?? ?摘? 要： 一種新型智能化航跡儀" title="航跡儀">航跡儀的設計。系統采用基于ARM的嵌入式結構，軟件選用VxWorks實時操作系統，接口板" title="接口板">接口板部分采用基于FPGA芯片的設計。詳細介紹了航跡儀系統的軟硬件設計。
??? 關鍵詞： 航跡儀；ARM；VxWorks；FPGA

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??? 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、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導航功能，可使航海人員非常直觀的了解到己船位置、偏航程度及未來海域的安全程度。
??? 隨著計算機技術的發展，智能化航跡儀的發展趨勢是進一步拓寬功能、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
??? 航跡儀的工作過程是在計算機控制下進行的。首先，使鍵盤處于開放狀態，通過移筆鍵和自檢鍵簡單檢查繪圖功能；然后，由綜導顯控臺裝海圖并向航跡儀發出裝海圖命令，由此航跡儀自動進入跟蹤狀態。船舶航跡的實時標繪是通過實時接收由綜導顯控臺發送的緯度、經度值及各種繪圖命令，通過數學模型的解算及直線插補運算后，產生步進" title="步進">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" title="步進電機">步進電機" 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??? 傳統的航跡儀系統有一定的局限性，存在有待改進之處：(1)傳統的航跡儀系統的接口、控制、傳動等部分采用分立式設計，占用了大量的空間，且價格較貴。(2)隨著導航數據信息化程度的提高，設備間的通訊越發頻繁，信息量亦隨之增大，使用單一的串行口通訊已不能滿足系統要求。(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)傳統的航跡儀為開環系統，無檢測反饋裝置，影響了走筆的精度。(5)接口板的設計動態初始化要求嚴格，不能完全滿足實時性要求。另外，傳統航跡儀傳動部分的振動及噪音較大，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" title="控制系統">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ARM處理器S3C44B0X的開發板， 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，步進電機驅動及控制電路，步進電動機，數字化板。系統的硬件結構如圖1所示。

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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、傳動等部分采用分立式設計，占用的空間較大，且價格昂貴。因此在改進設計中使用基于Samsung公司生產的ARM處理器S3C44B0X芯片。由于使用基于芯片開發的主板提高設計開發的靈活性，為本系統所專用，因此所用接口、外設均為自主設計的電路，節省了不必要的開銷。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，能夠保證改進設計中觸摸屏顯示部分的順利實現。
??? 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部分。
??? 主板外接CAN總線控制器及總線驅動器等設備，接收CAN總線上由綜合導航顯控臺發送的實時位置、航向信息；通過人機接口接收到的觸摸屏發送的控制信息，經處理后將控制命令（主要是控制脈沖頻率、脈沖個數、開始停止等命令）通過擴展I/O口發送給接口板，另外，將顯示信息發送給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相關資料相對有限，且動態初始化要求嚴格，在實際應用過程中，對系統資源的占用過大，嚴重影響系統的實時性。在改進設計中，采用基于Xilinx公司生產的FPGA元件XC2S50的接口板。這種設計提高了系統的集成化，保證了實時性，使得硬件的設計開發更加簡便。
??? XC2S50接口板包括FPGA芯片XC2S50、配置芯片18V01、輸出驅動芯片SN74LS244及外部接口電路。其原理圖見圖2。

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??? 接口板的主要功能是：接收S3C44B0X主板通過數據總線發送的數據命令信息(包括：X、Y方向的分頻值、脈沖個數、運行方向，以及開始/終止運行、抬落筆、報警等），經FPGA芯片XC2S50處理后，轉化為相應頻率的脈沖信號；再經輸出驅動芯片SN74LS244，通過接口HJY傳遞給X、Y向的步進電機驅動器。運行程序通過JTAG口或DOWNLOAD口燒寫入配置芯片18V01中。
2.4 步進電機及其驅動器
??? 對于航跡儀系統，標繪精度是極其重要的一項技術指標，而電機及傳動機構的精度則對其產生直接影響。
?? ?航跡儀控制系統對快速性及定位精度均有很高的要求。考慮到系統是針對數字量及位移的控制系統，因此選用步進電機作為其執行元件。步進電機是一種將電脈沖轉換成相應角位移的電機元件，當外加一個脈沖信號于電機的控制裝置時，其轉軸就轉過一個固定的角度（步距角），即前進了一步。
??? 系統要求繪筆繪制大量細小折線，這就要求電機工作在低頻區且需要頻繁地執行起動、停止、調速等操作。因此步進電機極易出現低頻振蕩，產生工作噪音，影響繪筆的穩定性及標繪精度。因此，改進方案采用了先進的細分驅動器，大大降低了低頻振蕩。
??? 本設計選用RORZE公司生產的5相混合式步進電機M56853D及相應的5相細分步步進電機驅動器RD－0534M。
??? 步進電機M56853D各技術參數：
??? 最大靜轉矩M_k=8.0kg·cm；電流I=3.5A/相；轉子轉動慣量J_r=0.240g·cm·S²；步距角（整步時）θ_b= = 0.72°；容許徑向負載10.5kg；容許軸向負載1.5kg；轉子齒數Z_r=100。
??? 細分驅動器RD－0534M各技術參數：
??? 供電電壓 DC18V～40V；細分數選用m＝80；最大響應頻率f_MAX=500kpps，則可獲得最大轉速n_MAX=60000/m=750r/min
??? 改進后航跡儀系統電機步距角變為原系統的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了自由振動頻率f₀，從而避免了系統的低頻振蕩。
2.5 電磁感應式數字化板
??? 傳統的航跡儀為開環系統，無檢測反饋裝置。改進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形成格柵，把電磁發射線圈安裝到繪筆上，此時把線圈圓心和繪筆圓心標定在同一直線上；繪筆在平板上繪圖，而線圈不斷發射磁場脈沖，導線切割磁場產生感應電流，通過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位置，此位置通過UART口反饋給S3C44B0X控制器。目標位置與該位置進行比較，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。

