一種基于A(yíng)RM及FPGA的新型智能化航跡儀的設計

 　　 航跡儀是艦船導航系統中的主要配套設備之一，它能根據陀螺羅經(jīng)、計程儀提供的航向航程信息或其他導航設備提供的定位信息，在海圖上自動(dòng)連續地繪制出船舶航行的航跡與標記。航跡儀具備的繪制航線(xiàn)導航功能，可使航海人員非常直觀(guān)的了解到己船位置、偏航程度及未來(lái)海域的安全程度。 

　　    隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，智能化航跡儀的發(fā)展趨勢是進(jìn)一步拓寬功能、縮小體積、降低功耗、減少成本、提高可靠性，而傳統的航跡儀系統不完全具備上述功能，存在局限性。

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，再經(jīng)機械轉換變成繪筆在圖面上運動(dòng)。

    　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。另外，傳統航跡儀傳動(dòng)部分的振動(dòng)及噪音較大，從另一方面影響了繪筆的精度。新型智能化航跡儀的設計對以上問(wèn)題給出了解決方案。

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。系統由以下幾部分組成：基于A(yíng)RM處理器S3C44B0X的開(kāi)發(fā)板， STN 型320像素X240行LCD彩色液晶觸摸屏，基于FPGA元件XC2S50的接口板，步進(jìn)電機驅動(dòng)及控制電路，步進(jìn)電動(dòng)機，數字化板。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)。這種設計提高了系統的響應速度，降低了成本。另外，S3C44B0X自帶LCD控制器，能夠保證改進(jìn)設計中觸摸屏顯示部分的順利實(shí)現。 

　    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，另外，將顯示信息發(fā)送給LCD觸摸顯示屏。

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。在改進(jìn)設計中，采用基于Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA元件XC2S50的接口板。這種設計提高了系統的集成化，保證了實(shí)時(shí)性，使得硬件的設計開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)便。 

　    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。運行程序通過(guò)JTAG口或DOWNLOAD口燒寫(xiě)入配置芯片18V01中。

2.4 步進(jìn)電機及其驅動(dòng)器

　    對于航跡儀系統，標繪精度是極其重要的一項技術(shù)指標，而電機及傳動(dòng)機構的精度則對其產(chǎn)生直接影響。 

　    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)電機是一種將電脈沖轉換成相應角位移的電機元件，當外加一個(gè)脈沖信號于電機的控制裝置時(shí)，其轉軸就轉過(guò)一個(gè)固定的角度（步距角），即前進(jìn)了一步。

　    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。因此，改進(jìn)方案采用了先進(jìn)的細分驅動(dòng)器，大大降低了低頻振蕩。

 　   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：
    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）。把電磁感應定位得到的位置作為繪筆當前真實(shí)位置，此位置通過(guò)UART口反饋給S3C44B0X控制器。目標位置與該位置進(jìn)行比較，得到需要的位置差量，計算后作出響應的位置補償調整。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。在航跡儀的設計中，軟件平臺選用基于Tonardo集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的實(shí)時(shí)操作系統VxWorks，應用程序則采用VxWorks支持的標準C語(yǔ)言編制。 

　    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 其中T代表電機運行時(shí)間，Vx、Vy分別為X、Y向電機速度，fx、fy分別為運轉頻率，k為步進(jìn)電機脈沖當量。
 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，即可實(shí)現航跡儀的直線(xiàn)差補功能。 

　    (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。解析過(guò)程中，若出現格式錯誤，則置錯誤狀態(tài)標志。 
 
　   (3)LCD屏顯示及觸摸程序 

　    本設計采用SHARP公司的144.78mm、LM057QC1T01型STN彩色液晶顯示器，其顯示格式為320像素(×3)×240行，即顯示屏每行有320個(gè)像素點(diǎn)，共240行，每個(gè)像素點(diǎn)由RGB（紅、綠、籃）三種顏色組成。 

　    LCD觸摸屏程序主要分為顯示任務(wù)FsceShow，觸摸屏查詢(xún)任務(wù)TouchCheck，觸摸屏狀態(tài)查詢(xún)任務(wù)TouchStateCheck。TouchCheck入口函數Touch_check( )查詢(xún)觸摸屏中斷，TouchStateCheckt( )查詢(xún)觸摸屏狀態(tài)改變，FaceShow執行響應，顯示圖形。程序框圖如圖4所示。

　    (4)位置補償模塊 

　    如前文所述，在步進(jìn)電機運行完一次由運行到靜止的過(guò)程后，把目標位置與從數字化板發(fā)送的實(shí)際位置做差比較得到的位置差量Δd作為一次操作補償。其特點(diǎn)是在一次繪圖過(guò)程中有兩次電機的開(kāi)始和停止，補償速度慢，但所繪的是近似真實(shí)的圖形。程序框圖如圖5所示。

3.2 XC2S50接口板部分的軟件設計 

　    XC2S50接口板軟件部分采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。編譯后通過(guò)JTAG口燒寫(xiě)入配置芯片18V01中。軟件部分主要包括頂層模塊jkb_top、接口模塊jiekou、脈沖發(fā)生模塊pulse_generate、速度控制模塊speed_ctr、脈沖計數模塊counter、方波發(fā)生器counter32等。其結構框圖如圖6所示。

　    在脈沖發(fā)生模塊pulse_generate中，速度控制模塊speed_ctr的主要功能是：通過(guò)查詢(xún)發(fā)送、剩余脈沖數，計算出響應的速度控制級別（可分為4種模式），將速度控制信息傳送給脈沖計數模塊counter。兩個(gè)脈沖計數模塊counter分別控制X、Y兩個(gè)步進(jìn)電機的走步步數。它們分別以X、Y向驅動(dòng)脈沖作為輸入時(shí)鐘信號，紀錄兩向脈沖數，發(fā)出使能信號以控制counter32，其原理如圖7所示。兩個(gè)方波發(fā)生模塊counter32分別對X向、Y向步進(jìn)電機驅動(dòng)器輸出方波，其輸出波形的頻率即為步進(jìn)電機的走步頻率，如圖8所示。接口模塊jiekou接收來(lái)自主板發(fā)送的X、Y向分頻值、脈沖數數據信息，以及運行方向、開(kāi)始終止、抬落筆、報警等控制信息，并將數據信息發(fā)送給pulse_generate模塊，將控制信息發(fā)送給驅動(dòng)板。所有的軟件模塊封裝在頂層模塊jkb_top中。

                                                
　    新型智能化航跡儀設計，針對傳統航跡儀系統的諸多問(wèn)題，給出了有效的改造方案。改造方案降低了成本，增強了功能的針對性，節省了系統資源。數字化板的使用，為原開(kāi)環(huán)系統增加了閉環(huán)反饋，提高了標繪精度。使用FPGA器件代替原CDT800接口板，保證系統的時(shí)事性與穩定性，提高了集成度。CAN總線(xiàn)通訊的采用，增大了信息的承載量，提高了實(shí)時(shí)性。LCD觸摸顯示屏的使用，增強了人機交互性。使用帶有細分功能的電機驅動(dòng)器，及對傳統航跡儀步進(jìn)電機部分的優(yōu)化改造，降低了工作的振動(dòng)與噪音，提高了工作穩定性。