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(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

隨著計算機技術的發(fā)展、船舶自動化程度的提高，船載儀表系統(tǒng)也由過去的機械儀表向電子式儀表(EFIS)發(fā)展。但現(xiàn)在還在使用期的早期建造的船舶大部分是采用模擬信號設備；有些設備雖然采用了數(shù)字信號，但也沒有統(tǒng)一的標準。為提高這些早期船舶的自動化程度，需要解決模擬信號數(shù)字化以及信號標準統(tǒng)一的問題。國內(nèi)開發(fā)了ZSZ系列自整角機/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，ZSZ系列轉(zhuǎn)換器是一種采用跟蹤技術和模塊化結(jié)構(gòu)的自整角機/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它采用二階伺服回路，輸出與TTL電平兼容的并行二進制碼，與美國AD公司的ADC1700系列轉(zhuǎn)換器完全兼容。

但是，這些接口只能采集轉(zhuǎn)換一路信號或一種信號，并且輸出信號的通訊格式不是標準的NMEA-0183格式信號(即ASCⅡ碼)。據(jù)此，筆者選擇船舶上應用比較廣泛、比較重要的步進電機信號和自整角機信號作為對象，以AT89C51單片機為核心芯片，設計一款采集和處理這兩種信號的多路轉(zhuǎn)換接口。

1 硬件設計

系統(tǒng)硬件原理框圖見圖1。

由自整角機信號和步進信號的前置電路、8路采樣和保持器、多路轉(zhuǎn)換開關、12位AD574逐位直流到數(shù)字轉(zhuǎn)換器、單片機AT89C52等組成多路信號采集與處理系統(tǒng)。自整角機、步進電機的信號經(jīng)過各自前置處理電路后，送入單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的實時處理，然后經(jīng)串口向外輸出符合NMEA-0183或者IEC-61162格式的標準信號。

1.1 自整角機信號處理

自整角機各路信號經(jīng)同步采樣保持后，由單片機89C51控制多路轉(zhuǎn)換開關選擇通道和啟動AD574；信號經(jīng)12位AD574逐位直流到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量。12位數(shù)據(jù)分兩個8位送出，先送高8位，后送低4位。

自整角機信號處理由信號比較和信號整形兩部分組成，對自整角同步發(fā)送機送出的模擬信號進行衰減、鑒零、鑒相、整形處理。信號處理部分最重要的是自整角機機械角到數(shù)字角的轉(zhuǎn)換。

自整角機必須經(jīng)過正余弦變壓器，把輸入的信號轉(zhuǎn)換為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出方式，同時使輸出的正弦和余弦電壓限制在10 V左右[1]。目前多采用電子式正余弦變壓器。圖2為自整角機輸入的正余弦變壓器。

圖2 正余弦信號生成電

電子式正余弦變壓器的兩路輸出為:

(1)

(2)

式中:Us——正弦輸出電壓；

Uc——余弦輸出電壓；

Um——輸入正弦、余弦繞組電壓最大值；

ω——輸出信號的載波頻率，即激磁電壓的角頻率；

θ——轉(zhuǎn)動的機械角度；

Ri——輸入電阻；

Rf——反饋電阻；

K——比例系數(shù)。

正余弦變壓器輸出的信號是以模擬信號表示的機械軸角θ，在數(shù)字隨動系統(tǒng)中，需要將機軸角θ轉(zhuǎn)換成數(shù)字角φ。

由式(1)、(2)可以推出:

(3)

(4)

信號Us，Uc在峰值區(qū)間進行同步采樣和保持，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后變成與電壓成正比的量，由式(4)進行反正切運算，即可解算出數(shù)字角φ[2]。

1.2 步進電機信號處理

步進電機在船舶上應用廣泛，其中步進式分羅經(jīng)就是典型的例子，其功能就是將脈沖信號變換為相應的角位移，即有一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)一個角度。分羅經(jīng)中通常使用的步進電機是每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30°，對應的分羅經(jīng)刻度盤的刻度為1/6°，機分羅經(jīng)轉(zhuǎn)子與分羅經(jīng)刻度盤的齒輪傳動比是180∶1，在1°的航向變化中步進電機S1、S2、S3三個繞組分別為S1、S1S2、S2、S2S3、S3、S3S1呈周期變化，每一步為1/6°，在1°之內(nèi)步進輸出的三個導線上S1、S2、S3電壓信號已經(jīng)是脈沖編碼了。據(jù)此可列真值表1的信號代碼。

表1 葛雷碼真值表

表中：“1”代表高電平(35 V或者70 V)，每個“1”相當于1/6°的航向變化，6個“1”為1°航向變化，相當于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360°。

