出信号直接送到HC4051的输入端。

2.3频率测量

线圈感应信号的频率与转子转速是一致的，因此可以通过测量感应信号的频率来确定转子转速。首先对线圈输出信号滤波除去干扰，滞回比较器的阈值设为±0.4V，能够精确的将正弦信号变成同频率的方波信号，再由三极管构成的反相器产生TTL电平；对于低频信号(这里频率为100Hz左右)的测量，一般采用周期测量法。将单片机内定时／计数器T0定为16位定时器，对内部机器周期计数，即方式控制字为#01H。定时器的开关由程序根据P1.4口上的状态进行控制，检测到上升沿时开T0计数，当紧接着的另一个上升沿被检测到时关T0计数。T0中的计数值为nx，则被测信号周期Tx=nxTs，对于12MHz晶振，Ts=1μs。电路接口如图3所示。

周期测量控制程序如下：

2.4相位差检测

相位差检测电路用于检测两个信号的相位差。输入信号为基准线圈(有效值3～5V)和调制线圈(有效值3～5V)，经选频滤波后，由滞回比较器(阈值电压为±0.4V)产生对称的同频率的方波，经三极管构成的反相器后，将它们转变为标准的TTL电平。由两个JK触发器构成相位差检测电路将两个方波的相位差转换成对应占空比的相位差矩形波输出。用单片机去检测相位差矩形波占空比的大小，采用类似频率的测量方法，分别测出高电平和低电平的计数值，则可计算出相位差的大小。相位差矩形波接在单片机的P1.7脚上。电路中还使用了晶振分频后产生的两个相位差为180度的信号，用作基准进行自校正。

2.5LED显示

检测系统共需要显示16位数据，使用了共阳极动态LED显示电路。显示驱动采用TPIC6B595N单片专用集成电路。它由一个八位串入并出、串入串出移位寄存器、八位数据锁存器和驱动器三个主要部分组成。移位寄存器接收串行输入数据，输出串行数据，并提供送往锁存器的并行数据。移位寄存器和锁存器有独立的时钟输入端，对移位寄存器有一个异步的复位端。TPIC6B595N电源电压范围宽、工作电压高达50V，环境温度范围宽(-40℃～125℃)、输出级采用OC结构，可直接驱动LED，其逻辑信息处理的接地端和输出级大电流接地端相互独立，保证了数据传输有效可靠。电路采用DMOS工艺，数据处理速度快，而且与单片机的接口简单。为了避免闪烁，LED采用中断形式显示数据，电路上采用了双片TPIC6B595N和一个74LS138用作位选构成对称结构，74LS138地址线和控制线接在8155的PB4～PB7，每根译码线控制两位显示，两片TPIC6B595N的8脚接高电平，9脚接地，数据线SER IN分别接在单片机P1.0和P1.1，移位寄存器时钟控制线SRCK和数据输出锁存器控制线RCK共同接在单片机P1.2、P1.3口上。显示器件分时工作，这样单片机每扫描一次，每次有两个器件显示。

3软件设计

单片机软件主流程图如图4所示。软件采用MCS51汇编语言编写并运用模块化的结构形式。主程序主要控制程序的流向，子程序模块包括数据处理模块、采样模块、相位差测量模块、频率测量模块、显示子程序模块、校正子程序模块、出错处理模块等。由于显示中断有可能引发采样死循环、频率相位差等测不准，程序中做了一些技巧性处理；为了保证运行速度和精度，在程序中有专门的化小数运算为整数运算的子程序；另外还使用了数字滤波程序，对八次采样值进行算术平均值滤波。

4结束语

该系统以单片机为核心，具有自动化程度高、测量速度快、精度高等优点，较好地解决了位标器陀螺仪的综合检测问题；经实际应用表明，检测装置运行稳定，操作调整方便，抗干扰能力强，各项指标均满足设计要求。需要注意的是，陀螺仪转动轴承的加工安装精度必须保证，否则将会给测量结果带来较大的影响。

参考文献：

［1］ 何立民.MCS51系列单片机应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1999.

［2］ 张琛.直流无刷电动机原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，1996.85～92.

［3］ 孙育才.MCS51系列单片微型计算机及其应用［M］.南京：东南大学出版社，1997.