一种基于ARM及FPGA的新型智能化航迹仪的设计

航迹仪是舰船导航系统中的主要配套设备之一，它能根据陀螺罗经、计程仪提供的航向航程信息或其他导航设备提供的定位信息，在海图上自动连续地绘制出船舶航行的航迹与标记。航迹仪具备的绘制航线导航功能，可使航海人员非常直观的了解到己船位置、偏航程度及未来海域的安全程度。
    随着计算机技术的发展，智能化航迹仪的发展趋势是进一步拓宽功能、缩小体积、降低功耗、减少成本、提高可靠性，而传统的航迹仪系统不完全具备上述功能，存在局限性。
1 航迹仪工作原理
    航迹仪的工作过程是在计算机控制下进行的。首先，使键盘处于开放状态，通过移笔键和自检键简单检查绘图功能；然后，由综导显控台装海图并向航迹仪发出装海图命令，由此航迹仪自动进入跟踪状态。船舶航迹的实时标绘是通过实时接收由综导显控台发送的纬度、经度值及各种绘图命令，通过数学模型的解算及直线插补运算后，产生步进电机的控制脉冲序列，经功放电路驱动电动机执行，再经机械转换变成绘笔在图面上运动。
    传统的航迹仪系统有一定的局限性，存在有待改进之处：(1)传统的航迹仪系统的接口、控制、传动等部分采用分立式设计，占用了大量的空间，且价格较贵。(2)随着导航数据信息化程度的提高，设备间的通讯越发频繁，信息量亦随之增大，使用单一的串行口通讯已不能满足系统要求。(3)航迹仪与综导台使用同一操作界面，缺少独立的人机交互系统。(4)传统的航迹仪为开环系统，无检测反馈装置，影响了走笔的精度。(5)接口板的设计动态初始化要求严格，不能完全满足实时性要求。另外，传统航迹仪传动部分的振动及噪音较大，从另一方面影响了绘笔的精度。新型智能化航迹仪的设计对以上问题给出了解决方案。
2 航迹仪系统的硬件设计
2.1 硬件系统的总体构成
    航迹仪微机控制系统是以ARM处理器S3C44B0X模块为中心的控制系统。系统由以下几部分组成：基于ARM处理器S3C44B0X的开发板， STN 型320像素X240行LCD彩色液晶触摸屏，基于FPGA元件XC2S50的接口板，步进电机驱动及控制电路，步进电动机，数字化板。系统的硬件结构如图1所示。

                          

2.2 S3C44B0X主板
    传统的航迹仪采用嵌入式PC/104模块为核心控制系统。系统的接口、控制、传动等部分采用分立式设计，占用的空间较大，且价格昂贵。因此在改进设计中使用基于Samsung公司生产的ARM处理器S3C44B0X芯片。由于使用基于芯片开发的主板提高设计开发的灵活性，为本系统所专用，因此所用接口、外设均为自主设计的电路，节省了不必要的开销。这种设计提高了系统的响应速度，降低了成本。另外，S3C44B0X自带LCD控制器，能够保证改进设计中触摸屏显示部分的顺利实现。
    S3C44B0X主板主要包括CPU模块及其辅助电路、存储器系统模块、通信模块、系统调试模块、人机接口模块及扩展总线部分。
    主板外接CAN总线控制器及总线驱动器等设备，接收CAN总线上由综合导航显控台发送的实时位置、航向信息；通过人机接口接收到的触摸屏发送的控制信息，经处理后将控制命令（主要是控制脉冲频率、脉冲个数、开始停止等命令）通过扩展I/O口发送给接口板，另外，将显示信息发送给LCD触摸显示屏。
2.3 XC2S50接口板
    传统航迹仪使用接口板CDT800，其中包括 Am9513计数器与μPD71055I/O接口。CDT800为成品接口板，其计数器Am9513相关资料相对有限，且动态初始化要求严格，在实际应用过程中，对系统资源的占用过大，严重影响系统的实时性。在改进设计中，采用基于Xilinx公司生产的FPGA元件XC2S50的接口板。这种设计提高了系统的集成化，保证了实时性，使得硬件的设计开发更加简便。
    XC2S50接口板包括FPGA芯片XC2S50、配置芯片18V01、输出驱动芯片SN74LS244及外部接口电路。其原理图见图2。

                        

