在航海系統(tǒng)中，采用計(jì)程儀連續(xù)測(cè)量運(yùn)動(dòng)中船舶的速度并計(jì)算出船舶的累計(jì)航程。本文所設(shè)計(jì)的計(jì)程儀系統(tǒng)采用雙傳感器組合結(jié)構(gòu)，并結(jié)合微處理機(jī)技術(shù)(選用了MCS-51系列單片機(jī)及與之配套的專用接口芯片)，組成了計(jì)程儀專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，精度高，操作調(diào)整方便。它能方便地進(jìn)行數(shù)字通訊；根據(jù)實(shí)際需要，也能發(fā)送速度的模擬信息，接口靈活，適應(yīng)了船舶控制與操作自動(dòng)化的需求。?
1 計(jì)程儀硬件設(shè)計(jì)
該計(jì)程儀系統(tǒng)由主儀器、電磁傳感器、壓差式傳感器、船底閥、導(dǎo)壓桿、可由用戶擴(kuò)充的分顯示器和一套開關(guān)分配器等部分組成(圖1)。本系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是采用了雙傳感器組合結(jié)構(gòu)：分別利用電磁傳感器和壓差式傳感器(利用貝努利方程原理)來測(cè)量船舶與水之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，并由其計(jì)算與記錄船舶的航程。
1.1
技術(shù)性能
(1)測(cè)速范圍：-10節(jié)～+40節(jié)(量程更改可由程序設(shè)定)；(2)航速精度(測(cè)速場(chǎng)精度)：±0.20節(jié)；(3)航速發(fā)送形式：RS-485；(4)單次航程范圍：0～9999.99海里；(5)累計(jì)航程范圍：0～999999海里；(6)工作時(shí)間累計(jì)范圍：0～99999小時(shí)；(7)航程解算精度：±0.1％(負(fù)速度不計(jì)航程)。?
1.2 主儀器工作原理
主儀器是一個(gè)以MCS-51單片微計(jì)算機(jī)為核心的專用微機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示。它包括：直流電源裝置，鍵盤輸入與顯示裝置，及由CPU、EPROM、EEPROM及專用接口電路組成的單片機(jī)裝置。主儀器是計(jì)程儀的核心部分，其面板上裝有各種操作按鈕，用以控制整個(gè)儀器的運(yùn)行，完成測(cè)速校正操作。
主儀器采用中斷方式實(shí)現(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集控制，其中定時(shí)器周期性地產(chǎn)生中斷信號(hào)申請(qǐng)中斷，中斷服務(wù)程序接收電磁傳感器和壓差傳感器輸出的電信號(hào)，然后A/D轉(zhuǎn)換裝置和I/F轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送至微機(jī)系統(tǒng)；按一定的計(jì)算公式進(jìn)行數(shù)椐處理，并按調(diào)整后的曲線進(jìn)行修正，以得到船舶的速度，再根據(jù)時(shí)間間隔的大小進(jìn)行數(shù)值積分來求得航程。計(jì)算機(jī)將求得的航速信息以適當(dāng)?shù)男问酵ㄟ^各相應(yīng)的接口電路送到各用戶和分顯示器，完成航速航程的顯示。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的EEPROM可以永久性地保存諸如累計(jì)航程、累計(jì)工作時(shí)間、速度調(diào)整參數(shù)等結(jié)果。
1.3 主要芯片及其系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)中主要采用了AT89C55、ICL7109和AD652等芯片，簡(jiǎn)介如下：
1.3.1 AT89C55
AT89C55芯片是由ATMEL公司推出的51系列8位單片機(jī)。片內(nèi)主要有20KFlash存儲(chǔ)器、256字節(jié)片內(nèi)RAM，4個(gè)8位的雙向可尋址I/O口，1個(gè)全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行接口、3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、多個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。本系統(tǒng)中利用了AT89C55豐富的20K閃存資源永久保存測(cè)量中累計(jì)航程、累計(jì)工作時(shí)間等關(guān)鍵結(jié)果，并利用了其定時(shí)器計(jì)數(shù)器及中斷嵌套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集。?
