基于SSI通讯的吸附式水平测量仪设计

沙春哲 王锴磊 王春喜

（北京航天计量测试技术研究所，北京 100076）

1引言

某飞行器发射前必须快速准确的测量出发射台相对大地水平面的不水平倾斜，并通过倾角值将台面精确调平，保证飞行器的初始水平姿态，从而提高导弹的飞行稳定性和命中精度。为满足该测量需求，设计了一款基于SSI（Synchronous Serial Interface）通讯的吸附式水平测量仪，在满足发射台水平测量的基础上，通过SSI通讯接口将测量结果发送至地面工控机系统进行数据存储和显示。

吸附式水平测量仪使用重力加速度计为测角敏感元件，通过采样电路采集重力加速度计在倾斜面上的正弦分量原理，精确解算出被测面的不水平倾斜。

在实际的设计中采用两个互相独立的测量元件分别敏感两个方向（X轴，Y轴）的重力加速度值，通过对信号的放大滤波以及AD模数转换，从而精确的测试出发射台基准面的水平度。并通过设备的SSI接口将测试结果，实时传输给发射平台控制系统，实现发射平台的自动调平。

2 SSI通讯原理

SSI通讯协议为缩写，其全称为同步串行接口。从名字可以得知这是一种串行通讯协议［1］。SSI通讯可以分为主机和从机，主机是一些控制器，如PLC、人机界面等等，从机是被控制设备。主机发送同步时钟脉冲，从机在接收到同步脉冲以后在时钟的上升沿送出数据给主机，数据和时钟传输的方向都是单向的［2］。

SSI通讯的帧格式如图1所示。数据传输采用同步传输方式，在数据传输间隔阶段即不发生数据传输的时候时钟和数据都保持高电平，在第一个脉冲的下降沿触发水平测量仪载入发送数据，然后每一个时钟脉冲的上升沿水平测量仪发送出数据，数据的高位在前，低位在后，当传送完所有的数据位数以后时钟回到高电平，数据也相应的回到高电平［3］。

SSI通讯帧格式中的几个参数定义如下：

T——时钟的脉冲周期时间；

f——时钟频率；

tp——数据传输间隔；

tm——单稳触发时间；

tv——数据输出与时钟输入相比的延迟时间；

n——传输位数。

传输的位数可以是任意位数，本设计中水平测量仪采用的是13位的数据传输位数。对于从机水平测量仪而言是无法事先知道主机发送的时钟脉冲个数的，因而无法确定帧的起始位和停止位。解决问题的方法是采用高电平保持一段时间没有变化作为帧结束标志。tm单稳时间就是指这个时间［4］。本设计采用一个计数器，计数CPLD的时钟，当计数的时钟时间为单稳态时间时，SSI的输出状态回到初始状态，高电平置位，准备开始下次数据输出的循环过程。

3 总体设计

吸附式水平测量仪组成示意图如图2所示，主要由测量本体、磁性基座、控制盒以及控制电缆组成。

3.1 测量本体

测量本体主要由2个重力加速度传感器和固定基座组成。

重力加速度传感器为水平测量仪的核心测角部件，通过敏感被测斜面的相对于重力方向的正弦分量值实现倾角度的测量。

固定基座提供安装和测量两个基准面，安装基准面用于安装重力加速度传感器，测量基准面为外部测量提供测试基准。首先采用精密车、镗、铣等加工工艺，形成三个互相垂直的工作面，最后，通过研磨加工保证其测量基准面的平面度以及2个安装面之间的垂直度。实现了测量仪稳定的机械性能。

3.2 磁性基座

使用磁性基座的磁性吸力实现测量仪的测量基面与被测台体面的紧密贴合，达到被测台体面倾角的稳定测试，主要是由铸铁壳体、铜制隔磁条、磁钢和磁性开关组成。磁钢安装在铸铁壳体内，壳体表面中间位置嵌入隔磁条，通过旋转磁性开关控制磁钢的方向，实现顺磁和逆磁两个状态切换，从而达到吸合和断开的功能。

使用时将测量本体放置在上面并通过固定螺钉固紧，然后将其放在被测平面上，打开磁性开关即可将传感器固定在被测平面上。

3.3 控制盒

控制盒由电源转换板、信号采集控制板组成。电源转换板将28V电源电压转换为+5V和±15V电压供控制系统和传感器使用。

信号采集控制板实现对重力加速度传感器信号的采集、放大、滤波、模数转换并通过CPLD控制电路将处理完的测量数据通过SSI串行通讯方式传输出去。

4 电路设计

水平测量仪的电路整体框图设计如图3所示。电源模块提供+5V和±15V电压为控制系统供电。X轴、Y轴两个轴的加速度计输出信号经过I/V变换、放大滤波进入24位的A/D采集单元，进行模拟信号到数字信号的转换，微处理器对采集到的数字信号进行处理，通过SSI通讯模块与外部设备进行通信。SSI通讯模块主要由CPLD芯片加差分输出电路组成。

