摘 要

旋转变压器实质上是角度传感器，它的特点是高精度、高分辨率。它用来测量转动速度和转动角度的器件，有其他器件也有类似功能，例如光电编码器等。

目前，常用的旋转变压器-数字转换器有两种：第一种为专用解码器，顾名思义，它是出现是针对旋转变压器的解码；另外一种是解码系统，它由单片机、AD接口等组成。虽然旋转变压器专用解码芯片有很多优点，但是这一类旋转变压器专用解码器造价太高，很难得到广泛地普及。但是通过单片机间接解码造价低、正常场合需要的精度能够通过单片机满足，所以得到了很好的普及。

本文以AT89C51单片机为核心，设计了船用设备中的旋转变压器-数字转换器系统。正余弦信号由旋转变压器输出，经过AT89C51单片机采集和处理后，能够输出格式为NMEA-0183的信号。AT89C51单片机的作用主要是对接收到的旋转变压器的模拟信号进行处理。对旋转变压器的模拟信号进行多次数学运算，把转子旋转的360度均等分为8个45度区间，测量定子上正余弦电压值，利用反正切方法，通过查表获得角度值。

本设计包括硬件电路和软件的设计，硬件电路包括正弦激励信号的产生、放大电路、信号调整电路、同步方波电路、光电编码器接口电路。软件包括软件算法和软件流程。

关键字：旋转变压器、单片机、解码器、NMEA-0183标准

Abstract

Rotary transformer is essentially an angle sensor, which is characterized by high accuracy and high resolution. It is used to measure the rotation speed and rotation angle of the device, there are other devices have similar functions, such as photoelectric encoder, etc..

At present, there are two commonly used the resolver to digital converter: the first for a special decoder, just as its name implies, it is appear to be directed against resolver decoding; another is the decoding system, which is composed of a monolithic integrated circuit, ad interface. Although there are many advantages of the dedicated decoder chip, but this kind of rotary transformer special decoder cost is too high, it is difficult to widely spread. But through the low cost of the single chip microcomputer, the accuracy of the normal situation can be satisfied by the single-chip microcomputer, so it has been very popular.

In this paper, the AT89C51 microcontroller as the core, the design of marine equipment in the rotating transformer - digital converter system. Sine cosine signal output by the rotary transformer, after the AT89C51 microcontroller acquisition and processing, the output format can be NMEA-0183 signal. The function of AT89C51 single chip microcomputer is mainly to process the analog signal of the received rotating transformer. The analog signal of resolver for many mathematical operations, the rotor to rotate 360 degree were divided into 8 45 degree interval, measurement of the stator is cosine voltage value, the arc tangent method, through the look-up table obtained angle value.

The design includes hardware circuit and software design, hardware circuit including sine excitation signal generation, amplification circuit, signal adjustment circuit, synchronous square wave circuit, photoelectric encoder interface circuit. Software including software algorithm and software flow.

Keywords： rotary transformer, single chip microcomputer, decoder, NMEA-0183 standard

目录

摘要 I

第1章 绪论 1

1.1目的与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 3

1.3.1 基本内容 3

1.3.2 研究目标 4

1.3.3拟采用的技术方案 4

1.4进度安排 4

第2章 旋转变压器 5

2.1 旋转变压器概述 5

2.2 旋转变压器的分类 5

2.3 旋转变压器的常用参数 5

2.4旋转变压器的性能指标 6

2.5旋转变压器的结构和工作原理 6

第3章 硬件整体设计方案 11

3.1硬件整体设计 11

3.2硬件解码系统的具体分析 12

3.2.1正弦激励信号的产生 13

3.2.3同步方波信号的产生 16

3.2.4光电编码器接口电路 16

3.3AT89C51单片机的结构与工作原理 18

3.3.1存储器 18

3.3.2定时器/计数器 18

3.3.3中断系统 18

3.3.4输入输出端口 19

第4章 软件整体设计方案 23

4.1软件整体设计 23

4.2旋转变压器信号数字化程序设计 23

4.2.1软件算法 23

4.2.2软件流程 25

第5章 总结与展望 26

1总结 26

2展望 26

第1章 绪论

1.1目的与意义

随着科学技术的发展，不断提高的工业自动化水平，信息采集工业现场、信息传递还有信息处理都离不开传感器，传感器是工业信息采集的重要元素，传感器是实现工业自动化生产首要的环节。若没有传感器，那人类社会工业信息化的发展将一筹莫展。目前来说，计算机的技术、信息的技术和传感器的技术已经融合成为现代信息产业中心，并且传感器技术位于计算机的技术和信息的技术上游，如果缺少传感器的技术，以后的计算机的技术还有信息的技术将会处于“无原料的加工”境地。科技发展是为了给人们带来方便，它们会让人们从繁重劳动中解脱出来，并提供相应安全的保障，所以对进行信息的采集传感器人们提出了越来越高的要求，所以各种的高精度传感器产生了，并且针对于不同应用场合人们开发出专用的传感器。就例如在伺服系统中，如果想要实现高精度地控制电动机的转速、转矩和位置，一边得到优良的性能，一般就必须不断地测试电动机转子的位置（包括位置的绝对量和增量式），除此之外，还要算出电动机转速。目前，常用的用来检测电动机绕组转角的传感器有旋转变压器和广电编码器。光电编码器的使用非常普遍，因为其优点主要有：

