摘 要：传统的航向姿态、导航系统都以机械仪表为主，用来显示接收的自整角机、旋转变压器信号既不精确也不稳定。通过设计一种接口电路成功将液晶屏应用于航向指示器，修正了上述缺点。测试表明指示器显示清晰，系统功能完整、稳定。
关键词：航向指示器；液晶屏；单片机；CPLD；自整角机；旋转变压器；A/D；D/A
在各种航向姿态、导航系统中，常用自整角机、旋转变压器实现磁航向、无线电方位的接收、传输、调整和显示。但以往的机载仪表以机械仪表为主，存在显示分辨率低、指示不够精确的问题。近年来，液晶显示器得到飞速发展，因其体积小、功耗低、开发周期短、安全可靠、使用灵活的特点而广泛应用于各种仪器仪表中。本文通过设计一种接口电路，成功地将液晶屏应用于航向指示器，测试表明该指示器可稳定接收航向等自整角机、旋转变压器信号，传输给指示器的图形板并在液晶屏上显示。
指示器设有液晶屏亮度、模式等控制按键，考虑到传统单片机系统所需芯片数多、系统线复杂，而CPLD在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性等方面都有了很大的改进和提高，为高效率、高质量、灵活地设计单片机系统提供了可能，特别是CPLD的系统编程、测试能力和支持JATG边界扫描的特点，以及具有JATG功能的单片机构成的功能电路，更能体现系统可编程的方便灵活的优越性。因此本接口电路采用了单片机C8051F020和可编程逻辑器件（CPLD），完成的接口电路外加一块图形处理芯片就能实现液晶显示的航向指示器系统。
1 硬件设计
以自整角机信号为例，硬件电路如图1。C8051F020是Cygnal推出的一种混合信号系统级单片机，片内含CIP－51的CPU内核，其指令系统与MCS－51完全兼容。与以前的51系列单片机相比，C8051F020增加了许多功能，并且可靠性和速度也有了很大提高[1]。这里采用它来处理数据、驱动液晶屏，通过串口把数据送到液晶屏。可编程逻辑芯片则用于逻辑控制数据的输入输出。
在数据处理方面，根据精度要求，对于自整角机信号的A/D转换，采用中国船舶重工集团七一六所研制的14ZSZ系列和14SZZ系列转换器，14位分辨率可满足要求。当输入两路同类的自整角机信号时，可选择具有双通道的转换器，这样有利于减少电路的面积。接口电路将输入的自整角机信号数字解算得到数字输出，最后将此数字输出经过D/A转换器14SZZ从接口电路输出。
CPLD程序用VHDL语言实现，根据单片机中对输入数据的地址定义，将地址值作为敏感信号，产生单通道A/D模块的高低字节片选信号，将14ZSZ芯片A/D转换结果读入缓存；对没有高低字节选择信号的双通道A/D模块，则产生禁止/使能信号，将14ZSZ/S02芯片A/D转换结果读入缓存。输入信号进入缓存后，CPLD根据地址值将输入信号从缓存写入单片机。
输入信号进入单片机后，解算得到数字输出信号。CPLD根据地址值从单片机将数字输出写入缓存，然后根据地址敏感信号产生D/A转换芯片的控制信号，根据控制信号把数字输出送入D/A转换芯片14SZZ。
模数转换器的直流电源允许波动范围为±10%，不能超过此范围加电。要求PCB板的+5V、+15V、-15V和GND之间分别并联一个0.1μF和一个6.8μF的滤波电容。单片机的XTAL1引脚为晶体或陶瓷谐振器内部反馈电路的反馈输入。为了得到一个精确的内部时钟，需要在XTAL1引脚加入一个晶体或陶瓷谐振器。
1.1 A/D、D/A转换模块
自整角机、旋转变压器是一种高精度、高可靠性的角度传感器，为了实现与计算机的接口，国外开发了SDC/RDC系列自整角机、旋转变压器-数字转换器。国内相应研制开发了ZSZ/XSZ系列。本设计采用了14ZSZ/XSZ，转换器精度360°/214≈0.022°，满足系统指标。当模拟量被转换成数字量后，接口电路又需要将某路含有航向控制系统需要用到的角度、位置等信息的数字量转换为模拟量输出，这里采用14SZZ/SXZ将数字量转换为模拟量并从指示器输出，用于控制航向系统位置、速度等。
1.1.1 14ZSZ/XSZ A/D转换器[2]
14ZSZ/XSZ是一种小型化14位连续跟踪自整角机/旋转变压器-数字转换器。它采用二阶伺服回路，数据输出具有三态锁存功能，转换原理如图2。当BUSY=0时，数据稳定，可取数据；BUSY=1时，数据在变化，不能取数据；INH=0时，数据稳定，可取数据；INH=1时，刷新锁存器；转换器控制信号由选择使能信号
、字节选择信号BYSEL进行控制。使能信号是逻辑高电平，输出为高阻状态；使能信号为逻辑低电平，输出数字角Φ。字节选择信号BYSEL是逻辑高电平，1～8位输出数字角D1～D8，9～14位输出数字角D9～D14；字节选择信号BYSEL是逻辑低电平，1～8位输出数字角D9～D14。