4.1 电源模块设计

电源模块选用Murata PS公司的完全隔离的电

源转换器，型号TWR-53000-15500-D12A-C。该电源转换器技术参数如下：

输入电压：（9～36）V，直流

输出1：±15V dc，±0.5A

输出2：+5V，3A

工作温度：-40℃～100℃

隔离电压：1.5kV

电源模块28V输入，±15V，+5V输出为系统供电。输入端、输出端均有电源滤波设计，抑制电磁噪声。电源电路原理图设计如图4所示。

4.2 信号调理电路设计

信号调理电路即是对加速度计输出的微弱电流的信号进行I/V变换、放大和滤波处理。设计电路如图5所示。R9与U2C构成I/V变换电路，R9为加速度计采样电阻。R6、R8和U2A构成放大电路，R8/R6的比值为电路的放大倍数。R2、R3为运放的平衡电阻。

图5中，R4、R5、C1、C3和U2B构成二阶低通滤波电路。该电路实现加速度计输出电压信号的低通滤波，消除高频杂波，保证测量的稳定性。静态条件下，加速度计敏感重力加速度，其输出信号为缓变的电流信号。截正频率的计算式：

4.3 信号转换电路设计

信号转换电路完成模拟信号到数字信号的转换，实现倾角的测量。ADC选用选择AD公司生产的AD7734芯片，该转A/D转换器采用+5V数字和+5VA模拟两种电源供电。具备24位转换分辨率，四通道模拟信号输入，用户通过SPI接口对芯片进行配置，实现最高12.3kHz的转换速率，同时具备可编程的测量范围设定。

该A/D转换器外围电路简单，只需简单的外围元器件和电压基准即可实现搭建，外围电路图如图6所示。A/D转换器的基准电压源采用AD780ARZ输出的2.5V的基准电压。外部使用6.144MHz的晶振。片内SPI资源与主控芯片的SPI接口直接相连，通讯方式采用标准的SPI通讯。芯片的通道AIN0采集加速度计输出信号。

4.4 SSI通讯电路设计

SSI通讯通常有两种方式可以实现。一种方式用单片机搭建模拟电路实现SSI通讯，用单片机实现SSI通讯功能虽然比较容易简单，但是软件的响应速度限制了通讯速度。为了达到较高的通信速度需要采用CPLD来实现高速同步传输的功能。要实现SSI通讯。采用计数脉冲的方式实现单稳态触发。脉冲个数n1=tp×J，n2=T×J其中J为CPLD选用晶振值，技术脉冲个数n应满足n2＜n＜n1。当输入为脉冲上升沿时触发计数开始，当电平变为下降沿时计数结束，这时脉冲个数如果大于n时，输出一个复位信号，将数据装入移位寄存器，准备并转串移位输出，在下一个脉冲上升沿移位输出数据，数据输出结束后进行复位，等待下一个周期开始。

SSI通讯电路图如图7所示。CPLD芯片选用ALTERA公司的EPM7128STC100-15芯片。+5V供电，采用有源晶振50MHz。CPLD_TDI、CPLD_TDO、CPLD_TCK、CPLD_TMS引脚为程序下载口，DATA_0～DATA_15引脚为单片机并行数据传输入口，SSI_DATA引脚为串行数据输出口，SSI_CLK为外部时序经过MAX490ESA输入口。差分输出采用MAXIM公司的MAX490ESA芯片。

5 通讯软件设计

本设计数据传输位数为13位，并转串数据传输时采用高位在前低位在后的方式，并串转换的寄存器用verilog语言描述如下。

其中，ssiclk是SSI输入时钟，flag_c是数据传输间隔标志变量，当flag_c置位时，indata是要载入的数据，ssidata是串行数据输出变量，下一个上升沿时并转串移位输出数据，实现SSI通信。按照上述设计SSI通讯板，成功与西门子S7-300模块进行了通信，西门子模块能够正确读出水平测量仪测量的角度值。

6 试验验证

在实验室使用三轴精密转台对水平测量仪两个方向的测角精度进行验证，测试结果见表1和表2。三轴转台的测角精度优于0.5″（3σ），其输出值作为基准值。数据以1000″为一测试点，共采用14组数据进行验证，试验结果显示X轴最大误差为5″，3倍均方差为8″，Y轴最大误差为4″，3倍均方差为8″。试验表明吸附式水平测量仪设计正确，工作可靠，测量精度误差不大于10″（3σ），测量范围及性能指标满足使用要求。

表1 X轴实验验证结果 单位：（″）

（续）

表2 Y轴实验验证结果 单位：（″）

7 结束语

这种基于SSI通讯的吸附式水平测量仪通过敏感重力加速度分量原理，实现对被测对象上下表面倾角的精确测量，测试精度优于10″（3σ），同时采用Verilog语言对CPLD芯片进行硬件编程，完成SSI串口通讯接口设计，实现了与外部工控系统的信息交互与传输，解决了目前市场上还没有现成可用的SSI通讯工控采集板卡及接口模块的难题。该设备具有动态响应快，抗干扰能力强，测量精度高等特点，可广泛应用于精密测角领域，具有较高的工程应用价值。

［1］ 卓璐，陈富林，沈金龙.Win CE 6.0下的SSI协议流接口驱动程序实现［J］.网络新媒体技术，2013，2(2)：57～60.

［2］ 张鹏飞，王玮，赵哲.基于FPGA的多通道SSI通信控制器设计［J］.电子技术应用，2011，37(10)：36～38.

［3］ 王青，俞建定，袁飞，等.采用SSI协议实现的绝对值编码器［J］，微型机与应用，2016，35(13)：4～5’9.

［4］ 席鹏，李军，於二军.基于DSP和CPLD的高精度频率测量系统设计［J］.航空计算技术，2010，40(2)：114～115.