C8051F120單片機在激光陀螺指北儀中的應用

摘要： 文章介紹了C8051F120單片機在激光陀螺指北儀中的應用，包括檢測系統狀態檢測、數據采集、數據處理、電機控制、數據顯示和傳輸等。

關鍵詞： 激光陀螺指北儀；單片機

引言

指北儀是一種測量方位的儀器，廣泛應用于軍事和民用領域。在軍事領域，可以用于導彈發射的初始姿態測量、火炮瞄準發射和車載雷達天線對準等。在民用領域，可用于大地測量、資源勘探、隧道開鑿等。隨著指北儀的日益廣泛應用，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展的一個方向。本文的激光陀螺指北儀利用C8051F120單片機完成了系統狀態檢測、數據采集、數據處理、電機控制、數據顯示和通訊等多個功能，為研制體積小、成本低的指北儀系統打下了基礎。

激光陀螺指北儀

激光陀螺指北儀通過測量地球自轉角速度來獲取北向方位信息，其結構如圖1所示，主要由機械旋轉平臺、四頻激光陀螺、軸角編碼器(光柵編碼器)、鍵盤和顯示模塊、MCU和相關電路(圖中未畫出)組成。旋轉平臺由步進電機帶動，可以旋轉至任意位置。四頻激光陀螺垂直安裝在旋轉平臺上，陀螺的敏感軸和旋轉平臺的臺面平行，其作用是測量地球自轉在水平面的分量。光柵編碼器的作用是測量旋轉平臺轉過的角度。鍵盤和顯示模塊的作用是輸入地理緯度和顯示指北結果。MCU采用C8051F120單片機[1]，其作用是采集和處理數據、計算北向方位、控制電機轉動、與其他設備進行通訊等。系統工作時，將旋轉平臺嚴格調水平，然后將激光陀螺旋轉至不同的位置并測量其輸出，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構圖

單片機的功能

激光陀螺指北儀的MCU由Silicon Laboratories公司的高速單片機C8051F120組成。C8051F120單片機的指令集與傳統的MCS-51完全兼容，工作時鐘達100MHz，采用流水線指令結構，70％的指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期。C8051F120單片機內部包含8848B內部數據RAM，128kB可在系統編程的FLASH程序存儲器，通過JTAG接口下載程序。C8051F120單片機的外設相當豐富，包括1個采樣速率達100ksps的SAR類型12位ADC，1個采樣速率達500ksps的SAR類型8位ADC，2個12位DAC，2個模擬比較器，還有串行口、SMBus接口、電壓基準、電源監視、內部PLL、看門狗定時器和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備進行通訊、與鍵盤和顯示模塊進行通訊、檢測激光陀螺外圍電路的工作狀態(系統自檢)、采集激光陀螺和光柵編碼器的數據、步進電機控制、數據處理和計算北向方位等。

圖 2  激光陀螺指北儀的硬件框圖

MCU與其他設備通訊的主要目的是將指北結果傳輸給其他設備。系統采用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地的地理緯度與顯示系統的工作狀態和指北結果。MCU與鍵盤和顯示模塊進行通訊采用I2C接口。

系統自檢主要檢測激光陀螺外圍電路的工作狀態，其中有模擬量的檢測，也有邏輯量的檢測。模擬量的檢測利用C8051F120的ADC完成。在FPGA中定義了相關電路的狀態引腳(即邏輯量)，邏輯量的檢測通過讀取FPGA相應的狀態引腳完成，系統定義“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數均在一片FPGA中實現，C8051F120通過總線接口從FPGA中讀取數據即完成數據的采集功能。

數據處理的工作有：對激光陀螺的原始數據進行濾波，然后計算出地球自轉角速度分量；利用光柵編碼器的數據計算出旋轉平臺轉過的角度；根據指北算法計算出北向方位。

系統采用四相八拍的步進電機，C8051F120通過P2口的低四位給步進電機驅動電路輸出驅動脈沖實現電機轉動，驅動時序如表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旋轉至任何位置。

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內部的PLL進行4.5倍頻得到99.5MHz的系統時鐘。接插件JP6為JTAG接口，用于下載編譯好的可執行程序。數據地址復用信號AD[7..0]、讀信號RDn、寫信號WRn和地址鎖存信號ALE構成總線接口，C8051F120通過總線接口對FPGA電路進行讀寫訪問。ADC0和ADC1和陀螺外圍電路相連接，用于檢測相關電路的工作狀態。串口0用于與其他設備進行通訊。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和步進電機的驅動電路連接。

圖3  MCU的簡化電路圖

結語

C8051F120單片機已成功地應用筆者研制的激光陀螺指北儀樣機中，多次實驗表明系統工作穩定可靠。作為激光陀螺指北儀的MCU，C8051F120完成了數據采集和處理等一系列功能，使硬件得到簡化，縮小了系統的體積，降低了成本。

參考文獻：

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