    接口板的主要功能是：接收S3C44B0X主板通过数据总线发送的数据命令信息(包括：X、Y方向的分频值、脉冲个数、运行方向，以及开始/终止运行、抬落笔、报警等），经FPGA芯片XC2S50处理后，转化为相应频率的脉冲信号；再经输出驱动芯片SN74LS244，通过接口HJY传递给X、Y向的步进电机驱动器。运行程序通过JTAG口或DOWNLOAD口烧写入配置芯片18V01中。
2.4 步进电机及其驱动器
    对于航迹仪系统，标绘精度是极其重要的一项技术指标，而电机及传动机构的精度则对其产生直接影响。
    航迹仪控制系统对快速性及定位精度均有很高的要求。考虑到系统是针对数字量及位移的控制系统，因此选用步进电机作为其执行元件。步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移的电机元件，当外加一个脉冲信号于电机的控制装置时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），即前进了一步。
    系统要求绘笔绘制大量细小折线，这就要求电机工作在低频区且需要频繁地执行起动、停止、调速等操作。因此步进电机极易出现低频振荡，产生工作噪音，影响绘笔的稳定性及标绘精度。因此，改进方案采用了先进的细分驱动器，大大降低了低频振荡。
    本设计选用RORZE公司生产的5相混合式步进电机M56853D及相应的5相细分步步进电机驱动器RD－0534M。
    步进电机M56853D各技术参数：
    最大静转矩M_k=8.0kg·cm；电流I=3.5A/相；转子转动惯量J_r=0.240g·cm·S²；步距角（整步时）θ_b= = 0.72°；容许径向负载10.5kg；容许轴向负载1.5kg；转子齿数Z_r=100。
    细分驱动器RD－0534M各技术参数：
    供电电压 DC18V～40V；细分数选用m＝80；最大响应频率f_MAX=500kpps，则可获得最大转速n_MAX=60000/m=750r/min
    改进后航迹仪系统电机步距角变为原系统的1/80，步距分辨率及控制脉冲频率均得到提高。提高后的控制脉冲频率大大超过了自由振动频率f₀，从而避免了系统的低频振荡。
2.5 电磁感应式数字化板
    传统的航迹仪为开环系统，无检测反馈装置。改进设计中增添了数字化板。这一反馈模块，构成了一套完整的闭环控制系统，增强了稳定性，降低了误差。
    数字化板的工作原理：在标绘仪的绘图平板上布上导线形成格栅，把电磁发射线圈安装到绘笔上，此时把线圈圆心和绘笔圆心标定在同一直线上；绘笔在平板上绘图，而线圈不断发射磁场脉冲，导线切割磁场产生感应电流，通过接收电路和信号处理电路得到绘笔在绘图平台上的相对位置（绘笔位置）。把电磁感应定位得到的位置作为绘笔当前真实位置，此位置通过UART口反馈给S3C44B0X控制器。目标位置与该位置进行比较，得到需要的位置差量，计算后作出响应的位置补偿调整。数字化板工作原理如图3所示。

                   

