技术领域
[0001] 本
发明涉及自动控制领域，具体涉及一种电罗经信号模拟发生器。
背景技术
[0002] 当前我国是海洋大国，造船大国，正在向海洋强国，造船强国迈进，电罗经作为提供航向的设备，是舰船上必不可少的设备，相对于磁罗经，电罗经受到声、光、电、磁的影响小，能够提供更准确的航向基准，并且还能为舰船上的导弹，火炮提供方为基准。在舰船的生产和维修过程中，需要一款电罗经信号模拟发生器来帮助调试舰船上需要接受电罗经信号的设备，可大大提高工作效率。与此同时，
单片机技术飞速发展，
精度越来越高，速度也越来越快，已应用于各个领域，智能设备也是现如今研究的方向，结合计算机控制
软件，实现计算机对电罗经信号模拟发生器
输出信号的控制。
[0003] 现有的技术采用的是手摇式自整
角机和以单片机和DSC模
块为核心，实现信号输出的方式。手摇式自整角机长时间在复杂环境下工作，该方式输出的三相信号在相过零时，输出的信号
波形不再是比例于参考基波信号，而是信频信号，因此在该工作点，模拟航向的自整角机不动时，信号接收装置的航向角不断地增加或减少，自整角机不再适合充当电罗经信号模拟发生器。同时，该设备智能化低，手摇式不能精确控制
角速度，旋转角，容易产生较大误差且不方便。单片机和DSC模块为核心，实现信号输出的方法仅有三路信号输出，缺少基波信号，另外此方法输出信号
电压还没有做到Vpp＝160V。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种电罗经信号模拟发生器。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是
现有技术中存在的手摇式自整角机信号在相过零时，输出的信号波形不再是比例于参考基波信号，而是信频信号的技术问题。提供一种新的电罗经信号模拟发生器，该电罗经信号模拟发生器具有安全稳定，操作简单，便携，
人机交互性高的特点。
[0006] 为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
[0007] 一种电罗经信号模拟发生器，所述电罗经信号模拟发生器包括计算机控制单元，与计算机控制单元连接的下位机主控单元，与下位机主控单元连接的四路
数模转换单元，每一路数模转换单元均依次连接有信号放大
电路和输出
接口。
[0008] 所述计算机控制单元将用户输入参数传输至下位机主控单元；所述数模转换单元，将主控单元发送的
数字信号转换成
模拟信号；所述信号放大电路的
输出电压Vpp＝160V±10％，载波信号
频率100HZ±10％，包络信号
频率范围1Hz±10％-30HZ±10％可调，可选择正反两种旋转方向。
[0009] 本发明的工作原理：本发明通过计算机控制单元将用户输入的信号参数以通信协议的方式发送至下位机主控单元，下位机主控单元解析接收到的参数数据包，生成四路数字信号送至DAC转换器，产生信号较弱的模拟信号，同时为了提高信号的抗干扰能
力，将信号放大至Vpp＝160V±10％，然后分别对外输出，实现了高电压抗干扰的信号输出。
[0010] 上述方案中，为优化，进一步地，所述电罗经信号模拟发生器还包括用于供电3.3V、±15V以及±110V电压的电源模块；所述电源模块包括自恢复保险丝组合，瞬态抑制
二极管组合以及用于避雷的压敏
电阻值组合。
[0011] 进一步地，所述信号放大电路包括与数模转换单元输出连接的
放大器U11第3脚，放大器U11的第1脚、第5脚及第8脚悬空，放大器U11的第2脚连接有电阻R38和电阻R39，电阻R38另一端接地，电阻R39另一端连接到放大器U11第6脚，放大器U11第6脚还连接有电阻R46以及OUT端，放大器U11第4脚连接电阻R53和放大器U14的第6脚，放大器U11第7脚连接到放大器U8的第6脚；
[0012] 放大器U14的第1脚、第8脚、第5脚悬空，第7脚接地，第4脚连接有电压-85V～-110V，第2脚连接到电阻R53另一端，第3脚连接电阻R59和电阻R50，电阻R59另一端接地，电阻R50另一端与OUT端连接；
[0013] 放大器U8的第6脚还连接有电阻R22，放大器U8的第1脚、第5脚、第8脚悬空，第4脚接地，第7脚连接有电压+85V～+110V，第2脚与电阻R22另一端连接，第3脚与电阻R46另一端连接同时还连接有电阻R34，电阻R34另一端连接有电压+85V～+110V。
[0014] 进一步地，所述计算机控制单元与下位机主控单元之间连接有信号通信电路，所述信号通信电路用于将计算机输出
差分信号转换为TTL电平信号。
