雙傳感器的航星計程儀測試系統

在航海系統中，采用計程儀連續測量運動(dòng)中船舶的速度并計算出船舶的累計航程。本文所設計的計程儀系統采用雙傳感器組合結構，并結合微處理機技術(shù)(選用了mcs-51系列單片機及與之配套的專(zhuān)用接口芯片)，組成了計程儀專(zhuān)用計算機系統。儀器結構簡(jiǎn)單，體積小，精度高，操作調整方便。它能方便地進(jìn)行數字通訊；根據實(shí)際需要，也能發(fā)送速度的模擬信息，接口靈活，適應了船舶控制與操作自動(dòng)化的需求。

1 計程儀硬件設計

該計程儀系統由主儀器、電磁傳感器、壓差式傳感器、船底閥、導壓桿、可由用戶(hù)擴充的分顯示器和一套開(kāi)關(guān)分配器等部分組成(圖1)。本系統的突出特點(diǎn)是采用了雙傳感器組合結構：分別利用電磁傳感器和壓差式傳感器(利用貝努利方程原理)來(lái)測量船舶與水之間的相對運動(dòng)速度，并由其計算與記錄船舶的航程。

1.1
技術(shù)性能

(1)測速范圍：-10節～+40節(量程更改可由程序設定)；(2)航速精度(測速場(chǎng)精度)：±0.20節；(3)航速發(fā)送形式：rs-485；(4)單次航程范圍：0～9999.99海里；(5)累計航程范圍：0～999999海里；(6)工作時(shí)間累計范圍：0～99999小時(shí)；(7)航程解算精度：±0.1％(負速度不計航程)。

主儀器是一個(gè)以mcs-51單片微計算機為核心的專(zhuān)用微機系統，如圖2所示。它包括：直流電源裝置，鍵盤(pán)輸入與顯示裝置，及由cpu、eprom、eeprom及專(zhuān)用接口電路組成的單片機裝置。主儀器是計程儀的核心部分，其面板上裝有各種操作按鈕，用以控制整個(gè)儀器的運行，完成測速校正操作。

主儀器采用中斷方式實(shí)現雙傳感器的數據采集控制，其中定時(shí)器周期性地產(chǎn)生中斷信號申請中斷，中斷服務(wù)程序接收電磁傳感器和壓差傳感器輸出的電信號，然后a/d轉換裝置和i/f轉換器將它轉換成數字量后送至微機系統；按一定的計算公式進(jìn)行數椐處理，并按調整后的曲線(xiàn)進(jìn)行修正，以得到船舶的速度，再根據時(shí)間間隔的大小進(jìn)行數值積分來(lái)求得航程。計算機將求得的航速信息以適當的形式通過(guò)各相應的接口電路送到各用戶(hù)和分顯示器，完成航速航程的顯示。計算機系統中的eeprom可以永久性地保存諸如累計航程、累計工作時(shí)間、速度調整參數等結果。

1.3 主要芯片及其系統功能簡(jiǎn)介

本系統中主要采用了at89c55、icl7109和ad652等芯片，簡(jiǎn)介如下：

1.3.1 at89c55

at89c55芯片是由atmel公司推出的51系列8位單片機。片內主要有20kflash存儲器、256字節片內ram，4個(gè)8位的雙向可尋址i/o口，1個(gè)全雙工uart(通用異步接收發(fā)送器)的串行接口、3個(gè)16位的定時(shí)器/計數器、多個(gè)優(yōu)先級的嵌套中斷結構，以及一個(gè)片內振蕩器和時(shí)鐘電路。本系統中利用了at89c55豐富的20k閃存資源永久保存測量中累計航程、累計工作時(shí)間等關(guān)鍵結果，并利用了其定時(shí)器計數器及中斷嵌套結構實(shí)現雙傳感器的數據采集。

在本系統中，t0、t1均工作在計數方式，t0產(chǎn)生1s計數中斷，t1完成壓差傳感器轉換的頻率計數。int0被用于按鍵中斷處理，txd串行發(fā)送計程儀的速度信息，波特率為4800。x1、x2外接8mhz的石英晶體。p1口各位分別完成發(fā)送顯示碼、測速/航行判斷等功能，p2口部分參與地址譯碼，同時(shí)p0口分時(shí)輸出數據/地址低8位。

1.3.2 icl7109

icl7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分式12位模/數變換器。該芯片由模擬電路和數字電路兩部分組成，其中模擬電路由模擬信號輸入、振蕩電路、積分、比較電路和基準電壓源組成。數字電路由時(shí)鐘振蕩器、異步通信握手邏輯、轉換控制邏輯、計數器、鎖存器、三態(tài)門(mén)組成。

icl7109工作電壓為雙電源±5v，gnd為公共端，外接6mhz的晶振，基準電壓為外部分壓輸入的2.8v；接口方式為直接輸出方式，數據輸出為12位二進(jìn)制數和一位極性，12位a/d轉換通過(guò)控制高低字節使能端實(shí)現，分時(shí)讀出低8位和高4位。

1.3.3 ad652

ad652是一種高速、高精度、同步i/f轉換器；用外接時(shí)鐘脈沖決定滿(mǎn)量程頻率，并允許電壓或電流輸入。本系統中ad652的功能是將壓差傳感器的4～20ma的電信號轉換成頻率信號輸出給cpu，cpu再根據ad652的工作時(shí)鐘解算出當前速度值。ad65
2工作電壓為雙電源±15v，工作時(shí)鐘由單片機的晶振輸出經(jīng)54ls393分頻獲得，ad652輸出脈沖由at89c55的t1計數，計數時(shí)間間隔為1s。

1.3.4 8155

8155除有三個(gè)i/o端口(a口、b口、c口)外，還帶有一個(gè)256字節的靜態(tài)隨機存貯器和一個(gè)14位定時(shí)/計數器。具有一塊芯片多種功能的特點(diǎn)。另外，8155和單片機的連接十分簡(jiǎn)單，甚至不需要8d鎖存器。本系統利用8155構成鍵盤(pán)顯示電路。

2計程儀軟件設計

在軟件設計中，采用了數值逼近及多種濾波算法，并在充分利用cpu功能的前提下，盡量減少硬件數量。除合理選擇硬件外，軟件上采取抗干擾陷阱與冗余處理，提高了系統的穩定性和可靠性。

計程儀的工作程序用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化結構的程序設計方法，便于使用維護與擴展。計程儀軟件主要分為自檢模塊、管理模塊、航速航程解算模塊和測速校正等模塊，各模塊主要以中斷方式調用。計程儀的基本工作程序框圖如圖3所示。當電源開(kāi)關(guān)閉合后，儀器的專(zhuān)用計算機系統開(kāi)始自檢，主儀器及分顯示器上將顯示自檢的結果；自檢完畢后便開(kāi)始對計算機系統進(jìn)行初始化設置；初始化設置完畢后，定時(shí)器并未開(kāi)始計時(shí)，而必須等到啟動(dòng)中斷后才開(kāi)始計時(shí)工作。此時(shí)計算機系統處于一種等待狀態(tài)，等待定時(shí)或按鈕所產(chǎn)生的中斷發(fā)生。中斷部分完成航速航程計算和發(fā)送，流程圖如圖3所示。

本航星計程儀系統采用了雙傳感器結構實(shí)現船舶航速的連續測量并按一定的軟件算法計算航程；具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性高、工作穩定和性?xún)r(jià)比較高等特點(diǎn)，適應現代化艦船的需求。由于使用了at89c55單片機等，使得該系統具有一定的可再開(kāi)發(fā)性。目前該計程儀已批量生產(chǎn)，并安裝于多種船舶上。