基于C8051F040水下平臺姿態(tài)監測電路設計

目前，水下平臺支架一般與船體固連在一起而水下平臺姿態(tài)的監測系統放在船上，這樣會(huì )出現一個(gè)問(wèn)題：監測到的平臺姿態(tài)數據是否反映平臺姿態(tài)真實(shí)數據。

為此設計了基于C8051F040水下平臺姿態(tài)監測電路，本監測電路和相關(guān)敏感元件一起固連在水下平臺上。這樣能更準確地反映出平臺姿態(tài)及相關(guān)數據。本系統提取姿態(tài)數據主要通過(guò)航姿陀螺系統，而該陀螺系統啟動(dòng)需要一個(gè)初始緯度和航向角才能進(jìn)行解算出平臺實(shí)時(shí)的航向、橫滾、俯仰。

1 系統硬件結構

基于C8051F040姿態(tài)監測電路系統部分由6個(gè)主要功能模塊組成：電源模塊、陀螺系統、深度傳感器、GPS數據系統、單片機C8051F040和RS422串行通訊。電路系統結構框圖如圖1所示。

電路系統結構框圖工作原理是首先將GPS數據的航向角、緯度通過(guò)串口RS232發(fā)送到控制器系統?？刂破鹘?jīng)提取轉換將其緯度和航向角下載到陀螺系統作為初始啟動(dòng)值，同時(shí)對陀螺系統通訊方式進(jìn)行設定。此后陀螺系統能周期發(fā)送實(shí)時(shí)平臺姿態(tài)數據。深度數據由深度傳感器經(jīng)信號調理電路直接到C8051F040內部AD模塊獲得?？刂破鲗⑦@些數據通過(guò)RS422串行通訊接口定時(shí)發(fā)送出去。

1.1 GP8數據系統介紹

GPS數據系統功能是接收經(jīng)度、航向角、UTC時(shí)間等信息，并通過(guò)RS232通訊口發(fā)送至單片機。通過(guò)集成的單板式結構的雙頻雙系統定位定向板卡DB982，實(shí)現厘米級的定位精度，定向精度1°。單片機軟件完成對GPS數據提取、數據轉換以及數據下載到陀螺。

該系統的GPS數據系統由兩個(gè)圓盤(pán)型天線(xiàn)以及數據接受處理器構成。數據接受處理器以0.2 s的周期向外發(fā)送GPS數據。

1.2 陀螺系統及應用介紹

該陀螺系統采用的光纖陀螺，其工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應。薩格納克效應是相對慣性空間轉動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測點(diǎn)。

若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線(xiàn)，相對慣性空間存在著(zhù)轉動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過(guò)的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應的相位差的信息，即可得到旋轉角速度。

該陀螺系統供電為24 V，通訊方式為CAN通訊。陀螺上電成功后通過(guò)相關(guān)CAN指令設置其相關(guān)的數據通訊方式，并初始化當前緯度和航向角后，陀螺系統將上傳航向、橫滾、俯仰等姿態(tài)數據。

1.3 深度傳感器調理電路

深度傳感器輸出的電壓信號，范圍為0～5 V。由于單片機C8051F040的內部基準電壓只能設置到2.4 V，為能保證其0～5 V模數轉換，需進(jìn)行電路調理。具體電路如圖2所示。

VSD=(R71/R69)×(R50/R72)×V信號 (1)

將其理論數值計算到上式可得到

VSD=0.47×V信號 (2)

當模擬信號達到最大值5 V時(shí)，VSD經(jīng)上式計算得到2.35 V小于其基準電壓2.4 V故滿(mǎn)足A/D轉換要求。因此，可直接將VSD送到單片機C8051F040的A/D轉換端。

在電阻精度選擇，為減少調理電路中電阻實(shí)際值偏差造成理論計算值與實(shí)際數值之間的偏差。根據式(1)計算，可選擇精度在1%的精密電阻。

1.4 防沖擊可靠RS422通訊電路

RS422采用的是差分傳輸方式，抗干擾能力強，但若僅是簡(jiǎn)單的采用一般的設計方案。在惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍會(huì )出現接口故障甚至損壞，因此有必要從軟硬件上面引入更多的抗干擾、保護、偵錯等措施來(lái)提高接口的可靠性。本文考慮應用環(huán)境下RS422串口熱拔插損壞的原理，在此基礎上，提供一種RS422防沖擊可靠通信電路。具體電路如圖3所示。

