，

(鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶隨動舵是航海模擬訓練器中用來操縱船舶航向的模擬裝置，其設計目標是仿真實際航海舵，自動、連續(xù)、精確地反映船舶航行的方向信號。在操縱過程中，隨動舵不停地轉動，這就要求計算機能夠實時地檢測出方向盤的方向和角度，故筆者采用旋轉編碼器結合CPLD技術實時檢測船舶隨動舵的方向和角度。

1 測量系統(tǒng)的結構組成及工作原理

1.1 測量系統(tǒng)的結構組成

測量系統(tǒng)主要由聯(lián)軸器、增量式旋轉編碼器[1]、計算機系統(tǒng)組成。

用聯(lián)軸器將被測的船舶隨動舵與旋轉編碼器連接，隨動舵往復旋轉時帶動編碼器旋轉，其旋轉時將產(chǎn)生10位二進制數(shù)字信號，也就是編碼器提供的脈沖數(shù)量，通過CPLD技術和預先編寫好的程序將脈沖的數(shù)量累加計算。

1.2 測量系統(tǒng)的工作原理

船舶隨動舵在往復運動過程中，要實時檢測旋轉方向和旋轉角度。隨動舵旋轉的角度由旋轉圈數(shù)產(chǎn)生脈沖和單圈內(nèi)旋轉產(chǎn)生的脈沖累加而得[2]。

增量式旋轉編碼器輸出信號通常有2種形式：單端輸出和雙端輸出。單端輸出指轉軸旋轉時，有相應的一組脈沖輸出，其計數(shù)點(Z相)任意設定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。但不能判斷旋轉的方向，也就不能測出隨動舵在旋轉過程中的方向。雙端輸出的旋轉編碼器則輸出兩組相位相差90°的脈沖(A、B相)，通過這兩組脈沖不僅可以測量單圈內(nèi)旋轉角度，還可以判定旋轉方向。隨動舵在進行多圈旋轉時，編碼器的Z相可以計數(shù)，從而可以準確判定隨動舵的方向、計算轉過的角度。

設計中選用雙端輸出，先判斷旋轉方向，然后判斷轉動的角度。旋轉方向的判斷是采用2個(A、B相)相位差90°的方波編碼方式，由A、B相2個波形的相位差決定，Z相是當旋轉編碼器轉一圈或者回轉時歸零將輸出方波脈沖。

當輸出波形A相超前于輸出波形B相時(圖1a))，認為順時針旋轉，反之，輸出波形A相滯后于輸出波形B相時(圖1b))，認為逆時針旋轉。如果旋轉方向發(fā)生變化時，其輸出信號發(fā)生鏡像翻轉(圖1c))。這樣通過A、B相的先后順序就很容易地判斷出隨動舵的轉動方向。

圖2 芯片設計原理圖

a) A相超前B相

b) A相滯后B相

c) 旋轉方向變化圖1 A、B相關

分辨率是旋轉編碼器的主要參數(shù)，分辨率就是每轉脈沖數(shù)，由編碼器的光柵線數(shù)決定，線數(shù)越多，分辨率越高。本文選用的是每轉1 024個脈沖的編碼器，分辨率為1 024/360°。一般情況下，以A相或者B相中的一相進行脈沖計數(shù)即可得到轉動的角度。如果要求系統(tǒng)精度更高，可以對A、B兩相分別進行計數(shù)，這樣測量的精度可以提高4倍，相當于分辨率為4 096/360°。

2 硬件設計

隨動舵往復旋轉時，編碼器產(chǎn)生的10位二進制數(shù)字信號的計數(shù)由復雜可編程邏輯器CPLD完成。系統(tǒng)選用Altera公司生產(chǎn)的EPM7032SLC44-10芯片，利用軟件MAX+plusII編程實現(xiàn)對芯片的設計，邏輯原理見圖2。

和普通的可編程邏輯器件相比，CPLD具有以下優(yōu)點：操作靈活，使用方便；高性能的邏輯能力；存儲元胞密度高；可靠性好，經(jīng)久耐用；能實現(xiàn)電擦除；能為器件提供快速編程。其設計一般是一種“自上而下”的設計[3]，設計過程包括下面幾個方面：

1) 行為設計。確定所設計的系統(tǒng)或CPLD芯片的功能、性能及允許的芯片面積或成本。

2) 結構設計。根據(jù)該系統(tǒng)或CPLD的特點，將其分解為接口清晰、相互關系明細、盡可能簡單的子系統(tǒng)，得到1個總體結構。這個結構可能包括算術運算單元、控制單元、數(shù)據(jù)通道、各種算術狀態(tài)機等。