[0015] 进一步地，所述信号通信电路传输的数据中，数据依次包括
帧头0xAA、8位角速度、16位旋转角度、16位幅值、8位方向以及帧尾0x55；
[0016] 所述0xAA帧头表征控制指令开始，所述8位角速度用于设置旋转角速度，16位旋转角度用于设置旋转角度，16位幅值用于设置电罗经信号模拟发生器的输出电压，8位方向用于设置旋转方向，帧尾用于表征控制指令结束。
[0017] 进一步地，所述下位机主控单元内部存储初始化程序、信号接收程序、信号解析程序、数字信号生成程序，SPI传输程序，用于执行以下步骤：
[0018] 步骤1，初始化下位机主控单元，包括GPIO接口、SPI总线、USART串口以及
定时器中断初始化；
[0019] 步骤2，控制电罗经信号模拟单元串口依次进行串口接收终端、解析控制指令、退出串口中断、定时器中断，生成信号。
[0020] 其中数字信号生成程序采用定时输出的方式，载波信号频率为100HZ的
正弦波，每个周期即10ms,每个周期
采样100个点，即每两个点时间间隔100us，每100us发送一次数据，数据步长为 包络信号频率范围1Hz±10％-30HZ±10％，固定每100us发送一次数据，设频率为Fre,每个周期采样点数为 步长为 正向旋转为一次加此步长，反向为减掉此步长。包络信号的结束代表着当次旋转信号的结束，旋转角度决定采样点数，设包络信号采样次数为count,旋转角度为Rotation_angle,角速度即包络信号频率为Fre,则有即count＝Rouation_angle×N。
[0021] 步骤3，使用SPI总线传输数字信号给数模转换单元。
[0022] 本发明的有益效果：本发明根据△—Y变换，改变输出接口，使用的Y型结构更加简单稳定，同时工作频率提高一倍。通过选用STMF4系列
控制器运行速度，功能集成，工作
稳定性上都有优点。采用定时输出的
算法，能够精确生成信号的频率、旋转角速度、角速度，通过计算机进行
控制信号的输出，并可以实时显示旋转的角度，便于在舰船生产和维修中使用。
附图说明
[0023] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明。
[0024] 图1，实施例1中电罗经信号模拟发生器示意图。
[0025] 图2，主控单元电路示意图。
[0026] 图3，电源模块示意图。
[0027] 图4，数模转换单元电路结构示意图。
[0028] 图5，数模转换单元时序示意图。
[0029] 图6，信号放大电路示意图。
[0030] 图7，信号通信电路示意图。
[0031] 图8，现有的对外接口示意图。
[0032] 图9，本实施例的对外接口示意图。
[0033] 图10，电罗程序单元的控制示意图。
[0034] 图11，电罗程序单元的软件流程示意图。
具体实施方式
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0036] 实施例1
[0037] 本实施例提供一种电罗经信号模拟发生器，如图1，所述电罗经信号模拟发生器包括计算机控制单元，与计算机控制单元连接的下位机主控单元，与下位机主控单元连接的四路数模转换单元，每一路数模转换单元均依次连接有信号放大电路和输出接口。
[0038] 如图9，所述输出接口为Y型结构，包括相互并联的C1C2
串联支路接口、P1接口、P2接口以及P3接口；所述C1C2串联支路接口、P1接口、P2接口以及P3接口均参考于地；所述计算机控制单元是将输入参数以通信协议所规定的方式发送至下位机主控单元；所述信号放大电路的输出电压为160V。相对于现有的如图8的输出接口，本实施例采用的Y型接口结构更加简单稳定，同时工作频率提高一倍。
[0039] 如图8，当给电罗经信号模拟单元的励磁绕组励磁，励磁电压UC1C2(t)＝Asin(2πft)时，自电罗经信号模拟单元输出电压为：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 当航向每转一度，自整角机转360°，则航向变化角度与输出电压相角的关系为：Δθ航为航向变化角度； 为初始
相位。
[0044] 其中Δθ航＝ωt1，ω为每秒转几度，当航向顺转时，ω＞0，反转时，ω＜0，停转时，ω＝0，t1为启动时开始计时。
[0045] 则有：
[0046]
[0047]
[0048] 如图9的Y型接口，则是：
[0049] UC1C2(t)＝Asin(2πft)
[0050] UP1(t)＝Psin(2πωt1+α0)sin(2πft)，
[0051]