在本系統(tǒng)中，T0、T1均工作在計(jì)數(shù)方式，T0產(chǎn)生1s計(jì)數(shù)中斷，T1完成壓差傳感器轉(zhuǎn)換的頻率計(jì)數(shù)。INT0被用于按鍵中斷處理，TXD串行發(fā)送計(jì)程儀的速度信息，波特率為4800。X1、X2外接8MHz的石英晶體。P1口各位分別完成發(fā)送顯示碼、測(cè)速/航行判斷等功能，P2口部分參與地址譯碼，同時(shí)P0口分時(shí)輸出數(shù)據(jù)/地址低8位。
1.3.2 ICL7109
ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分式12位模/數(shù)變換器。該芯片由模擬電路和數(shù)字電路兩部分組成，其中模擬電路由模擬信號(hào)輸入、振蕩電路、積分、比較電路和基準(zhǔn)電壓源組成。數(shù)字電路由時(shí)鐘振蕩器、異步通信握手邏輯、轉(zhuǎn)換控制邏輯、計(jì)數(shù)器、鎖存器、三態(tài)門組成。
ICL7109工作電壓為雙電源±5V，GND為公共端，外接6MHz的晶振，基準(zhǔn)電壓為外部分壓輸入的2.8V；接口方式為直接輸出方式，數(shù)據(jù)輸出為12位二進(jìn)制數(shù)和一位極性，12位A/D轉(zhuǎn)換通過控制高低字節(jié)使能端實(shí)現(xiàn)，分時(shí)讀出低8位和高4位。
1.3.3 AD652
AD652是一種高速、高精度、同步I/F轉(zhuǎn)換器；用外接時(shí)鐘脈沖決定滿量程頻率，并允許電壓或電流輸入。本系統(tǒng)中AD652的功能是將壓差傳感器的4～20mA的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸出給CPU，CPU再根據(jù)AD652的工作時(shí)鐘解算出當(dāng)前速度值。AD65
2工作電壓為雙電源±15V，工作時(shí)鐘由單片機(jī)的晶振輸出經(jīng)54LS393分頻獲得，AD652輸出脈沖由AT89C55的T1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為1s。
1.3.4 8155
8155除有三個(gè)I/O端口(A口、B口、C口)外，還帶有一個(gè)256字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存貯器和一個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。具有一塊芯片多種功能的特點(diǎn)。另外，8155和單片機(jī)的連接十分簡(jiǎn)單，甚至不需要8D鎖存器。本系統(tǒng)利用8155構(gòu)成鍵盤顯示電路。?
2計(jì)程儀軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)值逼近及多種濾波算法，并在充分利用CPU功能的前提下，盡量減少硬件數(shù)量。除合理選擇硬件外，軟件上采取抗干擾陷阱與冗余處理，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
計(jì)程儀的工作程序用匯編語言編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)方法，便于使用維護(hù)與擴(kuò)展。計(jì)程儀軟件主要分為自檢模塊、管理模塊、航速航程解算模塊和測(cè)速校正等模塊，各模塊主要以中斷方式調(diào)用。計(jì)程儀的基本工作程序框圖如圖3所示。當(dāng)電源開關(guān)閉合后，儀器的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開始自檢，主儀器及分顯示器上將顯示自檢的結(jié)果；自檢完畢后便開始對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置；初始化設(shè)置完畢后，定時(shí)器并未開始計(jì)時(shí)，而必須等到啟動(dòng)中斷后才開始計(jì)時(shí)工作。此時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處于一種等待狀態(tài)，等待定時(shí)或按鈕所產(chǎn)生的中斷發(fā)生。中斷部分完成航速航程計(jì)算和發(fā)送，流程圖如圖3所示。
3結(jié)束語
本航星計(jì)程儀系統(tǒng)采用了雙傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)船舶航速的連續(xù)測(cè)量并按一定的軟件算法計(jì)算航程；具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性高、工作穩(wěn)定和性價(jià)比較高等特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代化艦船的需求。由于使用了AT89C55單片機(jī)等，使得該系統(tǒng)具有一定的可再開發(fā)性。目前該計(jì)程儀已批量生產(chǎn)，并安裝于多種船舶上。?