（1）硬件电路简单

（2）分辨率高

（3）信号输出流畅

（4）精度高

缺点主要有：

（1）需要对电机的动态模型进行精确建模

（2）对电机的参数有较大依赖性

（3）抗干扰性差

（4）不宜应用在条件恶劣的场合中；

相对而言，旋转变压器的优点主要有：

（1）结构简单

（2）抗干扰性强

（3）结实耐用

（4）能够在各种条件恶劣的场合中发挥作用

所以旋转变压器的使用越来越普遍。虽然旋转变压器的优点可圈可点，然而它有一个无法避免的缺点：旋转变压器的转子绕组的位置角的数字转换非常不容易。对正-余弦旋转变压器而言，它输出正弦电信号和余弦电信号，而正-余弦电信号包含了转子绕组的位置角信号，故将正-余弦这两个模拟信号解码，从而得到转子绕组转角的数字信号（这个数字信号要求有很高的精度）是很不简单的。综上所述，旋转变压器输出模拟信号后，高速准确地将其解码，从而得到数字信号是极其重要的。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

海外的旋转变压器主要由TAMAGAWA公司（日本），哈罗威公司（美国），LTN公司（德国）等生产的。西欧、北欧、美国等国家在军事上自从使用旋转变压器开始，就是美国提供的。TAMAGAWA公司生产的旋转变压器在市场上占有很大的比例，特别是在国内市场，占有的比例更是巨大。

海外公司生产的旋转变压器虽然有各自的特点，但是他们的解码系统大体有以下两种：

（1）基于单片机的旋转变压器解码器

基于单片机的旋转变压器解码器，可以解算出转子绕组的角度位置和速度信号。该解码器的组成有：误差比较器、A/D转换接口、积分器、文氏电路产生的激励信号、滤波器。目前市面上常用的有：AD2S1200（美国AD公司），AU6802（日本TAMAGAWA公司）。

（2）模拟数字转换器 数字信号处理器旋转变压器解码器

常用的做法就是：采集到旋转变压器上的电压信号的最大值，用它来激发模拟数字转换器并且伴随着抵消了其分量，将模拟信号装换成数字信号，之后再将从模拟信号转化而来的数字信号传送到微型计算机进行结算。但是这种方法弊端明显，因为其分辨率要小于一二一四位，所以分辨率被限制了。而且增加分辨率也要利用其它种硬件电路，同时会提高成本。

1.2.2国内研究现状

国内的现状是旋转变压器的解码器的使用迟于西方国家。因为旋转变压器的解码器需要微电机功底扎实，元件的品质和使用方式等要求功底雄厚，但是我国还不完全具备这些。故国内的旋转变压器的解码器部分只能再次开发国外的。现在我国对单芯片旋转变压器解码器开发大概分两类：

(1) 再次开发专用旋转变压器解码器

利用国外的专用芯片作为信号处理芯片，硬件、软件的控制以及电信号传递使用数字信号处理器或者MCU。

(2)整合开发通用解码器

采用AD接口/FPGA和调整硬件电路组成新电路，从而实现模拟信号和数字信号转换。再和微型计算机相接，将软件算法编入微型计算机，从而进行结算处理。

我国研发旋转变压器的单位在行业内领先的是西安微电机研究所和上海微电机研究所。但是如果要求精度很高，则成本和工艺就会不如国际先进水平。

1.3研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1.3.1 基本内容

(1)学习船舶设备中旋转变压器的参数、分类、性能指标、结构和工作原理。

(2)掌握本系统所采用的解码算法。学习单片机的知识。

(3)完成系统总体设计方案，单片机的选择及AT89C51为核心的硬件电路的设计，励磁信号驱动电路设计以及解码软件的设计等。

1.3.2 研究目标

优化、整合现在已经存在的旋转变压器解码方法，设计出一个价比高，耐用性强的旋转变压器解码产品。系统采用正余弦式旋转变压器为样机，采用AT89C51单片机作为核心，搭建了相关硬件电路。

1.3.3拟采用的技术方案

(1)查阅资料，了解旋转变压器的工作原理、参数、性能指标等。

(2)到图书馆借微机原理的书籍，了解单片机的一些知识。