[0052]
[0053] 计算出：
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 将两种情况进行对比，有：
[0058]
[0059]
[0060] 由于P1、P2的有效值是110V±10％， 航向是以鉴相为主，对幅值要求不高，结合方便选用器件，本实施取P为80V，相应的幅值要求为：P1、P2、P3对中心地的幅值为Vpp＝160V±10％。
[0061] 电罗经信号模拟单元频率为工频，舰船应用为400Hz，本实施例在此之间取之，取100Hz，偏差±5％。
[0062] 为了标定时便于捕捉信号，将α0定义为0，则实施例四路信号输出如下：
[0063] UC1C2(t)＝Psin(2πft)
[0064] UP1(t)＝Psin(2πωt1)sin(2πft)，
[0065]
[0066]
[0067] 其中：P＝80±10％，f＝100Hz±5％。
[0068] 本实施例的下位机主控单元决定着程序运行的速度，信号输出精度以及信号发生器运行的稳定性。主控芯片选择STM32F427，STM32F427的Cortex-M4包括32位
微控制器内核、浮点运算单元。多层AHB总线矩阵可提高CPU和DMA控制器的带宽，自适应实时
加速器实现从闪存执行代码零等待状态，Cortex-M4的性能在168MHz时高达210DMIPS(566CoreMark)，这也是Cortex-M4内核在168MHz下能够达到的最高性能，主控电路电路图如图2。
[0069] 为了提高供电稳定性，优选地，本实施例的电罗经信号模拟发生器还包括用于供电3.3V、±15V以及±110V电压的电源模块；所述电源模块包括自恢复保险丝组合，瞬态抑制二极管组合以及用于避雷的压敏电阻值组合，电源模块的电路图如图3。
[0070] 本实施例的数模转换单元决定到数模转换的速度，输出的精度。本实施例选择使用DAC714十六位高速转换器，该芯片是一款完整的单芯片
数模转换器，包括+10V
温度补偿基准电压源，
电流电压放大器，高速同步串行接口，允许级联多路转换器的串行输出和异步清零功能立即将输出电压设置为中间电平。在±12V或±15V电源下工作时，输出电压范围为±10V，±5V或0至+10V，数模转换输出规则如表1。
[0071] 表1
[0072]数字信号输入 模拟信号输出 单位
7FFF +10 V
4000 +5 V
0001 0.000305 V
0000 0 V
FFFF -0.000305 V
C000 -5 V
8000 -10 V
[0073] STM32F427通过SPI总线与DAC建立通信连接，当A0为低电平，A1为高电平时有效，时序图如图5，DAC采用±15V双电源供电。供电电压最好不低于±12V，否者可能输出波形失真；不可高于±17V，否则DAC714芯片可能会烧毁。
[0074] DAC714受
工作温度、
环境温度、信号频率等影响放大倍数会有误差，本实施例中精密可调电阻R6用来微调信号放大倍数，同时输出信号若发生偏移，精密可调电阻R7用来调整偏移，使信号关于零电压对称，本发明有四路数模转换，本实施例仅给出其中一路的电路图，其余三路类似，如图4。
[0075] 具体地，本实施例的信号放大电路如图6，包括与数模转换单元输出连接的放大器U11第3脚，放大器U11的第1脚、第5脚及第8脚悬空，放大器U11的第2脚连接有电阻R38和电阻R39，电阻R38另一端接地，电阻R39另一端连接到放大器U11第6脚，放大器U11第6脚还连接有电阻R46以及OUT端，放大器U11第4脚连接电阻R53和放大器U14的第6脚，放大器U11第7脚连接到放大器U8的第6脚；
[0076] 放大器U14的第1脚、第8脚、第5脚悬空，第7脚接地，第4脚连接有电压-85V～-110V，第2脚连接到电阻R53另一端，第3脚连接电阻R59和电阻R50，电阻R59另一端接地，电阻R50另一端与OUT端连接；
[0077] 放大器U8的第6脚还连接有电阻R22，放大器U8的第1脚、第5脚、第8脚悬空，第4脚接地，第7脚连接有电压+85V～+110V，第2脚与电阻R22另一端连接，第3脚与电阻R46另一端连接同时还连接有电阻R34，电阻R34另一端连接有电压+85V～+110V。
[0078] 本实施例需要对信号进行放大，实际工作中最大要产生Vpp最大160V的信号，本实施例用OPA454作为
功率放大器，OPA454器件是一款具有高电压100V和相对较高电流驱动50mA的低成本
