新型智能化航跡儀的設計與實(shí)現

航跡儀是艦船實(shí)時(shí)標繪海圖、自動(dòng)完成海圖作業(yè)的導航設備。在研制航跡儀的過(guò)程中，由于各個(gè)傳動(dòng)零件的尺寸公差分配不合理，導致繪圖精度低。為確保繪圖精度，對航跡儀傳動(dòng)鏈進(jìn)行了空程誤差和傳動(dòng)誤差的分析計算，合理分配各零件的尺寸公差，大大提高了航跡儀的精度，是一種由GPS接收機、監視器、電子海圖控制系統組成的船用航跡儀。

GPS接收機通過(guò)導線(xiàn)連接到電子海圖控制系統的輸入端，電子海圖控制系統的輸出端連接監視器的輸入端，其特征在于：監視器采用彩色監視器;電子海圖控制系統是由中心處理器、顯示控制器、地址開(kāi)關(guān)電路、并串轉換器、數據鎖存器、隨機存儲器、地址鎖存器及只讀存儲器組成，中心處理器的P0口的輸出端分別連接只讀存儲器、數據鎖存器、地址鎖存器、隨機存儲器的信號輸入端;只讀存儲器的信號輸入端連接地址鎖存器的信號輸入端;數據鎖存器的信號輸出端連接隨機存儲器的輸入端;地址開(kāi)關(guān)電路的信號輸入端分別連接地址鎖存器的輸出端和顯示控制器的一個(gè)信號輸出端，其信號輸出端連接隨機存儲器的輸入端;顯示控制器同步信號輸出端外接彩色監視器的同步信號輸入端;并串轉換器信號輸入端連接隨機存儲器的信號輸出端，其信號輸出端外接彩色監視器。

　　1 航跡儀工作原理

　　航跡儀的工作過(guò)程是在計算機控制下進(jìn)行的。首先，使鍵盤(pán)處于開(kāi)放狀態(tài)，通過(guò)移筆鍵和自檢鍵簡(jiǎn)單檢查繪圖功能;然后，由綜導顯控臺裝海圖并向航跡儀發(fā)出裝海圖命令，由此航跡儀自動(dòng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。船舶航跡的實(shí)時(shí)標繪是通過(guò)實(shí)時(shí)接收由綜導顯控臺發(fā)送的緯度、經(jīng)度值及各種繪圖命令，通過(guò)數學(xué)模型的解算及直線(xiàn)插補運算后，產(chǎn)生步進(jìn)電機的控制脈沖序列，經(jīng)功放電路驅動(dòng)電動(dòng)機執行。

　　傳統的航跡儀系統有一定的局限性，存在有待改進(jìn)之處：(1)傳統的航跡儀系統的接口、控制、傳動(dòng)等部分采用分立式設計，占用了大量的空間，且價(jià)格較貴。(2)隨著(zhù)導航數據信息化程度的提高，設備間的通訊越發(fā)頻繁，信息量亦隨之增大，使用單一的串行口通訊已不能滿(mǎn)足系統要求。(3)航跡儀與綜導臺使用同一操作界面，缺少獨立的人機交互系統。(4)傳統的航跡儀為開(kāi)環(huán)系統，無(wú)檢測反饋裝置，影響了走筆的精度。(5)接口板的設計動(dòng)態(tài)初始化要求嚴格，不能完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

　　2 航跡儀系統的硬件設計

　　2.1 硬件系統的總體構成

　　航跡儀微機控制系統是以ARM處理器S3C44B0X模塊為中心的控制系統。ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設計了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應用等。ARM是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設計了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應用等。系統的硬件結構如圖1所示。

　　2.2 S3C44B0X主板

　　傳統的航跡儀采用嵌入式PC/104模塊為核心控制系統。系統的接口、控制、傳動(dòng)等部分采用分立式設計，占用的空間較大，且價(jià)格昂貴。因此在改進(jìn)設計中使用基于Samsung公司生產(chǎn)的ARM處理器S3C44B0X芯片。由于使用基于芯片開(kāi)發(fā)的主板提高設計開(kāi)發(fā)的靈活性，為本系統所專(zhuān)用，因此所用接口、外設均為自主設計的電路，節省了不必要的開(kāi)銷(xiāo)。