双通道14位跟踪型自整角机/旋转变压器-数字转换器14ZSZ/XSZ-S02是为要求体积小、重量轻、费用低的应用场合而设计。每路输入可以是自整角机/旋转变压器信号，并且具有两个独立的参考输入端，因而每个通道可以具有不同的参考频率。经三态锁存器输出与TTL电平兼容的14位并行自然二进制码，在数据读取时无须中断转换过程。该模块有A_B和/OE控制线选择通道[2]，并将相应转换结果送到公共数据输出端口。转换器检测/BIT[2]输出信号可用于不间断系统，以指示转换器是否处于精确跟踪状态。A_B=1，选CHA；A_B=0，选CHB； OE=0，数据有效；OE=1，DB1～DB14高阻。该模块没有高低字节选择信号。
1.1.2 14SZZ/SXZ 数字-自整角机转换器[2]
14SZZ/SXZ将14位自然二进制数字角度量转换成含有该数字角度量的自整角机/旋转变压器形式的模拟电压输出，如图3。ENH控制高8位，ENL控制低6位；ENH/ENL=1，转换器输出随输入量变化，ENH/ENL同时等于0，转换器输出锁存为下降沿时刻。14位自然二进制数字角度量采用了TTL/CMOS数字锁存，输入和输出交流信号采用输入、输出变压器隔离。这样，使得转换器在使用中不用外加数字锁存器，不用外接参考变压器和输出变压器，可广泛应用与数字至轴角量的转换，是计算机与控制系统之间的理想接口电路。
1.2 电源管理模块
系统的其他部分器件型号确定后，所需的功率、电流、电压大小便确定了，最后设计电源系统以保证系统可靠运行。由于电路的频率特性，电磁辐射、噪音会干扰到达电路器件的工作电压，而一些芯片对工作电压的要求非常高(一般要求电压偏差不超过5%)，一旦超过范围长时间工作则容易缩短寿命甚至损坏。因此，在电路中需要设计实时监控电压的电压监控电路，为芯片提供合格而稳定的电压。
本设计采用低压差线性稳压器LT1117IST-3.3给系统中对电压要求高的芯片提供稳定电压。但仅有完美供电系统是不够的，有时VCC上一个很小的压降就可能破坏存储器﹑内部寄存器中的内容，但却并不产生复位，从而造成软件的误动作。因此，在系统中加入电源监控电路TPS3307以保障系统长期稳定运行。
2 软件设计
电路中，单片机软件编程完成的工作有：与液晶屏的通信、加热控制、亮度控制、按键检测及处理、数据处理、数据传输、显示界面的控制。
2.1 初始化单元
系统上电后，先对看门狗初始化，喂狗时间间隔为47.406ms；初始化CPU端口，将P0.0、P0.1分配给串口0，将P0.2、P0.3分配给串口1；配置系统时钟为外部时钟，选取22.118 4MHz晶振；初始化串口1，波特率为9 600B；设置定时器，每35ms中断一次；最后初始化中断系统，将所有中断全部禁止。
2.2 数据处理显示单元
输入数据经过A/D模块转换成14位数字信号，如角度信号0°～360°对应输出数值0～214。该序列数字信号由CPLD按高、低字节或一次性读入缓存，缓存再按高、低字节写入单片机的数据总线。单片机将高低字节合并送到显示屏，并根据显示要求处理，使得液晶屏读数与模拟输入对应，如图形板0x8000对应360°，则A/D转换结果要右移2位。同理，输出数字信号由CPLD从单片机按字节读入缓存，再从缓存输出到D/A转换器。
2.3 定时工作及存储器初始化单元
定时单元改变个别全局变量值，用于其他部分定时的需求，并对系统按键进行定时识别。按键采用查询的方法判断是否真的有键被按下，以长按或短按决定数据变化速度快慢。本电路中共有5个按键，可看作1×5行列式键盘。存储器单元用于将双口RAM存储器清空。
2.4 通信模块
单片机通过串口1与液晶屏通信，包括液晶屏控制、亮度、温度读写的操作子模块，流程如图4。
通信流程如图5，每送一个字节液晶屏的读写命令，液晶屏便会返回一个字节表示温度或状态的数据，根据返回数值执行下一个动作。读取液晶屏状态可以获得温度传感器是否工作的信息。设置背光灯温度，要先判断温度传感器是否有效，如无效则关闭加热电源，否则会损坏器件；同时将默认的自动模式改为人工模式，以免系统反复试图加热。设置灯控制时，液晶屏返回两个不同值用于设置白天或夜晚模式。读取液晶屏温度后，根据大小值判断是否需要加热，通常不应低于0℃。
2.5 单片机主程序模块
主程序流程如图6，先清空双口RAM，查询液晶屏温度等状态，小于0°且温度传感器有效则开加热电源，通过串口1对液晶屏进行初始化设置，自检测后，读取输入的信号并进行处理，传输给液晶屏显示，将数字信号转换为模拟输出。对亮度等按键进行处理，当长按时，按键计数而不改变相应的值，松手后才改变亮度等值，这就实现了长按数据变化加快的功能。
本文提出的基于单片机和CPLD的液晶航向指示器的接口电路设计，能够处理自整角机、旋转变压器、电压电流计信号等模拟输入，能够接收系统的按键控制，与液晶屏通信正常，显示清晰正确，输出数据正确。设计方案在实际产品中得到应用，并取得良好的通信和显示效果。
参考文献
[1] 潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册.沈阳新华龙电子有限公司，2002.
[2] 连云港杰瑞电子有限公司.2007数据手册—轴角分册，2007.