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(海軍工程大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院 武漢 430033)

傳統(tǒng)消磁系統(tǒng)認(rèn)為艦船固定磁場在一定范圍內(nèi)是不發(fā)生變化的，所以只采用開環(huán)控制方式，即只給出一個固定的電流來補(bǔ)償固定磁場。但是，實(shí)踐證明，固定磁場可以隨著地球磁場的長期作用、海浪對艦船的沖擊、艦船上設(shè)備的改變、武器發(fā)射等情況發(fā)生變化。因此，隨著磁性水雷的精度越來越高，國外磁性探潛設(shè)備對潛艇搜尋能力的提高，傳統(tǒng)的開環(huán)消磁系統(tǒng)已不能滿足艦船磁場隱身的要求。閉環(huán)消磁系統(tǒng)能實(shí)時測量艦船固定磁場的變化，并通過測得的變化量實(shí)時改變閉環(huán)消磁系統(tǒng)中的電流大小，以達(dá)到補(bǔ)償固定磁場的目的。這樣可以進(jìn)一步減小艦船磁場，從而使磁性水雷失效，或者超出磁性探潛設(shè)備對潛艇的搜尋范圍。本文對閉環(huán)消磁系統(tǒng)的核心部分閉環(huán)消磁電流控制儀進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。

1 硬件介紹

系統(tǒng)的硬件組成見圖1。

圖1 硬件組成

本文采用ARM2748作為閉環(huán)消磁電流控制儀的主控芯片，用周立功公司生產(chǎn)的SmartARM2400工控開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)。以太網(wǎng)訪問控制器(MAC)已經(jīng)在LPC2478中集成，是一個功能齊全的10/100 Mb/s以太網(wǎng)MAC。以太網(wǎng)PHY收發(fā)器采用KSZ8041NL單芯片以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，它具有功耗低、體積小、波形穩(wěn)定、價格便宜等特點(diǎn)。片外存儲器采用16位存儲器(NORFlash)SST39VF1601，其大小為1 Mb[1]。

閉環(huán)消磁電流控制儀主要完成3個功能：采集內(nèi)部磁場、計(jì)算外部磁場和計(jì)算外部補(bǔ)償電流。其主要工作流程如下。

首先從測磁儀讀取磁場值，計(jì)算出潛艇內(nèi)部磁場變化量，通過內(nèi)外磁場換算法計(jì)算出外部磁場變化量；然后算出外部補(bǔ)償電流的變化量，將該變化量發(fā)送給數(shù)控電源，數(shù)控電源輸出對應(yīng)的電流，達(dá)到補(bǔ)償磁場變化量的目的。

2 uC/OS-Ⅱ軟件系統(tǒng)介紹

本文采用uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)。

2.1 uC/OS-Ⅱ的移植

實(shí)驗(yàn)使用的是uCOS-ⅡV2.52版本，其嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)與硬件的關(guān)系見圖2。

圖2 uC/OS-Ⅱ體系結(jié)構(gòu)

通過裁剪之后的uC/OS-Ⅱ微小內(nèi)核源代碼分為3部分[2]。

1)內(nèi)核代碼。內(nèi)核代碼僅提供了4個微小內(nèi)核，分別位于sourceSOURCE1、sourceSOURCE2、sourceSOURCE3和sourceSOURCE4。它們的功能依次增強(qiáng)，代碼也依次增大。

2)移植代碼。將uC/OS-Ⅱ移植到LPC2478處理器上，需要修改四個與ARM體系有關(guān)的文件。分別為OS_CPU_C.C，OS_CPU_a.S, OS_CPU.H和IRQ.INC。