　　S3C44B0X主板主要包括CPU模塊及其輔助電路、存儲器系統模塊、通信模塊、系統調試模塊、人機接口模塊及擴展總線(xiàn)部分。

　　主板外接CAN總線(xiàn)控制器及總線(xiàn)驅動(dòng)器等設備，接收CAN總線(xiàn)上由綜合導航顯控臺發(fā)送的實(shí)時(shí)位置、航向信息;通過(guò)人機接口接收到的觸摸屏發(fā)送的控制信息，經(jīng)處理后將控制命令(主要是控制脈沖頻率、脈沖個(gè)數、開(kāi)始停止等命令)通過(guò)擴展I/O口發(fā)送給接口板，CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò )(Controller Area Network, CAN)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著(zhù)稱(chēng)的德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并最終成為國際標準(ISO118?8)。是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。 在北美和西歐，CAN總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計算機控制系統和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線(xiàn)，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機械車(chē)輛設計的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車(chē)計算機控制系統和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

　　2.3 XC2S50接口板

　　傳統航跡儀使用接口板CDT800，其中包括 Am9513計數器與μPD71055I/O接口。CDT800為成品接口板，其計數器Am9513相關(guān)資料相對有限，且動(dòng)態(tài)初始化要求嚴格，在實(shí)際應用過(guò)程中，對系統資源的占用過(guò)大，嚴重影響系統的實(shí)時(shí)性。

　　XC2S50接口板包括FPGA芯片XC2S50、配置芯片18V01、輸出驅動(dòng)芯片SN74LS244及外部接口電路。其原理圖見(jiàn)圖2。

　　接口板的主要功能是：接收S3C44B0X主板通過(guò)數據總線(xiàn)發(fā)送的數據命令信息(包括：X、Y方向的分頻值、脈沖個(gè)數、運行方向，以及開(kāi)始/終止運行、抬落筆、報警等)，經(jīng)FPGA芯片XC2S50處理后，轉化為相應頻率的脈沖信號;再經(jīng)輸出驅動(dòng)芯片SN74LS244，通過(guò)接口HJY傳遞給X、Y向的步進(jìn)電機驅動(dòng)器。

　　2.4 步進(jìn)電機及其驅動(dòng)器

　　航跡儀控制系統對快速性及定位精度均有很高的要求?？紤]到系統是針對數字量及位移的控制系統，因此選用步進(jìn)電機作為其執行元件。步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應用，但步進(jìn)電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動(dòng)電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進(jìn)電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專(zhuān)業(yè)知識。步進(jìn)電機作為執行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應用在各種自動(dòng)化控制系統中。隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。

　　系統要求繪筆繪制大量細小折線(xiàn)，這就要求電機工作在低頻區且需要頻繁地執行起動(dòng)、停止、調速等操作。因此步進(jìn)電機極易出現低頻振蕩，產(chǎn)生工作噪音，影響繪筆的穩定性及標繪精度。

　　本設計選用RORZE公司生產(chǎn)的5相混合式步進(jìn)電機M56853D及相應的5相細分步步進(jìn)電機驅動(dòng)器RD-0534M。

　　步進(jìn)電機M56853D各技術(shù)參數：

　　最大靜轉矩Mk=8.0kg·cm;電流I=3.5A/相;轉子轉動(dòng)慣量Jr=0.240g·cm·S2;步距角(整步時(shí))θb= = 0.72°;容許徑向負載10.5kg;容許軸向負載1.5kg;轉子齒數Zr=100。

　　細分驅動(dòng)器RD-0534M各技術(shù)參數：

　　供電電壓 DC18V～40V;細分數選用m=80;最大響應頻率fMAX=500kpps，則可獲得最大轉速nMAX=60000/m=750r/min

　　改進(jìn)后航跡儀系統電機步距角變?yōu)樵到y的1/80，步距分辨率及控制脈沖頻率均得到提高。提高后的控制脈沖頻率大大超過(guò)了自由振動(dòng)頻率f0，從而避免了系統的低頻振蕩。

　　2.5 電磁感應式數字化板

　　傳統的航跡儀為開(kāi)環(huán)系統，無(wú)檢測反饋裝置。改進(jìn)設計中增添了數字化板。這一反饋模塊，構成了一套完整的閉環(huán)控制系統，增強了穩定性，降低了誤差。

　　數字化板的工作原理：在標繪儀的繪圖平板上布上導線(xiàn)形成格柵，把電磁發(fā)射線(xiàn)圈安裝到繪筆上，此時(shí)把線(xiàn)圈圓心和繪筆圓心標定在同一直線(xiàn)上;繪筆在平板上繪圖，而線(xiàn)圈不斷發(fā)射磁場(chǎng)脈沖，導線(xiàn)切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應電流，通過(guò)接收電路和信號處理電路得到繪筆在繪圖平臺上的相對位置(繪筆位置)。數字化板工作原理如圖3所示。

