摘 要：在船载两轴天线系统中，舰艇的前进、海浪颠簸都会导致舰载天线随底座发生倾斜，为了保证初始对星时，天线能够准确指向目标卫星，必须计入载体倾斜变化。本文利用电解质倾斜传感器设计的天线倾斜信息提取模块， 能够实时感应载体的倾斜变化，以便保证天线能够准确指向目标卫星。

　　关键词：倾斜传感器;天线;控制

　　0 引言

　　传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，作为信息系统的关键基础器件，近年来，已经受到国内外的广泛关注。倾斜传感器作为经典的传感器之一，也正在被新材料、新原理、多功能、新结构所取代，与数字技术、通信技术的结合越来越密切，朝着集成化、智能化和微型化方向发展。

　　船载两轴天线中，由于舰艇的前进、海浪的颠簸都会导致天线底座发生倾斜，天线初始对星时，不能直接用求得的地理坐标系中的天线指向，即方位角和仰角对准卫星，而要以倾斜的载体坐标系为依据，通过坐标变换将地理坐标系中天线的指向转换的载体坐标系中，这就需要知道载体相对于大地水平面的倾斜度，即纵摇角和横滚角。

　　1 倾斜传感器原理

　　图1 电解质型倾角传感器

　　为了测知被测物体与标准水平面的倾斜角度，常常用到一种电解质型传感器.图1为上海辉格传感器公司生产的电解质双轴倾斜传感器示意图，传感器由密封圆筒构成，圆筒之间充满整个容量一半左右的流体介质，电解质为呈粘滞性液体，圆筒中装有电极，并且浸泡在电解液中，各电极分别有管脚引出。当传感器倾斜时，液面因为重力保持水平，两电极间传导率与电极浸入液体的长度成正比。如图中所示的倾角下，电极a、b之间的传导率大于电极b、c之间的传导率。可见，在电特性上，传感器类似于分压计，阻抗的变化和倾斜的角度成正比，传感器输出信号随倾斜角度变化的关系如图2所示,注意当倾角大于20°时输出信号变得非线性。可以证明，传感器可以测量的倾角范围为电解液容量、电极间距和电极长度的函数。传感器在某种程度上类似于铅酸电池，电流能引起电解质的化学反应，最终结果使电解质失去导电性，所以为了防止电解反应的发生，传感器的激励必须为频率足够高的交变电流。对于某些电解液，这个频率可以为25Hz，而有些电解液则需要达到1000Hz到4000Hz。

　　图2 倾斜传感器倾斜角度与电压的关系曲线

　　3电解质倾斜传感器硬件设计

　　图2为单轴倾斜传感器的输出特性曲线，对于双轴传感器则即有与单轴传感器类似的属性，又包含自身的复杂性。由于双轴共享中心电极，四个外围电极理想地分布于正方形的四个角，所以每个轴向的独立测量有两种方法：一是同一时刻只有一个轴向激励，二是双轴向同时加载不同频率的激励，要注意方法一中正交的两个轴向分别为对角线ac和de方向，而方法二中正交的两个轴向则是外围电极正方形的边缘ae和ad方向，本设计中采用方法一进行测量。

　　本设计中，对两轴倾斜传感器的倾斜信息的提取，首先对倾斜传感器进行预处理，包括驱动及调理电路，其次对其输出信号进行AD转换供主控器DSP TMS320F2812使用，由于该传感器是两轴的，为防止两个方向倾斜信息相互干扰，在同一时间只能对一个方向进行信号提取，在此由主控器DSP控制两路方向驱动信号的分时加载，最后由DSP控制AD7865读取转换结果。其原理框图如图3所示。