运算放大器。OPA454单位增益稳定的，并具有2.5MHz的增益带宽乘积。OPA454在内部受到过温保护和电流过载保护。OPA454在±5V至±50V的宽
电源电压范围内工作，或者在10V至100V的单电源电压范围内工作。
[0079] 如图6，信号放大电路由三块OPA454组合而成，放大倍数 本实施例的标准供电电压±100V，不可低于±85V，否则可能不能满足输出信号Vpp需要，不可高于±
110V，否则可能会烧毁电路。U8的输出信号作为U11的电源正极，U14的输出作为U8的电源负极，这样U8的输出信号可满足Vpp最大160V要求，本实施例仅阐述了OUT1路的放大电路，OUT2、OUT3、OUT4电路图同OUT1一样
[0080] 具体地，如图7，电罗程序单元与主控单元之间连接有信号通信电路，所述信号通信电路用于将电罗程序单元信号转换为TTL电平信号。电罗程序单元发送的信号需转换成STM32能够接受的TTL电平，本实施例选择PL2303作为转换芯片，PL2303内置USB功能控制器、USB收发器、
振荡器和带有全部
调制解调器控制信号的UART，方便嵌入到各种设备。本实施例通过一端为方口的USB
连接线连接计算机和下位机，计算机发送差分信号送至PL2303的DM,DP,内部转换成3.3VTTL电平，STM32F427始终检测是否有信号发送，若接收到发送信号，进入USART中断，解析控制指令。
[0081] 关于信号通信电路传输的数据通信协议，数据依次包括帧头0xAA、8位角速度、16位旋转角度、16位幅值、8位方向以及帧尾0x55；
[0082] 所述0xAA帧头表征控制指令开始，所述8位角速度用于设置旋转角速度，16位旋转角度用于设置旋转角度，16位幅值用于设置电罗经信号模拟发生器的输出电压，8位方向用于设置旋转方向，帧尾用于表征控制指令结束。
[0083] 在使用本实施例的设备时，如图10，打开计算机控制单元后，选择正确的通信端口，输入计算机控制单元的参数，点击“设置”按钮，若没有参数设置则继续等待参数设置，若设置完成后点击“正转或反转”，此时程序会先进行输入的参数是否符合规范，若符合规定，则发送指令给电罗经信号模拟发生器，若不符合规范会弹出提示框指导正确输入参数，等待重新设置。
[0084] 进一步地，所述下位机主控单元内部存储初始化程序、信号接收程序、信号解析程序、输出数字信号生成程序，SPI传输程序用于执行如图11的步骤：
[0085] 步骤1，初始化下位机主控单元，包括GPIO接口、SPI总线、USART串口以及定时器中断初始化；
[0086] 步骤2下位机主控单元依次进行串口接收终端、解析控制指令、退出串口中断、定时器中断，生成信号。
[0087] 其中数字信号生成程序采用定时输出的方式，载波信号频率为100HZ的正弦波，每个周期即10ms,每个周期采样100个点，即每两个点时间间隔100us，每100us发送一次数据，数据步长为 包络信号频率范围1-30HZ±10％，固定每100us发送一次数据，设频率为Fre,每个周期采样点数为 步长为 正向旋转为一次加此步长，反向为减掉此步长。包络信号的结束代表着当次旋转信号的结束，旋转角度决定采样点数，设包络信号采样次数为count,旋转角度为Rotation_angle,角速度即包络信号频率为Fre,则有即count＝Rotation_angle×N
[0088] 步骤3，使用SPI总线传输信号给数模转换单元。
[0089] 电罗经信号模拟发生器上电后，首先完成一些列初始化程序，主要有GPIO接口、SPI总线、USART串口、定时器中断初始化，为了保证该发生器保持较快的运行速度及稳定性，并考虑到DAC714的工作性能，SPI数据发送速度设置为5MHZ,定时器设置100US中断一次，串口的波特率设置为115200，串口中断优先级最高，定时器优先级次之，这一系列初始化完成后，定时器中断，由SPI发送输出四路100Hz正弦信号，与此同时，等待是否有计算机控制单元发来的控制指令，若接收到控制指令，则进入USART中断，解析出控制指令，退出USART中断，再次进入定时器中断去生成符合控制指令的信号，即完成一次指令接收、解析、信号生成，然后继续等待指令发送，以此循环可多次发送控制指令生成信号。
[0090] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于
本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的
权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