　　3 航跡儀系統的軟件設計

　　3.1 S3C44B0X主板部分的軟件設計

　　操作系統是控制和管理計算機軟硬件資源、合理組織計算機工作流程、方便用戶(hù)的程序集合。航跡儀功能的完成，很大程度上取決于操作系統軟件平臺的選擇和應用程序的編制。

　　主板軟件系統主要由主程序、命令解釋部分、底層部分組成。其中，主程序到命令解釋部分的調用通過(guò)函數shibie( )進(jìn)行;命令解釋部分到底層部分的調用通過(guò)函數zxcb( )進(jìn)行。

　　3.1.1 主程序

　　主程序主要對綜導臺命令和觸摸屏命令進(jìn)行管理、調度。程序執行過(guò)程中查詢(xún)隨機命令數和推位命令數這兩個(gè)變量。變量小于等于零時(shí)，沒(méi)有綜導臺命令，程序查詢(xún)觸摸屏有無(wú)按下及鍵值，執行響應操作。當兩個(gè)變量大于零，說(shuō)明有了綜導臺命令，就會(huì )自動(dòng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。在跟蹤狀態(tài)，不響應觸摸屏命令，控制程序只查詢(xún)有無(wú)隨機命令及推位命令，轉入響應的命令解釋程序。

　　3.1.2 命令解釋部分

　　命令解釋部分主要功能：通過(guò)函數shibie( )對每一條命令進(jìn)行識別及格式檢查。對于隨機命令和推位命令，每從CAN總線(xiàn)上接收一條命令，相應的命令條數加1。每執行完一條，相應的命令條數減1，同時(shí)指向下一條。只要這兩個(gè)變量不為零，就說(shuō)明有綜導臺命令未處理。通過(guò)檢查隨機命令數和推位命令數，即可按先后次序順次執行所有命令。

　　本部分中還包括海圖坐標轉換程序，其主要功能：主板接收裝海圖命令的同時(shí)，會(huì )讀取CAN總線(xiàn)上由綜導臺發(fā)送的海圖信息，包括海圖類(lèi)型(墨卡托或高斯海圖)、大小、比例等。程序根據這些信息，將海圖上的經(jīng)緯度值折算成XY軸坐標，以便于底層的直線(xiàn)差補程序將XY坐標量轉換成步進(jìn)電機的走步脈沖數。

　　3.1.3 底層部分

　　底層包括所有的畫(huà)線(xiàn)、寫(xiě)標記符等繪筆執行動(dòng)作的程序，及與硬件有關(guān)的I/O操作子程序、中斷服務(wù)程序。下面介紹幾個(gè)主要的程序。

　　(1)直線(xiàn)差補程序

　　線(xiàn)段是航跡儀繪制的基本圖形，其他各種曲線(xiàn)都是以線(xiàn)段逼近的。設線(xiàn)段終點(diǎn)到起點(diǎn)坐標長(cháng)度分量分別為Δx、Δy。令X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機同時(shí)起動(dòng)，同時(shí)停止，分別以均勻速度Vx、Vy運動(dòng)。這樣

，即

。

　　程序設計中，已知X、Y向的增量駐x、駐y，選增量大的方向的走步頻率為最大走步頻率f1=fM，另一方向頻率即為f2=fM×Δy/Δx。已知兩個(gè)方向的走步頻率，由接口板計數器的初始頻率12MHz可計算出X、Y向的分頻值;已知的脈沖當量可求出X、Y向各自需要的走步脈沖數。將分頻值、脈沖數及開(kāi)始/停止等控制信息傳送給接口板，使其產(chǎn)生相應頻率的脈沖信號，以控制步進(jìn)電機。

　　(2)CAN總線(xiàn)通訊任務(wù)模塊

　　設計中采用PHILIPS公司的CAN總線(xiàn)控制器SJA1000，CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器選用82C250。

　　綜導臺將導航數據通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給航跡儀。通訊模塊主要實(shí)現對航跡儀數據報文接收、解析等。當有CAN報文到達，SJA1000產(chǎn)生中斷釋放信號量。設備工作任務(wù)中輪詢(xún)等待信號量接收CAN報文。對接收的CAN報文，首先存入CAN接收數據結構，解析后讀入航跡儀數據結構。CAN接收數據結構在接收CAN報文時(shí)臨時(shí)分配。在報文解析過(guò)程中，接收的報文通常為BCD碼，因此要將其還原為ASCII碼。