　　图3 硬件原理框图

　　3.1电解质倾斜传感器驱动电路设计

　　前面已提到为防止传感器电解反应的发生，激励必须为频率足够高的交变电流，在本设计中，用555自激多谐振荡器产生2000Hz、占空比为50%的脉冲信号(如图4所示)，同时运用反相器CD4069(如图5所示)将555自激多谐振荡器产生的矩形波信号反相，得到两个反相的矩形脉冲信号，将这两路反相的驱动信号分别经过电容隔直，加在倾斜传感器的的两个对称的引脚上，这样就可以保证传感器的输入信号是没有直流分量的，从而可以保证倾斜传感器的电解液不被电解。

　　该传感器有5个引脚，相对应的是两个互相垂直的方向的倾斜信息。必须在不同的时间分别对两个方向加交变的电压，才能成功提取两个方向的倾斜信息。在图4中，F1、F2为主控器DSP输出的控制信号，分别控制两个555分时输出驱动脉冲信号，而这两信号由。F1有效时，电路输出的是纵摇方向的驱动信号，F2有效时，电路输出的是横滚方向的驱动信号。POUT1、POUT2为555输出的脉冲信号，经过CD4069后作为传感器的电极驱动，同时又作用于CD4053的控制端A和B，对应于每对电极上信号极性的变化，选择控制相应极性的信号作为输出。

　　图4 倾斜传感器驱动电路

　　3.2传感器调理电路设计

　　上面设计了倾斜传感器驱动信号为幅度为5V、频率2000HZ的方波，则其中心轴输出为频率2000HZ的方波，方波的幅度跟倾斜度直接相关。对于相反方向的倾斜角度，其输出信号是幅度相同相位相反的方波信号，因此在AD转换前必须对输出信号进行解调处理，从而得到符合实际的倾斜信号。

　　本设计中采用了LM324和三重两通道模拟开关CD4053。由于多路模拟开关CD4053只能处理正电压，所以在进行模拟选通之前，通过LM324在倾斜传感器的输出脉冲上增加一个2.5V的偏置电压，同时将其反向跟随，使其输入到CD4053的脉冲全部为正电压。经过模拟选通电路的处理，其输出为整形后的直流信号，具体电路如图5所示。通过比较直流信号的电压幅度大小即可获得倾斜信息。

　　图5 传感器信号调理电路

　　3.3 AD7865与DSP接口设计

　　由上面可知倾斜传感器输出了0~5V的电压信号，在系统中，我们通过AD7865将其电压信号数字化，以便主控器DSP使用。

　　AD7865是一种高速，低功耗、4通道同步采样的14位AD转换器，+5V单电源供电，芯片内部有一个2.4Us的逐次逼近式ADC，4个跟踪/保持放大器，内部+2.5V参考电压，同时该芯片VDRIVE引脚接3.3电源，可以更好的与3.3V电平的DSP处理器兼容。该芯片有AD7865-1、AD7865-2、AD7865-3三种型号，本设计采用AD7865-2，它允许0~2.5V，0~5V两种输入，满足系统设计的要求。

　　本设计中，AD7865的数据线、CS(片选信号)、WD(写信号)、RD(读信号)与DSP的XINTF接口连接，BUSY(转化结束信号)、CONVST(启动转换信号)与DSP的通用IO口连接，具体电路连接如图6所示。

　　图6 传感器信号AD提取电路

　　4软件设计

　　主控器DSP读取倾斜信号时，首先DSP通过IO口控制U5、U6工作;然后通过数据线D3~D0选通要转换的AD7865通道，并启动转换，等待转换结束;最后，通过14位的数据线读取转换结果。具体软件流程如图7所示。

　　图7 倾斜信息读取流程图

　　4.1 AD7865通道选择

　　AD7865的转换通道选择比较灵活，分为硬件选择和软件选择。由于系统中不能同时采集两个方向的倾斜信号，必须分时采集，即在不同时刻选择不同的转换通道，因此在本设计中选择了软件控制通道选通，通过D3~D0向AD7865写控制字选通不同的通道，图8为软件控制选择通道的时序图。

 1/2    1 2 下一页 尾页