内容提要：阐述一种新型的数字步进分罗经信号转换系统的基本原理，采用VHDL语言设计基于CPLD的控制器，与单片机组成了变频信号源，实现二进制数字信号-格雷码的转换，带动步进分罗经，构成完整的传向系统。同时解决了步进电机的过冲和失步问题，确保主罗经与分罗经的同步。

关键词：陀螺罗经分罗经步进电机CPLD控制器

0 引言

目前光纤陀螺罗经和部分电罗经采用数字输出，可直接与各种导航仪器的微机接口联网，能够适应船舶驾驶自动化的发展要求。但同时给传向系统带来了新的问题：大部分船只使用的是步进式或同步式分罗经(复示仪)，二进制数字信号无法直接驱动步进电机或自整角机。所以就需要一种转换系统，将数字信号转化为对应的步进型或者同步型分罗经驱动信号。

关于数字—同步分罗经的信号转换将另文讨论。

数字—步进分罗经的信号转换的实现，就是将二进制数字信号转换为格雷码的过程。其中变频信号源是转换系统的核心，以往都是通过计数器来实现，但是它占用CPU的时间过多，可靠性不高，难以满足传向系统实时性的要求。

本文主要阐述一种新型的数字—步进分罗经信号转换系统的原理。该系统采用VHDL语言，设计了基于CPLD器件的信号发生电路，与单片机组成了变频信号源，带动分罗经，构成完整的罗经导航传向系统。

1 信号转换系统的组成及工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，实质上是数字/角度转换器。它的控制系统主要由信号发生电路及步进电机驱动器等组成。信号发生电路包括晶振、CPLD器件、单片机和接口电路；驱动器部分由正反转控制电路、脉冲分配器和功率放大电路(图中未画出)组成。

如图1所示，单片机通过接口电路收到主罗经输出，的数字信息，运算后将控制信息和航向信息并行传送给CPLD器件，然后输出串行驱动脉冲，由脉冲分配器转化为格雷码，实现对步进电机的控制，使复示仪刻度盘转到相应位置。

2 信号发生电路的构成及实现

CPLD器件是一种新型的复杂可编程逻辑器件，适合于时序逻辑电路、组合逻辑电路等应用场合。它是实现信号发生电路的关键，本文用它来设计变频信号源。

2．1 CPLD系统结构

以CPLD为核心控制器件的步进电机脉冲发生器主要包括以下部分：与单片机接口的数据锁存电路、连续分频电路、脉冲产生电路、方向信号产生电路等。CPLD系统总体结构如图2所示。

为了实现步进电机按照要求的步数运行，CPLD必须能够将单片机传送过来的并行的二进制信息通过一定的实现电路转化为串行的驱动脉冲送出。此电路的具体实现方法如下：当单片机发送步进脉冲使能信号ena(上升沿有效)时，CPLD将锁存器中保存的步进脉冲数据送人到二进制减计数器的预置数端，允许频率发生器的脉冲输出直接送到步进电机脉冲发生器的脉冲输出端上，并对频率发生器输出的脉冲信号clk进行减计数。当计数器减到零时，产生一个封锁信号flag，封锁频率发生器的输出脉冲，使得此时的脉冲输出为低电平。当下一个启动命令到来时，再次通过步进脉冲使能信号启动，完成下一次的控制。驱动脉冲产生流程如图3所示。

晶振电路是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的信号发生器。它可以采用多种线路，在这里采用的是多谐振荡器和单结晶体管构成的弛张振荡器两种。它们都是通过调节电阻R和电容C的大小来改变电容充放电的时间常数，以达到选取脉冲频率的目的。

2．2 步进电机速度控制

在步进型传向系统中，步进电机以开环方式无需反馈就可以对位置和速度进行控制。但是它必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象，主罗经和分罗经就无法实现同步，将严重影响海上航行安全。如何防止失步和过冲是保证同步的关键。

为了克服失步和过冲现象，应在步进电机启停时进行如图4所示的升降速控制。

从图4中可以看出L2段为恒速运行，L1段为升频，L3段为降频，按照“失步”的定义，如果在Ll及L3段上升及下降的控制频率变化大于步进电机的响应频率变化，步进电机就会失步，失步会导致步进电机停转，从而影响系统的正常工作。因此，在步进电机变速运行中，必须进行正确的升降速控制。为此在脉冲发生电路中可以采用单片机改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。

为了实现步进电机的加减速控制，就需要能够改变步进脉冲的频率。CPLD系统设计了一个步长为1的分频因子(图2)，改变分频因子可实现分频系数为1到256连续可调的分频器。

当基准频率为15 625 Hz(由外部的一个500 kHz的有源石英晶体通过32分频得到)时，这样可以获得一个从15 625 Hz按分频步长为1从1到256连续可调的步进脉冲频率。

2．3 脉冲分配电路的构成及实现

信号发生电路输出串行脉冲驱动步进电机必须用到脉冲分配电路，它是由门电路和RS双稳态触发器组成的逻辑电路，RS双稳态触发器的真值表如下：要使步进电机正、反两个方向都可以运转，驱动电路就需要用到与门及非门，如图5所示，CPLD系统输出的方向信号同时送到正、反转电路，如果为0，驱动脉冲通过正转电路送到分配电路，如果方向信号为1，驱动脉冲就通过反转电路，正转电路截止，情况正好相反。

驱动脉冲经过分配电路之后，就形成了A—AB—B—BC—C—CA—A顺序的三相双六拍的通电方式。从脉冲分配器中输出的是3位6进制的格雷码，实际上就是Sperry型分罗经的步序，可以直接和开关放大电路衔接。

3 结束语

上述转换系统可以将来自下列设备的数字信号加以转换及放大：①光纤陀螺罗经；②GPS罗经；③电罗经、磁罗经数字信号输出。系统将代表船舶实时航向的数字信号转化为对应的驱动信号，驱动若干个步进型分罗经。这里的“船舶实时航向的数字信号”指的是：符合IEC61 162标准的航向语句，其格式为：$HEHDT，XXX，X．T* hh<CR> <LF>其波特率为：4800；接口电平为：RS422。

采用AT89C51单片机和CPLD器件EPM 7128组成通用的变频信号发生器可以用于Sperry型和Brown型分罗经，能够满足传向系统的要求，电路简单可靠，输出波形稳定，电机运行稳定且无失步现象。

参考文献

1 于海东．基于CPLD的步进电机控制器．微电机2004年第4期．

2 邓立新．CPLD器件在步进电机脉冲发生器巾的应用．承德石油高等专科学校学报，2005年12月．

3 杨渝钦．控制电机．机械工业出版社第二版

4 寇连波．数字技术在陀螺罗经的应用．青岛远洋船员学院学报2006年第2期

作者：吴广宇 陈锦标  来源：航海技术