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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集成開發環境的實時操作系統VxWorks，應用程序則采用VxWorks支持的標準C語言編制。
??? 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函數shibie( )進行；命令解釋部分到底層部分的調用通過函數zxcb( )進行。
3.1.1 主程序
??? 主程序主要對綜導臺命令和觸摸屏命令進行管理、調度。程序執行過程中查詢隨機命令數和推位命令數這兩個變量。變量小于等于零時，沒有綜導臺命令，程序查詢觸摸屏有無按下及鍵值，執行響應操作。當兩個變量大于零，說明有了綜導臺命令，就會自動進入跟蹤狀態。在跟蹤狀態，不響應觸摸屏命令，控制程序只查詢有無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：通過函數shibie( )對每一條命令進行識別及格式檢查。對于隨機命令和推位命令，每從CAN總線上接收一條命令，相應的命令條數加1。每執行完一條，相應的命令條數減1，同時指向下一條。只要這兩個變量不為零，就說明有綜導臺命令未處理。通過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，會讀取CAN總線上由綜導臺發送的海圖信息，包括海圖類型（墨卡托或高斯海圖）、大小、比例等。程序根據這些信息，將海圖上的經緯度值折算成XY軸坐標，以便于底層的直線差補程序將XY坐標量轉換成步進電機的走步脈沖數。
3.1.3 底層部分
??? 底層包括所有的畫線、寫標記符等繪筆執行動作的程序，及與硬件有關的I/O操作子程序、中斷服務程序。下面介紹幾個主要的程序。
?? (1)直線差補程序
???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。設線段終點到起點坐標長度分量分別為Δx、Δy。令X、Y向步進電動機同時起動，同時停止，分別以均勻速度V_x、V_y運動。這樣，即。其中T代表電機運行時間，V_x、V_y分別為X、Y向電機速度，f_x、f_y分別為運轉頻率，k為步進電機脈沖當量。
?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=f_M，另一方向頻率即為f₂=f_M×Δy/Δx。已知兩個方向的走步頻率，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、脈沖數及開始/停止等控制信息傳送給接口板，使其產生相應頻率的脈沖信號，以控制步進電機，即可實現航跡儀的直線差補功能。
??? (2)CAN總線通訊任務模塊
??? 設計中采用PHILIPS公司的CAN總線控制器SJA1000，CAN總線驅動器選用82C250。
??? 綜導臺將導航數據通過CAN總線發送給航跡儀。通訊模塊主要實現對航跡儀數據報文接收、解析等。當有CAN報文到達，SJA1000產生中斷釋放信號量。設備工作任務中輪詢等待信號量接收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報文時臨時分配。在報文解析過程中，接收的報文通常為BCD碼，因此要將其還原為ASCII碼。解析過程中，若出現格式錯誤，則置錯誤狀態標志。
??? (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個像素點，共240行，每個像素點由RGB（紅、綠、籃）三種顏色組成。
??? LCD觸摸屏程序主要分為顯示任務FsceShow，觸摸屏查詢任務TouchCheck，觸摸屏狀態查詢任務TouchStateCheck。TouchCheck入口函數Touch_check( )查詢觸摸屏中斷，TouchStateCheckt( )查詢觸摸屏狀態改變，FaceShow執行響應，顯示圖形。程序框圖如圖4所示。

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

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3.2 XC2S50接口板部分的軟件設計
??? XC2S50接口板軟件部分采用VHDL語言編寫。編譯后通過JTAG口燒寫入配置芯片18V01中。軟件部分主要包括頂層模塊jkb_top、接口模塊jiekou、脈沖發生模塊pulse_generate、速度控制模塊speed_ctr、脈沖計數模塊counter、方波發生器counter32等。其結構框圖如圖6所示。

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??? 在脈沖發生模塊pulse_generate中，速度控制模塊speed_ctr的主要功能是：通過查詢發送、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。兩個脈沖計數模塊counter分別控制X、Y兩個步進電機的走步步數。它們分別以X、Y向驅動脈沖作為輸入時鐘信號，紀錄兩向脈沖數，發出使能信號以控制counter32，其原理如圖7所示。兩個方波發生模塊counter32分別對X向、Y向步進電機驅動器輸出方波，其輸出波形的頻率即為步進電機的走步頻率，如圖8所示。接口模塊jiekou接收來自主板發送的X、Y向分頻值、脈沖數數據信息，以及運行方向、開始終止、抬落筆、報警等控制信息，并將數據信息發送給pulse_generate模塊，將控制信息發送給驅動板。所有的軟件模塊封裝在頂層模塊jkb_top中。

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參考文獻
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