3 航迹仪系统的软件设计
3.1 S3C44B0X主板部分的软件设计
    操作系统是控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机工作流程、方便用户的程序集合。航迹仪功能的完成，很大程度上取决于操作系统软件平台的选择和应用程序的编制。在航迹仪的设计中，软件平台选用基于Tonardo集成开发环境的实时操作系统VxWorks，应用程序则采用VxWorks支持的标准C语言编制。
    主板软件系统主要由主程序、命令解释部分、底层部分组成。其中，主程序到命令解释部分的调用通过函数shibie( )进行；命令解释部分到底层部分的调用通过函数zxcb( )进行。
3.1.1 主程序
    主程序主要对综导台命令和触摸屏命令进行管理、调度。程序执行过程中查询随机命令数和推位命令数这两个变量。变量小于等于零时，没有综导台命令，程序查询触摸屏有无按下及键值，执行响应操作。当两个变量大于零，说明有了综导台命令，就会自动进入跟踪状态。在跟踪状态，不响应触摸屏命令，控制程序只查询有无随机命令及推位命令，转入响应的命令解释程序。
3.1.2 命令解释部分
    命令解释部分主要功能：通过函数shibie( )对每一条命令进行识别及格式检查。对于随机命令和推位命令，每从CAN总线上接收一条命令，相应的命令条数加1。每执行完一条，相应的命令条数减1，同时指向下一条。只要这两个变量不为零，就说明有综导台命令未处理。通过检查随机命令数和推位命令数，即可按先后次序顺次执行所有命令。
    本部分中还包括海图坐标转换程序，其主要功能：主板接收装海图命令的同时，会读取CAN总线上由综导台发送的海图信息，包括海图类型（墨卡托或高斯海图）、大小、比例等。程序根据这些信息，将海图上的经纬度值折算成XY轴坐标，以便于底层的直线差补程序将XY坐标量转换成步进电机的走步脉冲数。
3.1.3 底层部分
    底层包括所有的画线、写标记符等绘笔执行动作的程序，及与硬件有关的I/O操作子程序、中断服务程序。下面介绍几个主要的程序。
   (1)直线差补程序
   线段是航迹仪绘制的基本图形，其他各种曲线都是以线段逼近的。设线段终点到起点坐标长度分量分别为Δx、Δy。令X、Y向步进电动机同时起动，同时停止，分别以均匀速度V_x、V_y运动。这样，即。其中T代表电机运行时间，V_x、V_y分别为X、Y向电机速度，f_x、f_y分别为运转频率，k为步进电机脉冲当量。
 程序设计中，已知X、Y向的增量?驻x、?驻y，选增量大的方向的走步频率为最大走步频率f₁=f_M，另一方向频率即为f₂=f_M×Δy/Δx。已知两个方向的走步频率，由接口板计数器的初始频率12MHz可计算出X、Y向的分频值；已知的脉冲当量可求出X、Y向各自需要的走步脉冲数。将分频值、脉冲数及开始/停止等控制信息传送给接口板，使其产生相应频率的脉冲信号，以控制步进电机，即可实现航迹仪的直线差补功能。
    (2)CAN总线通讯任务模块
    设计中采用PHILIPS公司的CAN总线控制器SJA1000，CAN总线驱动器选用82C250。
    综导台将导航数据通过CAN总线发送给航迹仪。通讯模块主要实现对航迹仪数据报文接收、解析等。当有CAN报文到达，SJA1000产生中断释放信号量。设备工作任务中轮询等待信号量接收CAN报文。对接收的CAN报文，首先存入CAN接收数据结构，解析后读入航迹仪数据结构。CAN接收数据结构在接收CAN报文时临时分配。在报文解析过程中，接收的报文通常为BCD码，因此要将其还原为ASCII码。解析过程中，若出现格式错误，则置错误状态标志。
    (3)LCD屏显示及触摸程序
    本设计采用SHARP公司的144.78mm、LM057QC1T01型STN彩色液晶显示器，其显示格式为320像素(×3)×240行，即显示屏每行有320个像素点，共240行，每个像素点由RGB（红、绿、篮）三种颜色组成。
    LCD触摸屏程序主要分为显示任务FsceShow，触摸屏查询任务TouchCheck，触摸屏状态查询任务TouchStateCheck。TouchCheck入口函数Touch_check( )查询触摸屏中断，TouchStateCheckt( )查询触摸屏状态改变，FaceShow执行响应，显示图形。程序框图如图4所示。

                                 

    (4)位置补偿模块
    如前文所述，在步进电机运行完一次由运行到静止的过程后，把目标位置与从数字化板发送的实际位置做差比较得到的位置差量Δd作为一次操作补偿。其特点是在一次绘图过程中有两次电机的开始和停止，补偿速度慢，但所绘的是近似真实的图形。程序框图如图5所示。

                                            
3.2 XC2S50接口板部分的软件设计
    XC2S50接口板软件部分采用VHDL语言编写。编译后通过JTAG口烧写入配置芯片18V01中。软件部分主要包括顶层模块jkb_top、接口模块jiekou、脉冲发生模块pulse_generate、速度控制模块speed_ctr、脉冲计数模块counter、方波发生器counter32等。其结构框图如图6所示。

 

                 

                                                  

 

    在脉冲发生模块pulse_generate中，速度控制模块speed_ctr的主要功能是：通过查询发送、剩余脉冲数，计算出响应的速度控制级别（可分为4种模式），将速度控制信息传送给脉冲计数模块counter。两个脉冲计数模块counter分别控制X、Y两个步进电机的走步步数。它们分别以X、Y向驱动脉冲作为输入时钟信号，纪录两向脉冲数，发出使能信号以控制counter32，其原理如图7所示。两个方波发生模块counter32分别对X向、Y向步进电机驱动器输出方波，其输出波形的频率即为步进电机的走步频率，如图8所示。接口模块jiekou接收来自主板发送的X、Y向分频值、脉冲数数据信息，以及运行方向、开始终止、抬落笔、报警等控制信息，并将数据信息发送给pulse_generate模块，将控制信息发送给驱动板。所有的软件模块封装在顶层模块jkb_top中。

                                       

 

                                       

    新型智能化航迹仪设计，针对传统航迹仪系统的诸多问题，给出了有效的改造方案。改造方案降低了成本，增强了功能的针对性，节省了系统资源。数字化板的使用，为原开环系统增加了闭环反馈，提高了标绘精度。使用FPGA器件代替原CDT800接口板，保证系统的时事性与稳定性，提高了集成度。CAN总线通讯的采用，增大了信息的承载量，提高了实时性。LCD触摸显示屏的使用，增强了人机交互性。使用带有细分功能的电机驱动器，及对传统航迹仪步进电机部分的优化改造，降低了工作的振动与噪音，提高了工作稳定性。