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基于總線(xiàn)的分布式水下航行器控制器設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2013-10-21 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
水下自主航行器是可移動(dòng)水下探測(cè)和水下作業(yè)工程裝備的統(tǒng)稱(chēng),是進(jìn)行海洋考察與開(kāi)發(fā)的重要工具。它能夠完成水下地形勘探、偵測(cè)、水下危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等任務(wù)。它的控制器是其硬件的重要組成部分,其主要作用是根據(jù)其使命任務(wù)對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的部分或全部進(jìn)行控制,使其按規(guī)定的軌跡航行,并保證AUV運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,滿(mǎn)足AUV動(dòng)態(tài)精度要求,其性能直接影響到AUV的總體性能。隨著AUV技術(shù)的發(fā)展,對(duì)控制器提出了高可靠性、高實(shí)時(shí)性、精確定位、精確控制、維護(hù)簡(jiǎn)單等要求。本文提出了一種基于總線(xiàn)的分布式控制器的設(shè)計(jì)方案,主要目的是實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的系統(tǒng),減少中央處理機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷,將大量數(shù)據(jù)處理和分析在現(xiàn)場(chǎng)完成。該方案設(shè)計(jì)的控制器具有完善的智能控制和通訊功能,所選的,相比其他總線(xiàn)協(xié)議,軟硬件技術(shù)成熟、安全可靠、傳輸速度快且成本低廉、易于擴(kuò)展和維護(hù)。

1 控制器的組成結(jié)構(gòu)
控制器由MCU最小系統(tǒng)(JTAG電路、復(fù)位電路)、外擴(kuò)Flash存儲(chǔ)模塊、I/O接口、隔離電路模塊、通訊電路等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個(gè)控制器包含4大部分,第一是MCU最小控制系統(tǒng),包括復(fù)位電路和JTAG調(diào)試電路。第二是數(shù)據(jù)采集部分,I/O接口和RS2 32串行接口用于與水下各種傳感器相連接,收集傳感器發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并傳輸至MCU進(jìn)行分析融合。有的傳感器送出的是模擬形式的信號(hào),還要使用AD/DA轉(zhuǎn)換模塊加以轉(zhuǎn)換后再進(jìn)入處理中心。數(shù)據(jù)采集部分還包括一個(gè)溫度數(shù)據(jù)收集電路,用作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。第三是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,主要用于存儲(chǔ)和輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在運(yùn)行過(guò)程中記錄航行數(shù)據(jù),也可用于調(diào)試目的。第四是通訊部分,主要包括接口電路,用于與其他節(jié)點(diǎn)之間互相傳輸被控過(guò)程的數(shù)據(jù)和其他控制命令。

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2 MCU最小控制系統(tǒng)
文中采用基于7-TDMI架構(gòu)的NXP2478嵌入式微控制器作為主控計(jì)算機(jī)。NXP2478以7為內(nèi)核,它包括一個(gè)10/100以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(MAC)、1個(gè)帶4 kB終端RAM的USB全速設(shè)備/主機(jī)/OTG控制器、4個(gè)UART、兩路CAN通道、1個(gè)SPI接口、兩個(gè)同步串行端口、3個(gè)I2C接口和1個(gè)I2S接口。同時(shí)還帶有一個(gè)4 MHz的片內(nèi)振蕩器、98 kB RAM,以及一個(gè)外部存儲(chǔ)器控制器來(lái)支持上述的各種串行通信接口。以NXP2478為核心的最小系統(tǒng)主要包括電源模塊、復(fù)位電路和JTAG模塊,電源模塊實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能:1)電壓轉(zhuǎn)換功能,將輸入為5 V電平的電壓降至NXP2478的3.3 V工作電壓。2)穩(wěn)壓穩(wěn)流功能,微控制器需要紋波比較小的穩(wěn)定電壓供電,電壓如果突然下降往往會(huì)引起程序的跑飛,因此,必須要有專(zhuān)門(mén)的電路來(lái)穩(wěn)定工作電壓。一般通過(guò)并聯(lián)大電阻來(lái)穩(wěn)定工作電壓。復(fù)位電路則可以采用自帶看門(mén)狗功能的復(fù)位芯片來(lái)完成。主要實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位、掉電復(fù)位、人工復(fù)位等功能??撮T(mén)狗電路可以在程序跑飛時(shí)提供自動(dòng)復(fù)位的保護(hù)措施。JTAG電路主要實(shí)現(xiàn)程序的在線(xiàn)仿真和燒寫(xiě)功能。其電路如圖2所示。

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3 數(shù)據(jù)采集電路
數(shù)據(jù)采集是指從傳感器中獲取現(xiàn)場(chǎng)信息的過(guò)程。水下航行器控制器所用到的主要是GPS、MTI姿態(tài)傳感器、深度等傳感器。傳感器輸出信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)大多是RS232/485標(biāo)準(zhǔn).有些傳感器的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換。因此數(shù)據(jù)采集電路主要包括RS232/485、I/O接口電路、AD/DA轉(zhuǎn)換電路和隔離電路。NXP2478自身帶有4個(gè)串行端口,其中有一個(gè)為9線(xiàn)制端口,有完整的握手信號(hào)。但這些端口的工作電平為0~3.3 V。而RS232的電壓約為±12 V左右,所以需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片,這里采用常用的MAX232芯片。I/O接口電路也需要進(jìn)行兼容電平的轉(zhuǎn)換,外部開(kāi)關(guān)信號(hào)可能電壓幅度比較大,采用隔離芯片既可以保護(hù)外部信號(hào)串?dāng)_對(duì)控制器的影響,又可以起到電平兼容的作用。I/O隔離模塊如圖3所示。

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溫度監(jiān)控作為數(shù)據(jù)采集的一部分,用作檢測(cè)控制器運(yùn)行時(shí)的溫度狀態(tài),并提供報(bào)警功能。本文采用DS18B20作為溫度數(shù)據(jù)傳感器,DS18B 20是一種在分布式溫度控制系統(tǒng)中廣泛使用的直接輸出數(shù)字信號(hào)的溫度傳感器,輸出數(shù)據(jù)遵從one-wire bus協(xié)議。其采集溫度的范圍從-55攝氏度到125攝氏度,輸出的數(shù)字信號(hào)可直接進(jìn)入MCU的I/O口中。DS18B20只有三根信號(hào)線(xiàn):地線(xiàn),電源線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)。因此其接口電路非常簡(jiǎn)單,將數(shù)據(jù)線(xiàn)直接接入MCU的GPIO口即可。


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