3) 邏輯設計。盡可能采用規(guī)則的邏輯結構或采用自己經(jīng)過考驗的邏輯單元或模塊。

4) 電路設計。將邏輯圖轉換成電路圖，在很多情況下，這時需要進行硬件仿真以最終確定邏輯設計的正確性。

最后，將設計好的電路經(jīng)過編譯，形成熔絲文件，將該文件下載到選定的CPLD就成為可以完成固定功能的ASIC了。在整個開發(fā)程序中，利用軟件MAX+plusII編程可完全實現(xiàn)設計和仿真。

圖2中，以A相脈沖數(shù)量來計算旋轉的角度，B相脈沖輔助判斷旋轉方向，Z相脈沖計算旋轉圈數(shù)。當編碼器順時針旋轉時，A相超出B相，A相上升沿到來時B相為低電平，則D觸發(fā)器輸出Q為低電平；當編碼器逆時針旋轉時，A相滯后B相，A相上升沿到來時B相為高電平，則D觸發(fā)器輸出Q為高電平，這樣根據(jù)D觸發(fā)器輸出Q電平的高低可以判定隨動舵的方向了。當隨動舵轉過一圈，Z相就會自動累加一個脈沖。這樣隨動舵轉過的角度就能真實地在航海模擬器中反映出來，指導實際操縱。圖2中相對應的VHDL編程如下：

PROCESS(NA)

BEGIN

IF(NA’ EVENT AND NA=‘1’)THEN

AB <= NB;

END IF

END PROCESS

根據(jù)A、B相變化前后狀態(tài)，可以準確的判定旋轉方向。一圈內(nèi)以A相脈沖數(shù)量計數(shù)的VHDL編程如下：

PROCESS(NA,NB)

BEGIN

IF(NA′ EVENT AND NA=′1′)THEN

IF(NB=′1′)THEN

Counter <= Counter+1;

ELSE

Counter <= Counter-1;

END IF

END IF

END PROCESS

Z相表示多圈的計數(shù)，VHDL編程如下：

PROCESS(Z,AB)

BEGIN

IF(Z′ EVENT AND Z=′1′)THEN

IF(AB=′1′)THEN

Counter <= Counter+1;

ELSE

Counter <= Counter-1;

END IF

END IF

END PROCESS

這樣就完成了方向的判定及編碼器的計數(shù)。運用CPLD技術對編碼器進行判定和計數(shù)時，考慮到旋轉編碼器的控制電源可以在較大范圍內(nèi)變化使用，為了確保系統(tǒng)的安全可靠，必須進行光電隔離[4]。同時為了防止噪聲引起的信號抖動，應采用斯密特觸發(fā)器進行抗抖動和信號處理。

3 軟件控制設計

本系統(tǒng)采用VC++進行軟件編程，在隨動舵的位置狀態(tài)檢測時，初始狀態(tài)設置為0，通過軟件定時掃描，檢測結果隨時傳送給主程序，流程見圖3。

圖3 檢測流程圖

將隨動舵的實時位置狀態(tài)建立強有力的數(shù)據(jù)庫應用程序，采用動態(tài)連接庫(DLL)技術，實現(xiàn)I/O接口函數(shù)的動態(tài)調(diào)用。DLL的代碼在運行時加載，同時被映射到其他進程的地址空間中。這樣就允許幾個不同的進程在內(nèi)存中共享DLL，從而實現(xiàn)代碼的共享和系統(tǒng)的優(yōu)化。這樣實時檢測到的隨動舵的狀態(tài)和航海模擬器的視景系統(tǒng)軟件有機地結合在一起。

4 結束語

利用編碼器測量隨動舵的方向和角度的方法已經(jīng)應用于多套船舶操縱模擬訓練系統(tǒng)中，訓練結果表明，該測試方法能精確的反映出實時航向信號，仿真效果好、工作可靠，顯示出廣泛的應用前景。

[1] 戴新敏,陸 榮.旋轉編碼器的應用[J].科技資訊，2006,23:2.

[2] 于曉東,胡大欣.旋轉編碼器在回轉體角度測量的應用[J].林業(yè)機械與木工設備， 2005, 33(2):67-68.

[3] 何 靜,李清峰.基于CPLD的混合邏輯乘法器的設計[J].微計算機信息，2006,2(2)：244-246.

[4] 賀勝洪,錢學軍.基于CPLD技術的多通道編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表，2003(5)：4-7.