新型智能化航跡儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

航跡儀是艦船實(shí)時(shí)標(biāo)繪海圖、自動(dòng)完成海圖作業(yè)的導(dǎo)航設(shè)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(dǎo)致繪圖精度低。為確保繪圖精度，對(duì)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(jì)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(jī)、監(jiān)視器、電子海圖控制系統(tǒng)組成的船用航跡儀。

GPS接收機(jī)通過(guò)導(dǎo)線連接到電子海圖控制系統(tǒng)的輸入端，電子海圖控制系統(tǒng)的輸出端連接監(jiān)視器的輸入端，其特征在于：監(jiān)視器采用彩色監(jiān)視器;電子海圖控制系統(tǒng)是由中心處理器、顯示控制器、地址開(kāi)關(guān)電路、并串轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)鎖存器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、地址鎖存器及只讀存儲(chǔ)器組成，中心處理器的P0口的輸出端分別連接只讀存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)鎖存器、地址鎖存器、隨機(jī)存儲(chǔ)器的信號(hào)輸入端;只讀存儲(chǔ)器的信號(hào)輸入端連接地址鎖存器的信號(hào)輸入端;數(shù)據(jù)鎖存器的信號(hào)輸出端連接隨機(jī)存儲(chǔ)器的輸入端;地址開(kāi)關(guān)電路的信號(hào)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(hào)輸出端，其信號(hào)輸出端連接隨機(jī)存儲(chǔ)器的輸入端;顯示控制器同步信號(hào)輸出端外接彩色監(jiān)視器的同步信號(hào)輸入端;并串轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端連接隨機(jī)存儲(chǔ)器的信號(hào)輸出端，其信號(hào)輸出端外接彩色監(jiān)視器。

　　1 航跡儀工作原理

　　航跡儀的工作過(guò)程是在計(jì)算機(jī)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(dǎo)顯控臺(tái)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(biāo)繪是通過(guò)實(shí)時(shí)接收由綜導(dǎo)顯控臺(tái)發(fā)送的緯度、經(jīng)度值及各種繪圖命令，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的解算及直線插補(bǔ)運(yùn)算后，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖序列，經(jīng)功放電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行。

　　傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)有一定的局限性，存在有待改進(jìn)之處：(1)傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)的接口、控制、傳動(dòng)等部分采用分立式設(shè)計(jì)，占用了大量的空間，且價(jià)格較貴。(2)隨著導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息化程度的提高，設(shè)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(tǒng)要求。(3)航跡儀與綜導(dǎo)臺(tái)使用同一操作界面，缺少獨(dú)立的人機(jī)交互系統(tǒng)。(4)傳統(tǒng)的航跡儀為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)檢測(cè)反饋裝置，影響了走筆的精度。(5)接口板的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)初始化要求嚴(yán)格，不能完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

　　2 航跡儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件系統(tǒng)的總體構(gòu)成

　　航跡儀微機(jī)控制系統(tǒng)是以ARM處理器S3C44B0X模塊為中心的控制系統(tǒng)。ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)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(fèi)/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。ARM是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)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(fèi)/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.2 S3C44B0X主板

　　傳統(tǒng)的航跡儀采用嵌入式PC/104模塊為核心控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的接口、控制、傳動(dòng)等部分采用分立式設(shè)計(jì)，占用的空間較大，且價(jià)格昂貴。因此在改進(jìn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的靈活性，為本系統(tǒng)所專(zhuān)用，因此所用接口、外設(shè)均為自主設(shè)計(jì)的電路，節(jié)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(chǔ)器系統(tǒng)模塊、通信模塊、系統(tǒng)調(diào)試模塊、人機(jī)接口模塊及擴(kuò)展總線部分。

　　主板外接CAN總線控制器及總線驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備，接收CAN總線上由綜合導(dǎo)航顯控臺(tái)發(fā)送的實(shí)時(shí)位置、航向信息;通過(guò)人機(jī)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(shù)、開(kāi)始停止等命令)通過(guò)擴(kuò)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)品著稱(chēng)的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO118?8)。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機(jī)械車(chē)輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

　　2.3 XC2S50接口板

　　傳統(tǒng)航跡儀使用接口板CDT800，其中包括 Am9513計(jì)數(shù)器與μPD71055I/O接口。CDT800為成品接口板，其計(jì)數(shù)器Am9513相關(guān)資料相對(duì)有限，且動(dòng)態(tài)初始化要求嚴(yán)格，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)資源的占用過(guò)大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　XC2S50接口板包括FPGA芯片XC2S50、配置芯片18V01、輸出驅(qū)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(shù)據(jù)總線發(fā)送的數(shù)據(jù)命令信息(包括：X、Y方向的分頻值、脈沖個(gè)數(shù)、運(yùn)行方向，以及開(kāi)始/終止運(yùn)行、抬落筆、報(bào)警等)，經(jīng)FPGA芯片XC2S50處理后，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào);再經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)芯片SN74LS244，通過(guò)接口HJY傳遞給X、Y向的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

　　2.4 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器

　　航跡儀控制系統(tǒng)對(duì)快速性及定位精度均有很高的要求?？紤]到系統(tǒng)是針對(duì)數(shù)字量及位移的控制系統(tǒng)，因此選用步進(jìn)電機(jī)作為其執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

