?? ?摘? 要： 一種新型智能化航跡儀" title="航跡儀">航跡儀的設(shè)計,。系統(tǒng)采用基于ARM的嵌入式結(jié)構(gòu),，軟件選用VxWorks實時操作系統(tǒng),，接口板" title="接口板">接口板部分采用基于FPGA芯片的設(shè)計。詳細介紹了航跡儀系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,。
??? 關(guān)鍵詞： 航跡儀,；ARM；VxWorks,；FPGA

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??? 航跡儀是艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中的主要配套設(shè)備之一,，它能根據(jù)陀螺羅經(jīng)、計程儀提供的航向航程信息或其他導(dǎo)航設(shè)備提供的定位信息,，在海圖上自動連續(xù)地繪制出船舶航行的航跡與標(biāo)記,。航跡儀具備的繪制航線導(dǎo)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(shù)的發(fā)展，智能化航跡儀的發(fā)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(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)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(tài),，通過移筆鍵和自檢鍵簡單檢查繪圖功能,；然后,，由綜導(dǎo)顯控臺裝海圖并向航跡儀發(fā)出裝海圖命令，由此航跡儀自動進入跟蹤狀態(tài),。船舶航跡的實時標(biāo)繪是通過實時接收由綜導(dǎo)顯控臺發(fā)送的緯度,、經(jīng)度值及各種繪圖命令，通過數(shù)學(xué)模型的解算及直線插補運算后,，產(chǎn)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" 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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">步進電機的控制脈沖序列,，經(jīng)功放電路驅(qū)動電動機執(zhí)行，再經(jīng)機械轉(zhuǎn)換變成繪筆在圖面上運動,。
??? 傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)有一定的局限性,，存在有待改進之處：(1)傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)的接口、控制,、傳動等部分采用分立式設(shè)計,，占用了大量的空間，且價格較貴,。(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足系統(tǒng)要求。(3)航跡儀與綜導(dǎo)臺使用同一操作界面,，缺少獨立的人機交互系統(tǒng),。(4)傳統(tǒng)的航跡儀為開環(huán)系統(tǒng)，無檢測反饋裝置,，影響了走筆的精度,。(5)接口板的設(shè)計動態(tài)初始化要求嚴(yán)格，不能完全滿足實時性要求,。另外,，傳統(tǒng)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(shè)計對以上問題給出了解決方案,。
2 航跡儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 硬件系統(tǒng)的總體構(gòu)成
??? 航跡儀微機控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)是以ARM處理器S3C44B0X模塊為中心的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由以下幾部分組成：基于ARM處理器S3C44B0X的開發(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，步進電機驅(qū)動及控制電路,，步進電動機,，數(shù)字化板。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

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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、傳動等部分采用分立式設(shè)計,，占用的空間較大,，且價格昂貴。因此在改進設(shè)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發(fā)的主板提高設(shè)計開發(fā)的靈活性,，為本系統(tǒng)所專用，因此所用接口,、外設(shè)均為自主設(shè)計的電路,，節(jié)省了不必要的開銷。這種設(shè)計提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度,，降低了成本,。另外，S3C44B0X自帶LCD控制器,，能夠保證改進設(shè)計中觸摸屏顯示部分的順利實現(xiàn),。
??? S3C44B0X主板主要包括CPU模塊及其輔助電路、存儲器系統(tǒng)模塊,、通信模塊,、系統(tǒng)調(diào)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(qū)動器等設(shè)備,，接收CAN總線上由綜合導(dǎo)航顯控臺發(fā)送的實時位置、航向信息,；通過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、脈沖個數(shù),、開始停止等命令）通過擴展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(tǒng)航跡儀使用接口板CDT800,，其中包括 Am9513計數(shù)器與μPD71055I/O接口。CDT800為成品接口板,，其計數(shù)器Am9513相關(guān)資料相對有限,，且動態(tài)初始化要求嚴(yán)格，在實際應(yīng)用過程中,，對系統(tǒng)資源的占用過大,，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實時性。在改進設(shè)計中,，采用基于Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA元件XC2S50的接口板,。這種設(shè)計提高了系統(tǒng)的集成化,，保證了實時性，使得硬件的設(shè)計開發(fā)更加簡便,。
??? XC2S50接口板包括FPGA芯片XC2S50,、配置芯片18V01、輸出驅(qū)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(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,、脈沖個數(shù),、運行方向，以及開始/終止運行,、抬落筆,、報警等），經(jīng)FPGA芯片XC2S50處理后,，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率的脈沖信號,；再經(jīng)輸出驅(qū)動芯片SN74LS244，通過接口HJY傳遞給X,、Y向的步進電機驅(qū)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(qū)動器
??? 對于航跡儀系統(tǒng),，標(biāo)繪精度是極其重要的一項技術(shù)指標(biāo),，而電機及傳動機構(gòu)的精度則對其產(chǎn)生直接影響。
?? ?航跡儀控制系統(tǒng)對快速性及定位精度均有很高的要求,。考慮到系統(tǒng)是針對數(shù)字量及位移的控制系統(tǒng),，因此選用步進電機作為其執(zhí)行元件,。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電機元件，當(dāng)外加一個脈沖信號于電機的控制裝置時,，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個固定的角度（步距角）,，即前進了一步。
??? 系統(tǒng)要求繪筆繪制大量細小折線,，這就要求電機工作在低頻區(qū)且需要頻繁地執(zhí)行起動,、停止、調(diào)速等操作,。因此步進電機極易出現(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,。因此,，改進方案采用了先進的細分驅(qū)動器,，大大降低了低頻振蕩。
??? 本設(shè)計選用RORZE公司生產(chǎn)的5相混合式步進電機M56853D及相應(yīng)的5相細分步步進電機驅(qū)動器RD－0534M,。
??? 步進電機M56853D各技術(shù)參數(shù)：
??? 最大靜轉(zhuǎn)矩M_k=8.0kg·cm,；電流I=3.5A/相；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒數(shù)Z_r=100,。
??? 細分驅(qū)動器RD－0534M各技術(shù)參數(shù)：
??? 供電電壓 DC18V～40V；細分?jǐn)?shù)選用m＝80,；最大響應(yīng)頻率f_MAX=500kpps,，則可獲得最大轉(zhuǎn)速n_MAX=60000/m=750r/min
??? 改進后航跡儀系統(tǒng)電機步距角變?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了自由振動頻率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)的航跡儀為開環(huán)系統(tǒng),，無檢測反饋裝置,。改進設(shè)計中增添了數(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)射磁場脈沖，導(dǎo)線切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)定位得到的位置作為繪筆當(dāng)前真實位置，此位置通過UART口反饋給S3C44B0X控制器,。目標(biāo)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(yīng)的位置補償調(diào)整,。數(shù)字化板工作原理如圖3所示,。