RS422標準規定接收器門(mén)限是為±200 mV，當當接收器A電平比B電平高+200 mV以上時(shí)，輸出為正邏輯，反之，則輸出為負邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機在發(fā)端發(fā)完一個(gè)信息數據后，將總線(xiàn)置于第三態(tài)，即總線(xiàn)空閑時(shí)沒(méi)有任何信號驅動(dòng)總線(xiàn)，使AB之間的電壓在-200～+200 mV直至趨于0 V。這帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：接收器輸出狀態(tài)不確定，故應采取一定不確定狀態(tài)。通常是在總線(xiàn)上加偏置，當總線(xiàn)空閑或開(kāi)路時(shí)，利用偏置電阻將總線(xiàn)偏置在一個(gè)確定的狀態(tài)(差分電壓≥-200 mV)。

常見(jiàn)的RS422通訊接口只對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾則無(wú)效。設計采用方案是旁路保護方法，利用瞬態(tài)抑制元件TVS將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地。

2 軟件設計

整個(gè)軟件設計是姿態(tài)及深度數據獲取轉發(fā)為核心。姿態(tài)數據獲得需GPS系統數據的航向和緯度下載到陀螺系統后，陀螺數據通過(guò)CAN接口發(fā)送給單片機。深度數據通過(guò)啟動(dòng)A/D轉換獲得，將轉換后的深度數據和陀螺姿態(tài)數據按照一定協(xié)議通過(guò)串口RS422發(fā)送出去，具體軟件流程框圖如圖4所示。

系統軟件設計主要包括5部分程序：軟件初始化配置程序、RS232串口數據提取程序、CAN通訊數據程序、深度A/D轉換程序、RS422串口數據發(fā)送程序。

2.1 GPS數據提取程序設計

GPS數據系統的數據分較多種類(lèi)，其他類(lèi)型的數據不包含有航向和緯度值，只有“$GGCX”開(kāi)頭的數據表明該組數據才有效。因此針對系統需要，處理“$GGCX”開(kāi)頭的數據即可。“$GGCX”數據是以字符串形式呈現，為此接收“$GGCX”數據后，需將其對應的字符串轉換成數值。“$GGCX”數據中緯度是否有效，航向是否有效，需要提取出緯度和航向同時(shí)有效的數據，緯度和航向是否有效的標識在第11個(gè)逗號后面的一個(gè)數字表示(0表示數據無(wú)效;1表示緯度或航向有效;2表示緯度和航向同時(shí)有效)。

2.2 姿態(tài)數據程序設計

姿態(tài)數據是通過(guò)CAN通訊設置陀螺系統相應的數據格式及發(fā)送方式。陀螺系統上電后，等待30 s后發(fā)一個(gè)暫停的信息。

GPS數據提取中，一旦發(fā)現緯度和航向同時(shí)有效時(shí)，將其對應標識置位并將其航向和緯度提取出來(lái)。再通過(guò)CAN將其航向和緯度發(fā)送到陀螺系統中再發(fā)送一幀啟動(dòng)的命令即可。此后陀螺系統便以0.2 s的周期發(fā)送平臺的航向角、橫滾角、俯仰角。

2.3 深度數據獲取程序設計

根據實(shí)際使用情況可以直接使用C8051F040器件內部集成的12位A/D模塊進(jìn)行轉換。A/D模塊轉換啟動(dòng)方式采用相應的定時(shí)器溢出啟動(dòng)。為保證轉換正確性將其轉換10次取其平均值作為其一次深度數值。

最后將陀螺系統的姿態(tài)數據和深度值按照一定的協(xié)議通過(guò)串行通訊接口RS422以0.5 s的周期發(fā)送出去。

3 結束語(yǔ)

該電路既有模擬電路又有數字電路部分，因此電路設計考慮數字地與模擬地分開(kāi)。數字地與模擬地采用單點(diǎn)連接，這樣在進(jìn)行模擬轉換過(guò)程中也發(fā)現轉換的深度值最大偏差有8 m。調試發(fā)現模擬地有很多雜波，處理方法是在模擬地與外殼之間加一個(gè)耐壓500 V，0.1μF的聚酯電容，經(jīng)處理后深度值偏差降低約0.3 m。

該電路設計已應用到某平臺姿態(tài)數據監測中，并成功運用某型水下釋放試驗中，試驗取得較好的效果。