　　系統(tǒng)要求繪筆繪制大量細(xì)小折線，這就要求電機(jī)工作在低頻區(qū)且需要頻繁地執(zhí)行起動(dòng)、停止、調(diào)速等操作。因此步進(jìn)電機(jī)極易出現(xiàn)低頻振蕩，產(chǎn)生工作噪音，影響繪筆的穩(wěn)定性及標(biāo)繪精度。

　　本設(shè)計(jì)選用RORZE公司生產(chǎn)的5相混合式步進(jìn)電機(jī)M56853D及相應(yīng)的5相細(xì)分步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器RD-0534M。

　　步進(jìn)電機(jī)M56853D各技術(shù)參數(shù)：

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

　　細(xì)分驅(qū)動(dòng)器RD-0534M各技術(shù)參數(shù)：

　　供電電壓 DC18V～40V;細(xì)分?jǐn)?shù)選用m=80;最大響應(yīng)頻率fMAX=500kpps，則可獲得最大轉(zhuǎn)速nMAX=60000/m=750r/min

　　改進(jìn)后航跡儀系統(tǒng)電機(jī)步距角變?yōu)樵到y(tǒng)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(tǒng)的低頻振蕩。

　　2.5 電磁感應(yīng)式數(shù)字化板

　　傳統(tǒng)的航跡儀為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)檢測(cè)反饋裝置。改進(jìn)設(shè)計(jì)中增添了數(shù)字化板。這一反饋模塊，構(gòu)成了一套完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，降低了誤差。

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

　　3 航跡儀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 S3C44B0X主板部分的軟件設(shè)計(jì)

　　操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源、合理組織計(jì)算機(jī)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(tǒng)軟件平臺(tái)的選擇和應(yīng)用程序的編制。

　　主板軟件系統(tǒng)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(diào)用通過(guò)函數(shù)shibie( )進(jìn)行;命令解釋部分到底層部分的調(diào)用通過(guò)函數(shù)zxcb( )進(jìn)行。

　　3.1.1 主程序

　　主程序主要對(duì)綜導(dǎo)臺(tái)命令和觸摸屏命令進(jìn)行管理、調(diào)度。程序執(zhí)行過(guò)程中查詢(xún)隨機(jī)命令數(shù)和推位命令數(shù)這兩個(gè)變量。變量小于等于零時(shí)，沒(méi)有綜導(dǎo)臺(tái)命令，程序查詢(xún)觸摸屏有無(wú)按下及鍵值，執(zhí)行響應(yīng)操作。當(dāng)兩個(gè)變量大于零，說(shuō)明有了綜導(dǎo)臺(tái)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(yīng)觸摸屏命令，控制程序只查詢(xún)有無(wú)隨機(jī)命令及推位命令，轉(zhuǎn)入響應(yīng)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(shù)shibie( )對(duì)每一條命令進(jìn)行識(shí)別及格式檢查。對(duì)于隨機(jī)命令和推位命令，每從CAN總線上接收一條命令，相應(yīng)的命令條數(shù)加1。每執(zhí)行完一條，相應(yīng)的命令條數(shù)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(dǎo)臺(tái)命令未處理。通過(guò)檢查隨機(jī)命令數(shù)和推位命令數(shù)，即可按先后次序順次執(zhí)行所有命令。

　　本部分中還包括海圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)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總線上由綜導(dǎo)臺(tái)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(jù)這些信息，將海圖上的經(jīng)緯度值折算成XY軸坐標(biāo)，以便于底層的直線差補(bǔ)程序?qū)Y坐標(biāo)量轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的走步脈沖數(shù)。

　　3.1.3 底層部分

　　底層包括所有的畫(huà)線、寫(xiě)標(biāo)記符等繪筆執(zhí)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)直線差補(bǔ)程序

　　線段是航跡儀繪制的基本圖形，其他各種曲線都是以線段逼近的。設(shè)線段終點(diǎn)到起點(diǎn)坐標(biāo)長(zhǎng)度分量分別為Δx、Δy。令X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同時(shí)起動(dòng)，同時(shí)停止，分別以均勻速度Vx、Vy運(yùn)動(dòng)。這樣

，即

。

　　程序設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器的初始頻率12MHz可計(jì)算出X、Y向的分頻值;已知的脈沖當(dāng)量可求出X、Y向各自需要的走步脈沖數(shù)。將分頻值、脈沖數(shù)及開(kāi)始/停止等控制信息傳送給接口板，使其產(chǎn)生相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，以控制步進(jìn)電機(jī)。

　　(2)CAN總線通訊任務(wù)模塊

　　設(shè)計(jì)中采用PHILIPS公司的CAN總線控制器SJA1000，CAN總線驅(qū)動(dòng)器選用82C250。

　　綜導(dǎo)臺(tái)將導(dǎo)航數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給航跡儀。通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡儀數(shù)據(jù)報(bào)文接收、解析等。當(dāng)有CAN報(bào)文到達(dá)，SJA1000產(chǎn)生中斷釋放信號(hào)量。設(shè)備工作任務(wù)中輪詢(xún)等待信號(hào)量接收CAN報(bào)文。對(duì)接收的CAN報(bào)文，首先存入CAN接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解析后讀入航跡儀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。CAN接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在接收CAN報(bào)文時(shí)臨時(shí)分配。在報(bào)文解析過(guò)程中，接收的報(bào)文通常為BCD碼，因此要將其還原為ASCII碼。