參考文獻(xiàn)?
［1］趙負(fù)圖.傳感器集成電路手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
［2］鄔寬明.單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)——數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊(cè)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.
［3］薛棟梁.MCS?51/151/251單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.,
1 計(jì)程儀硬件設(shè)計(jì)
該計(jì)程儀系統(tǒng)由主儀器、電磁傳感器、壓差式傳感器、船底閥、導(dǎo)壓桿、可由用戶擴(kuò)充的分顯示器和一套開關(guān)分配器等部分組成(圖1)。本系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是采用了雙傳感器組合結(jié)構(gòu)：分別利用電磁傳感器和壓差式傳感器(利用貝努利方程原理)來測(cè)量船舶與水之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，并由其計(jì)算與記錄船舶的航程。
1.1
技術(shù)性能
(1)測(cè)速范圍：-10節(jié)～+40節(jié)(量程更改可由程序設(shè)定)；(2)航速精度(測(cè)速場(chǎng)精度)：±0.20節(jié)；(3)航速發(fā)送形式：RS-485；(4)單次航程范圍：0～9999.99海里；(5)累計(jì)航程范圍：0～999999海里；(6)工作時(shí)間累計(jì)范圍：0～99999小時(shí)；(7)航程解算精度：±0.1％(負(fù)速度不計(jì)航程)。?
1.2 主儀器工作原理
主儀器是一個(gè)以MCS-51單片微計(jì)算機(jī)為核心的專用微機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示。它包括：直流電源裝置，鍵盤輸入與顯示裝置，及由CPU、EPROM、EEPROM及專用接口電路組成的單片機(jī)裝置。主儀器是計(jì)程儀的核心部分，其面板上裝有各種操作按鈕，用以控制整個(gè)儀器的運(yùn)行，完成測(cè)速校正操作。
主儀器采用中斷方式實(shí)現(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集控制，其中定時(shí)器周期性地產(chǎn)生中斷信號(hào)申請(qǐng)中斷，中斷服務(wù)程序接收電磁傳感器和壓差傳感器輸出的電信號(hào)，然后A/D轉(zhuǎn)換裝置和I/F轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送至微機(jī)系統(tǒng)；按一定的計(jì)算公式進(jìn)行數(shù)椐處理，并按調(diào)整后的曲線進(jìn)行修正，以得到船舶的速度，再根據(jù)時(shí)間間隔的大小進(jìn)行數(shù)值積分來求得航程。計(jì)算機(jī)將求得的航速信息以適當(dāng)?shù)男问酵ㄟ^各相應(yīng)的接口電路送到各用戶和分顯示器，完成航速航程的顯示。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的EEPROM可以永久性地保存諸如累計(jì)航程、累計(jì)工作時(shí)間、速度調(diào)整參數(shù)等結(jié)果。
1.3 主要芯片及其系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)中主要采用了AT89C55、ICL7109和AD652等芯片，簡(jiǎn)介如下：
1.3.1 AT89C55
AT89C55芯片是由ATMEL公司推出的51系列8位單片機(jī)。片內(nèi)主要有20KFlash存儲(chǔ)器、256字節(jié)片內(nèi)RAM，4個(gè)8位的雙向可尋址I/O口，1個(gè)全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行接口、3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、多個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。本系統(tǒng)中利用了AT89C55豐富的20K閃存資源永久保存測(cè)量中累計(jì)航程、累計(jì)工作時(shí)間等關(guān)鍵結(jié)果，并利用了其定時(shí)器計(jì)數(shù)器及中斷嵌套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集。?
