雙傳感器的航星計程儀測試系統(tǒng)
在航海系統(tǒng)中,采用計程儀連續(xù)測量運動中船舶的速度并計算出船舶的累計航程。本文所設(shè)計的計程儀系統(tǒng)采用雙傳感器組合結(jié)構(gòu),并結(jié)合微處理機技術(shù)(選用了mcs-51系列單片機及與之配套的專用接口芯片),組成了計程儀專用計算機系統(tǒng)。儀器結(jié)構(gòu)簡單,體積小,精度高,操作調(diào)整方便。它能方便地進行數(shù)字通訊;根據(jù)實際需要,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化的需求。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/21598.htm1 計程儀硬件設(shè)計
該計程儀系統(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)來測量船舶與水之間的相對運動速度,并由其計算與記錄船舶的航程。
1.1
技術(shù)性能
(1)測速范圍:-10節(jié)~+40節(jié)(量程更改可由程序設(shè)定);(2)航速精度(測速場精度):±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)累計航程范圍:0~999999海里;(6)工作時間累計范圍:0~99999小時;(7)航程解算精度:±0.1%(負(fù)速度不計航程)。
1.2 主儀器工作原理主儀器是一個以mcs-51單片微計算機為核心的專用微機系統(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裝置。主儀器是計程儀的核心部分,其面板上裝有各種操作按鈕,用以控制整個儀器的運行,完成測速校正操作。
主儀器采用中斷方式實現(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集控制,其中定時器周期性地產(chǎn)生中斷信號申請中斷,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,然后a/d轉(zhuǎn)換裝置和i/f轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送至微機系統(tǒng);按一定的計算公式進行數(shù)椐處理,并按調(diào)整后的曲線進行修正,以得到船舶的速度,再根據(jù)時間間隔的大小進行數(shù)值積分來求得航程。計算機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。計算機系統(tǒng)中的eeprom可以永久性地保存諸如累計航程、累計工作時間、速度調(diào)整參數(shù)等結(jié)果。
1.3 主要芯片及其系統(tǒng)功能簡介
本系統(tǒng)中主要采用了at89c55、icl7109和ad652等芯片,簡介如下:
1.3.1 at89c55
at89c55芯片是由atmel公司推出的51系列8位單片機。片內(nèi)主要有20kflash存儲器、256字節(jié)片內(nèi)ram,4個8位的雙向可尋址i/o口,1個全雙工uart(通用異步接收發(fā)送器)的串行接口、3個16位的定時器/計數(shù)器、多個優(yōu)先級的嵌套中斷結(jié)構(gòu),以及一個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。本系統(tǒng)中利用了at89c55豐富的20k閃存資源永久保存測量中累計航程、累計工作時間等關(guān)鍵結(jié)果,并利用了其定時器計數(shù)器及中斷嵌套結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集。
在本系統(tǒng)中,t0、t1均工作在計數(shù)方式,t0產(chǎn)生1s計數(shù)中斷,t1完成壓差傳感器轉(zhuǎn)換的頻率計數(shù)。int0被用于按鍵中斷處理,txd串行發(fā)送計程儀的速度信息,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、測速/航行判斷等功能,p2口部分參與地址譯碼,同時p0口分時輸出數(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)字電路由時鐘振蕩器、異步通信握手邏輯、轉(zhuǎn)換控制邏輯、計數(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)使能端實現(xiàn),分時讀出低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的電信號轉(zhuǎn)換成頻率信號輸出給cpu,cpu再根據(jù)ad652的工作時鐘解算出當(dāng)前速度值。ad65
2工作電壓為雙電源±15v,工作時鐘由單片機的晶振輸出經(jīng)54ls393分頻獲得,ad652輸出脈沖由at89c55的t1計數(shù),計數(shù)時間間隔為1s。
1.3.4 8155
8155除有三個i/o端口(a口、b口、c口)外,還帶有一個256字節(jié)的靜態(tài)隨機存貯器和一個14位定時/計數(shù)器。具有一塊芯片多種功能的特點。另外,8155和單片機的連接十分簡單,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計程儀軟件設(shè)計
在軟件設(shè)計中,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)計方法,便于使用維護與擴展。計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速校正等模塊,各模塊主要以中斷方式調(diào)用。計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,儀器的專用計算機系統(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計算機系統(tǒng)進行初始化設(shè)置;初始化設(shè)置完畢后,定時器并未開始計時,而必須等到啟動中斷后才開始計時工作。此時計算機系統(tǒng)處于一種等待狀態(tài),等待定時或按鈕所產(chǎn)生的中斷發(fā)生。中斷部分完成航速航程計算和發(fā)送,流程圖如圖3所示。
3結(jié)束語本航星計程儀系統(tǒng)采用了雙傳感器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)船舶航速的連續(xù)測量并按一定的軟件算法計算航程;具有硬件電路簡單、可靠性高、工作穩(wěn)定和性價比較高等特點,適應(yīng)現(xiàn)代化艦船的需求。由于使用了at89c55單片機等,使得該系統(tǒng)具有一定的可再開發(fā)性。目前該計程儀已批量生產(chǎn),并安裝于多種船舶上。
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