基于C8051F040水下平臺(tái)姿態(tài)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

目前，水下平臺(tái)支架一般與船體固連在一起而水下平臺(tái)姿態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)放在船上，這樣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題：監(jiān)測(cè)到的平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)是否反映平臺(tái)姿態(tài)真實(shí)數(shù)據(jù)。

為此設(shè)計(jì)了基于C8051F040水下平臺(tái)姿態(tài)監(jiān)測(cè)電路，本監(jiān)測(cè)電路和相關(guān)敏感元件一起固連在水下平臺(tái)上。這樣能更準(zhǔn)確地反映出平臺(tái)姿態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)提取姿態(tài)數(shù)據(jù)主要通過航姿陀螺系統(tǒng)，而該陀螺系統(tǒng)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(tái)實(shí)時(shí)的航向、橫滾、俯仰。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于C8051F040姿態(tài)監(jiān)測(cè)電路系統(tǒng)部分由6個(gè)主要功能模塊組成：電源模塊、陀螺系統(tǒng)、深度傳感器、GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)、單片機(jī)C8051F040和RS422串行通訊。電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖工作原理是首先將GPS數(shù)據(jù)的航向角、緯度通過串口RS232發(fā)送到控制器系統(tǒng)?？刂破鹘?jīng)提取轉(zhuǎn)換將其緯度和航向角下載到陀螺系統(tǒng)作為初始啟動(dòng)值，同時(shí)對(duì)陀螺系統(tǒng)通訊方式進(jìn)行設(shè)定。此后陀螺系統(tǒng)能周期發(fā)送實(shí)時(shí)平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)。深度數(shù)據(jù)由深度傳感器經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路直接到C8051F040內(nèi)部AD模塊獲得?？刂破鲗⑦@些數(shù)據(jù)通過RS422串行通訊接口定時(shí)發(fā)送出去。

1.1 GP8數(shù)據(jù)系統(tǒng)介紹

GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能是接收經(jīng)度、航向角、UTC時(shí)間等信息，并通過RS232通訊口發(fā)送至單片機(jī)。通過集成的單板式結(jié)構(gòu)的雙頻雙系統(tǒng)定位定向板卡DB982，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度，定向精度1°。單片機(jī)軟件完成對(duì)GPS數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)下載到陀螺。

該系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)由兩個(gè)圓盤型天線以及數(shù)據(jù)接受處理器構(gòu)成。數(shù)據(jù)接受處理器以0.2 s的周期向外發(fā)送GPS數(shù)據(jù)。

1.2 陀螺系統(tǒng)及應(yīng)用介紹

該陀螺系統(tǒng)采用的光纖陀螺，其工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)。薩格納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，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(cè)點(diǎn)。

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

該陀螺系統(tǒng)供電為24 V，通訊方式為CAN通訊。陀螺上電成功后通過相關(guān)CAN指令設(shè)置其相關(guān)的數(shù)據(jù)通訊方式，并初始化當(dāng)前緯度和航向角后，陀螺系統(tǒng)將上傳航向、橫滾、俯仰等姿態(tài)數(shù)據(jù)。

1.3 深度傳感器調(diào)理電路

深度傳感器輸出的電壓信號(hào)，范圍為0～5 V。由于單片機(jī)C8051F040的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓只能設(shè)置到2.4 V，為能保證其0～5 V模數(shù)轉(zhuǎn)換，需進(jìn)行電路調(diào)理。具體電路如圖2所示。

VSD=(R71/R69)×(R50/R72)×V信號(hào) (1)

將其理論數(shù)值計(jì)算到上式可得到

VSD=0.47×V信號(hào) (2)

當(dāng)模擬信號(hào)達(dá)到最大值5 V時(shí)，VSD經(jīng)上式計(jì)算得到2.35 V小于其基準(zhǔn)電壓2.4 V故滿足A/D轉(zhuǎn)換要求。因此，可直接將VSD送到單片機(jī)C8051F040的A/D轉(zhuǎn)換端。