在本系統(tǒng)中，T0、T1均工作在計(jì)數(shù)方式，T0產(chǎn)生1s計(jì)數(shù)中斷，T1完成壓差傳感器轉(zhuǎn)換的頻率計(jì)數(shù)。INT0被用于按鍵中斷處理，TXD串行發(fā)送計(jì)程儀的速度信息，波特率為4800。X1、X2外接8MHz的石英晶體。P1口各位分別完成發(fā)送顯示碼、測(cè)速/航行判斷等功能，P2口部分參與地址譯碼，同時(shí)P0口分時(shí)輸出數(shù)據(jù)/地址低8位。
1.3.2 ICL7109
ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分式12位模/數(shù)變換器。該芯片由模擬電路和數(shù)字電路兩部分組成，其中模擬電路由模擬信號(hào)輸入、振蕩電路、積分、比較電路和基準(zhǔn)電壓源組成。數(shù)字電路由時(shí)鐘振蕩器、異步通信握手邏輯、轉(zhuǎn)換控制邏輯、計(jì)數(shù)器、鎖存器、三態(tài)門組成。
ICL7109工作電壓為雙電源±5V，GND為公共端，外接6MHz的晶振，基準(zhǔn)電壓為外部分壓輸入的2.8V；接口方式為直接輸出方式，數(shù)據(jù)輸出為12位二進(jìn)制數(shù)和一位極性，12位A/D轉(zhuǎn)換通過控制高低字節(jié)使能端實(shí)現(xiàn)，分時(shí)讀出低8位和高4位。
1.3.3 AD652
AD652是一種高速、高精度、同步I/F轉(zhuǎn)換器；用外接時(shí)鐘脈沖決定滿量程頻率，并允許電壓或電流輸入。本系統(tǒng)中AD652的功能是將壓差傳感器的4～20mA的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸出給CPU，CPU再根據(jù)AD652的工作時(shí)鐘解算出當(dāng)前速度值。AD65
2工作電壓為雙電源±15V，工作時(shí)鐘由單片機(jī)的晶振輸出經(jīng)54LS393分頻獲得，AD652輸出脈沖由AT89C55的T1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為1s。
1.3.4 8155
8155除有三個(gè)I/O端口(A口、B口、C口)外，還帶有一個(gè)256字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存貯器和一個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。具有一塊芯片多種功能的特點(diǎn)。另外，8155和單片機(jī)的連接十分簡(jiǎn)單，甚至不需要8D鎖存器。本系統(tǒng)利用8155構(gòu)成鍵盤顯示電路。?
2計(jì)程儀軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)值逼近及多種濾波算法，并在充分利用CPU功能的前提下，盡量減少硬件數(shù)量。除合理選擇硬件外，軟件上采取抗干擾陷阱與冗余處理，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
計(jì)程儀的工作程序用匯編語言編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)方法，便于使用維護(hù)與擴(kuò)展。計(jì)程儀軟件主要分為自檢模塊、管理模塊、航速航程解算模塊和測(cè)速校正等模塊，各模塊主要以中斷方式調(diào)用。計(jì)程儀的基本工作程序框圖如圖3所示。當(dāng)電源開關(guān)閉合后，儀器的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開始自檢，主儀器及分顯示器上將顯示自檢的結(jié)果；自檢完畢后便開始對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置；初始化設(shè)置完畢后，定時(shí)器并未開始計(jì)時(shí)，而必須等到啟動(dòng)中斷后才開始計(jì)時(shí)工作。此時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處于一種等待狀態(tài)，等待定時(shí)或按鈕所產(chǎn)生的中斷發(fā)生。中斷部分完成航速航程計(jì)算和發(fā)送，流程圖如圖3所示。
3結(jié)束語
本航星計(jì)程儀系統(tǒng)采用了雙傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)船舶航速的連續(xù)測(cè)量并按一定的軟件算法計(jì)算航程；具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性高、工作穩(wěn)定和性價(jià)比較高等特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代化艦船的需求。由于使用了AT89C55單片機(jī)等，使得該系統(tǒng)具有一定的可再開發(fā)性。目前該計(jì)程儀已批量生產(chǎn)，并安裝于多種船舶上。?
參考文獻(xiàn)?
［1］趙負(fù)圖.傳感器集成電路手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
［2］鄔寬明.單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)——數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊(cè)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.
［3］薛棟梁.MCS?51/151/251單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.,
