方式与主机交换信息,只需配一块多串口的通信卡,各信号板的串行输出信号格式均符合NMEA0183 标准。
图1 硬件系统结构框图 2 人机界面设计
一个系统人机界面或者说面板的设计历来在整个系统的设计中占有一定的工作量,而本系统则力图体现上述设计思想,充分利用工控机系统资源进行设计,既减少了工作量、提高了可靠性,又保证了系统的兼容性。显示部分选用VGA 兼容的液晶显示器,不自主开发液晶显示接口, YG- 602 VGA 彩色液晶显示器可以设置成任意1/ 4 屏显示或全屏压缩显示,电源为单+ 12V 供电,信号线直接插到主板或VGA 显卡的VGA 接口。利用市售的VGA 兼容液晶显示器不仅减少了硬件开发的工作量,而且为软件开发带来
了便利,软件开发过程中不仅可以免除设计自主开发液晶显示接口所需的显示软件模块,而且可以充分利用BIOS 及DOS 的中断调用,如此从硬件及软件两个方面为系统的面世赢得了时间。本系统无需打印,故并行口用来输出一些状态及
报警信息并在面板上以L ED 显示,并行口的输出信号已经锁存,故只需对信号进行驱动即可,无需再设置锁存器用STROBE 信号来锁存。若8 位不够用则可采用译码方式。采用本设计方案免除了通常情况下需设计数字I/ O 接口板的工作,同样是增加了可靠性、兼容性,减少了工作量。键盘的处理则利用了主板的通用键盘接口,而不是重新设计小键盘接口。面板上的薄膜开关完全按照通用101 键盘上所选用的若干个数字及功能键来安排键盘矩阵的行列关系,采用通用的键盘管理单片机芯片来管理键盘并与主板接口,或直接拆下101 键盘内线路板加以利用,相对于自主开发小键盘接口来说既廉价又方便。本设计方案同样为键盘管理软件的设计带来了便利,具有上述二者相同的优越性。基于以上所述处理方法,使得系统的开发、调试及实现完全可以用任何一种386 以上PC 兼容工控机来完成,作到了开发环境及系统实现的兼容性,增强了系统的可靠性,缩短了系统的面世时间。 3 GPS 信号板设计
尽管GPS 接收机依厂家、型号的不同而不同,但均以串行方式给出信息。本GPS 信号板可以通过跳线设置接收TTL 电平及RS - 232C、RS - 422/ 485 标准的串行信号,选取各GPS 厂家常用的
信息字串,通过AT89C2051 单片机处理,删除大量的冗余信息,获取船位、航速、航迹偏差等信息,并重新组织成一个字串,定时发送给主机。 4 舵角信号板设计
舵角信号板与主机双向交换信息。主机经控制算法计算得出舵令,经由串行口送给舵角板,舵角板对舵角进行简单的PID 控制,控制输出为TTL 信号,经固态继电器(SSR) 控制舵机的左右舵电磁阀,以控制舵叶的运动。因舵机厂家的不同,舵机给出的舵角信号有所不同,主要有电位器式及自整角机式两种,故本舵角板亦设计成可以接收电位器式及自整角机两种信号,获取舵角信息,舵角信息经串行口送到主机显示。 5 航向信号板设计
航向信号板通过接收船用电罗经的复示信号获取航向信息。因电罗经型号不同,其复示信号有同步型及步进型之分,二者都有不同的电压等级之分,如步进型的35V/ 50V/ 70V ,同步型又有不同的角度变换比率,如90X、180X、360X 等。本航向信号板通过跳线的设置及软件的改变来选择电罗经类型,使得对于不同类型的电罗经,航向信号板均能接受其复示信号并获得相对航向信息,经与来自主机的初始航向设置信息结合,通过单片机产生相同格式的字串定时发送给主机。 四 控制器设计
舵机系统控制器主要由中央控制单元、高速逻辑阵列、功率驱
动电路、三相逆变电路、舵面偏转角度传感器和保护电路等组成。图2是某电动舵机系统控制器原理图。
中央控制单元
早期的中央控制单元主要是由80C51或89C196K等单片机系统组成[7’8]，由于其运算速率较低，处理能力有限，现逐步被数字信号处理器(DSP)代替，DSP在工作频率和处理能力上都较单片机优越。其中以德克萨斯公司的TMS320系列为代表，DSP芯片已发展成系列产品。开始应用于舵机控制器的DSP以TMS320LF2407为主，随着TI公司技术的不断升级，高性能的TMS320F2812 DSP越来越被广泛的应用于舵机控制器。 高速逻辑阵列
高速逻辑功能如图3所示。无刷直流电机因其没有电刷，其换向控制必须由外换相电路来完成。换相电路可以是由分立的逻辑芯片组成的逻辑电路、中央控制单元或者逻辑阵列。基于成本、可
靠性和处理速度等因素的考虑，选择高速逻辑
阵列较为合适。高速逻辑阵列用硬件的方式实现无刷直流电机的换相控制，换相处理时间短，节省了中央控制单元所占的开销。高速逻辑阵列将中央控制单元发送过来的一路PWM信号经过逻辑变换成适合于无刷直流电机工作的六路PWM信
号，避免了由中央控制单元直接发送六路PW’M信号的问题，为中央控制单元节约了宝贵的软硬件资源。此外，高速逻辑阵列还具有电机正反转控制和保护功能。当逻辑阵列接收到安全控制指令后，自动屏蔽自动驾驶仪所给的舵偏角控制指令，而执行安全指令信号，控制舵面偏向指定的位置并锁定。当驱动电路发生过流和舵偏角超出阈值时逻辑阵列硬件关断PWM信号的输出，直至中央控制单元输出反转控制信号。舵机工作时，通过对输入霍尔信号进行逻辑判断，实时判定电机的工作状态并反馈给中央控制单元。