在電阻精度選擇，為減少調(diào)理電路中電阻實(shí)際值偏差造成理論計(jì)算值與實(shí)際數(shù)值之間的偏差。根據(jù)式(1)計(jì)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(qiáng)，但若僅是簡(jiǎn)單的采用一般的設(shè)計(jì)方案。在惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍會(huì)出現(xiàn)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(hù)、偵錯(cuò)等措施來提高接口的可靠性。本文考慮應(yīng)用環(huán)境下RS422串口熱拔插損壞的原理，在此基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器門限是為±200 mV，當(dāng)當(dāng)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(fù)邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機(jī)在發(fā)端發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時(shí)沒有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線，使AB之間的電壓在-200～+200 mV直至趨于0 V。這帶來了一個(gè)問題：接收器輸出狀態(tài)不確定，故應(yīng)采取一定不確定狀態(tài)。通常是在總線上加偏置，當(dāng)總線空閑或開路時(shí)，利用偏置電阻將總線偏置在一個(gè)確定的狀態(tài)(差分電壓≥-200 mV)。

常見的RS422通訊接口只對(duì)低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對(duì)于頻率很高的瞬態(tài)干擾則無效。設(shè)計(jì)采用方案是旁路保護(hù)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(shè)計(jì)

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)是姿態(tài)及深度數(shù)據(jù)獲取轉(zhuǎn)發(fā)為核心。姿態(tài)數(shù)據(jù)獲得需GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的航向和緯度下載到陀螺系統(tǒng)后，陀螺數(shù)據(jù)通過CAN接口發(fā)送給單片機(jī)。深度數(shù)據(jù)通過啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換獲得，將轉(zhuǎn)換后的深度數(shù)據(jù)和陀螺姿態(tài)數(shù)據(jù)按照一定協(xié)議通過串口RS422發(fā)送出去，具體軟件流程框圖如圖4所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括5部分程序：軟件初始化配置程序、RS232串口數(shù)據(jù)提取程序、CAN通訊數(shù)據(jù)程序、深度A/D轉(zhuǎn)換程序、RS422串口數(shù)據(jù)發(fā)送程序。

2.1 GPS數(shù)據(jù)提取程序設(shè)計(jì)

GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分較多種類，其他類型的數(shù)據(jù)不包含有航向和緯度值，只有“$GGCX”開頭的數(shù)據(jù)表明該組數(shù)據(jù)才有效。因此針對(duì)系統(tǒng)需要，處理“$GGCX”開頭的數(shù)據(jù)即可。“$GGCX”數(shù)據(jù)是以字符串形式呈現(xiàn)，為此接收“$GGCX”數(shù)據(jù)后，需將其對(duì)應(yīng)的字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)值。“$GGCX”數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，緯度和航向是否有效的標(biāo)識(shí)在第11個(gè)逗號(hào)后面的一個(gè)數(shù)字表示(0表示數(shù)據(jù)無效;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(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

姿態(tài)數(shù)據(jù)是通過CAN通訊設(shè)置陀螺系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式及發(fā)送方式。陀螺系統(tǒng)上電后，等待30 s后發(fā)一個(gè)暫停的信息。

GPS數(shù)據(jù)提取中，一旦發(fā)現(xiàn)緯度和航向同時(shí)有效時(shí)，將其對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)置位并將其航向和緯度提取出來。再通過CAN將其航向和緯度發(fā)送到陀螺系統(tǒng)中再發(fā)送一幀啟動(dòng)的命令即可。此后陀螺系統(tǒng)便以0.2 s的周期發(fā)送平臺(tái)的航向角、橫滾角、俯仰角。

2.3 深度數(shù)據(jù)獲取程序設(shè)計(jì)

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

最后將陀螺系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)和深度值按照一定的協(xié)議通過串行通訊接口RS422以0.5 s的周期發(fā)送出去。

3 結(jié)束語(yǔ)

該電路既有模擬電路又有數(shù)字電路部分，因此電路設(shè)計(jì)考慮數(shù)字地與模擬地分開。數(shù)字地與模擬地采用單點(diǎn)連接，這樣在進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換過程中也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的深度值最大偏差有8 m。調(diào)試發(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)已應(yīng)用到某平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中，并成功運(yùn)用某型水下釋放試驗(yàn)中，試驗(yàn)取得較好的效果。