由表1可知，每兩個相鄰的代碼之間，只有一位數(shù)是不同的。這正好是3位6進制循環(huán)碼(或稱為葛雷碼)，與普通的3位8進制葛雷碼相比，這里缺少“000”和“111”兩個代碼，由真值表1還可以看出，每條輸出線均在相鄰的三個代碼中為高電平，三個相鄰代碼為低電平。

在實際電路中，要考慮電平問題。步進式羅經(jīng)中，三相電路的輸出電平通常是35 V或者70 V。在輸入單片機中時，需要的是TTL電平，即5 V電平。因此需要將35 V和70 V電壓降到5 V，并且考慮噪聲隔離，采用光敏元件作為開關元件。經(jīng)過降壓處理得到TTL電平信號后，該信號由8212鎖存器鎖存，供單片機讀取。

1.3 單片機串口輸出設計

單片機89C51主要完成多路轉(zhuǎn)換開關選擇、數(shù)據(jù)采集、信號格式轉(zhuǎn)換和信號輸出等功能。它的外圍電路主要有時鐘電路和復位電路以及串口輸出轉(zhuǎn)換電路。89C51讀取自整角機或者步進電機信號后，對信號進行數(shù)據(jù)處理。對自整角機信號根據(jù)反正切運算，查表求得自整角機角度數(shù)字信號；對步進式羅經(jīng)信號，查葛雷碼真值表，得到1°以內(nèi)的航向變化量，根據(jù)航向的增減，由原航向加或減該航向的變化量得到實時航向。

不論是自整角機信號還是步進式羅經(jīng)信號，只要有信號變化，單片機就將變化后的信號轉(zhuǎn)換為標準的NMEA-0183格式信號，送單片機串口輸出。串口輸出的通訊協(xié)議標準主要有RS-232C和RS-485，可以分別采用MAX232和MAX483來實現(xiàn)RS-232C和RS-485的接口電路，滿足不同工作場合的需要。

2 軟件設計

系統(tǒng)主程序是一個無限循環(huán)程序，不斷查詢是否有步進電機信號請求采集的信號和自整角機位置信號。當有信號時，調(diào)用相應處理程序進行處理，由串口輸出標準的NMEA-0183格式信號。

2.1 自整角機信號數(shù)字化程序設計

自整角機位置信號數(shù)字化的軟件工作流程為：完成對單片機的初始化；多次進行A/D輸入端短路時的A/D轉(zhuǎn)換，取它們的平均值作為A/D輸入端的零位偏差，供主程序校正；確定分區(qū)，計算K；查表，由K值查到θ的值；將θ值保存在一個約定好的存儲區(qū)中。然后按照NEMA-0183格式把信號傳送到單片機的串口供傳輸。見圖3。

圖3 自整角機位置信號處理流程

2.2 步進電機信號數(shù)字化程序設計

羅經(jīng)接口提供了格雷碼變化的信息后，軟件的任務就是將這種變化轉(zhuǎn)換為相對航向信號，此航向信號以兩字節(jié)二進制數(shù)表示，單位為1/6°。當相對航向在零度附近擺動時，程序要能給出正確的示值。見圖4。

圖4 步進電機位置信號處理流程

2.3 0183格式輸出

NMEA-0183標準中對不同的發(fā)送設備定義了不同的TALKER ID。TALKER ID為兩個字符，共計35個。同時定義了上百個數(shù)據(jù)形式代碼，每個代碼3個字符。數(shù)據(jù)串必須是79個字符或更少。字符采用美國國家標準ASCLL碼[3]。例如步進式電羅經(jīng)的信號格式為：$HEHDT, x.x, T *hh〈CR〉〈LF〉，部分串口通訊顯示見圖5。

$-數(shù)據(jù)串開始；HE-電羅經(jīng)；HDT-真航向；，-數(shù)據(jù)區(qū)定界符；332.7-度數(shù)；T-True；*-校驗和識別碼；2A-校驗和；〈CR〉〈LF〉-數(shù)據(jù)結(jié)束回車換行。圖5 步進式電羅經(jīng)串口通訊

3 結(jié)束語

本設計以單片機作為信號采集與處理核心，根據(jù)自整角機信號和步進電機信號不同的特點分別設計了不同的采集和處理電路。經(jīng)過本系統(tǒng)處理后，不論自整角機信號(模擬信號)還是步進電機信號(數(shù)字信號)，都輸出符合NMEA-0183格式標準的RS-232電平信號，由此解決了船舶設備通訊時的信號不一致問題，提高了船舶的自動化程度，適應了現(xiàn)代航海設備的要求。

[1] 胡 皓,董辰光.自整角機/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其外圍電路設計[J].測控技術,2005，24(5)：90-91.

[2] 高文政.一種軸角到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設計[J].情報指揮控制系統(tǒng)與仿真技術，2002(11)：59-62.

[3] NMEA-0183 V2.20 Standard For Interfacing Marine Electronic Devices[S].National Marine Electronics Association, 1997.