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3 航跡儀系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3.1 S3C44B0X主板部分的軟件設(shè)計
??? 操作系統(tǒng)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(tǒng)軟件平臺的選擇和應(yīng)用程序的編制。在航跡儀的設(shè)計中,，軟件平臺選用基于Tonardo集成開發(fā)環(huán)境的實時操作系統(tǒng)VxWorks,，應(yīng)用程序則采用VxWorks支持的標(biāo)準(zhǔn)C語言編制。
??? 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)用通過函數(shù)shibie( )進行,；命令解釋部分到底層部分的調(diào)用通過函數(shù)zxcb( )進行。
3.1.1 主程序
??? 主程序主要對綜導(dǎo)臺命令和觸摸屏命令進行管理,、調(diào)度,。程序執(zhí)行過程中查詢隨機命令數(shù)和推位命令數(shù)這兩個變量。變量小于等于零時,，沒有綜導(dǎo)臺命令,，程序查詢觸摸屏有無按下及鍵值，執(zhí)行響應(yīng)操作,。當(dāng)兩個變量大于零,，說明有了綜導(dǎo)臺命令，就會自動進入跟蹤狀態(tài),。在跟蹤狀態(tài),，不響應(yīng)觸摸屏命令，控制程序只查詢有無隨機命令及推位命令,，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：通過函數(shù)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(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，同時指向下一條,。只要這兩個變量不為零,，就說明有綜導(dǎo)臺命令未處理。通過檢查隨機命令數(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，會讀取CAN總線上由綜導(dǎo)臺發(fā)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(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程序?qū)Y坐標(biāo)量轉(zhuǎn)換成步進電機的走步脈沖數(shù),。
3.1.3 底層部分
??? 底層包括所有的畫線,、寫標(biāo)記符等繪筆執(zhí)行動作的程序，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(shè)線段終點到起點坐標(biāo)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(zhuǎn)頻率,，k為步進電機脈沖當(dāng)量。
?程序設(shè)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(shù)器的初始頻率12MHz可計算出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,，以控制步進電機,，即可實現(xiàn)航跡儀的直線差補功能。
??? (2)CAN總線通訊任務(wù)模塊
??? 設(shè)計中采用PHILIPS公司的CAN總線控制器SJA1000,，CAN總線驅(qū)動器選用82C250,。
??? 綜導(dǎo)臺將導(dǎo)航數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給航跡儀。通訊模塊主要實現(xiàn)對航跡儀數(shù)據(jù)報文接收,、解析等,。當(dāng)有CAN報文到達，SJA1000產(chǎn)生中斷釋放信號量,。設(shè)備工作任務(wù)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(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(xiàn)格式錯誤,，則置錯誤狀態(tài)標(biāo)志。
??? (3)LCD屏顯示及觸摸程序
??? 本設(shè)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(wù)FsceShow，觸摸屏查詢?nèi)蝿?wù)TouchCheck,，觸摸屏狀態(tài)查詢?nèi)蝿?wù)TouchStateCheck,。TouchCheck入口函數(shù)Touch_check( )查詢觸摸屏中斷，TouchStateCheckt( )查詢觸摸屏狀態(tài)改變,，F(xiàn)aceShow執(zhí)行響應(yīng)，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(biāo)位置與從數(shù)字化板發(fā)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(shè)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(fā)生模塊pulse_generate,、速度控制模塊speed_ctr,、脈沖計數(shù)模塊counter、方波發(fā)生器counter32等,。其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示,。

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??? 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：通過查詢發(fā)送,、剩余脈沖數(shù),，計算出響應(yīng)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(shù)模塊counter,。兩個脈沖計數(shù)模塊counter分別控制X,、Y兩個步進電機的走步步數(shù)。它們分別以X,、Y向驅(qū)動脈沖作為輸入時鐘信號,，紀(jì)錄兩向脈沖數(shù)，發(fā)出使能信號以控制counter32,，其原理如圖7所示,。兩個方波發(fā)生模塊counter32分別對X向、Y向步進電機驅(qū)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(fā)送的X,、Y向分頻值,、脈沖數(shù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息發(fā)送給pulse_generate模塊,，將控制信息發(fā)送給驅(qū)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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