①OS_CPU_C.C：移植代碼C語言部分；

②OS_CPU_a.S：移植代碼匯編語言部分；

③OS_CPU.H：移植代碼頭文件；

④RQ.INC：移植代碼與芯片無關(guān)的中斷處理接口程序。

3)配置文件。配置文件是每個uC/OS-Ⅱ程序必備的文件，而且不同的程序一般不一樣，但大小基本上相同。配置文件分別為INCLUDES.H和OS_CFG.H。

①INCLUDES.H：內(nèi)核需要的頭文件，對于特定的移植，一般不需要改變；

②OS_CFG.H：內(nèi)核配置的頭文件，一般需要根據(jù)程序的需求修改其常量的內(nèi)容。

2.2 uC/OS-Ⅱ中的任務(wù)簡述

uC/OS-Ⅱ是實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以獨(dú)立并行執(zhí)行多個任務(wù)。通常將獨(dú)立且并行執(zhí)行的程序稱為任務(wù)，也就是說任務(wù)是可以被分割為獨(dú)立的且可并行執(zhí)行的基本邏輯單位程序。一個任務(wù)的程序是順序執(zhí)行的，而不同任務(wù)的程序卻是并行執(zhí)行的。因此要把一個程序稱為任務(wù)，必須滿足兩個條件：獨(dú)立、并行執(zhí)行。

獨(dú)立的具體含義是指任務(wù)不能彼此直接調(diào)用，也不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

如圖3所示，task0和task1之間沒有相互直接調(diào)用，之間的數(shù)據(jù)交換是通過內(nèi)核來完成的，這時可以把task0和task1作為任務(wù)。任務(wù)在宏觀上是并行執(zhí)行的，一個任務(wù)需要另一個任務(wù)協(xié)助時，需將自己的請求通過系統(tǒng)調(diào)用提交給內(nèi)核，另一個任務(wù)可以通過系統(tǒng)調(diào)用從內(nèi)核獲得這些請求，然后完成這個請求。

圖3 獨(dú)立的任務(wù)結(jié)構(gòu)

圖4 任務(wù)的并行執(zhí)行

見圖4，如果左側(cè)圖中每個任務(wù)都存在一個CPU，則所有的任務(wù)都可以實(shí)現(xiàn)并行處理，但這是不可能實(shí)現(xiàn)的。真實(shí)的情況如右側(cè)圖所示，CPU只有一個，但可以認(rèn)為uC/OS-Ⅱ?yàn)槊總€任務(wù)虛擬了一個CPU。因此在對多任務(wù)進(jìn)行編程時，應(yīng)該時刻注意這個細(xì)節(jié)。

綜上所述，任務(wù)是指程序員編寫的應(yīng)用軟件程序，它與以往編寫的程序沒有太大的區(qū)別，但它是在內(nèi)核下被分割為獨(dú)立且可并行執(zhí)行的基本邏輯單位的程序,這是它的最大特點(diǎn)。

3 程序設(shè)計(jì)和算法介紹

由于uC/OS-Ⅱ是多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此需要建立幾個關(guān)鍵的任務(wù)。

1)建立兩個按鍵任務(wù)，分別是Start_Stop和Rerserve_Data。其中開始和暫停功能在Start_Stop任務(wù)中描述。

2)將接收的數(shù)據(jù)保存到片外存儲器NORFlah中的功能在Rerserve_Data任務(wù)中實(shí)現(xiàn)。

3)建立一個UDP接收數(shù)據(jù)的任務(wù)UDP_test，這個任務(wù)的功能是采集磁場，即等待磁場數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸過來，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作，以便下一步將數(shù)據(jù)寫入NORFlash中。

4)建立一個初始化任務(wù)，分別對ARM的IP地址、端口號，UDP協(xié)議，ARP協(xié)議，以太網(wǎng)底層功能等進(jìn)行初始化。

5)建立一個計(jì)算補(bǔ)償電流的任務(wù)Count_I,這個任務(wù)的功能是計(jì)算外部磁場的變化量和計(jì)算外部補(bǔ)償電流的變化量。

采用文獻(xiàn)[3]所介紹的內(nèi)外磁場換算算法來計(jì)算外部磁場變化量，用到的公式為[3]

SF=(ΔNTΔN)-1ΔNT(ΔHn)h+1

(1)

(△Hw)h+1=△W×SF

(2)

式中：△N——內(nèi)部磁場變化量矩陣，這個矩陣的數(shù)據(jù)已經(jīng)存入磁場數(shù)據(jù)庫中；

△W——外部磁場變化量矩陣，已經(jīng)存入磁場數(shù)據(jù)庫中；

△Hn——單次內(nèi)部磁場變化量矩陣，可以通過改變潛艇磁場獲得；

△Hw——單次外部磁場變化量矩陣，就是最后需要的數(shù)據(jù)。

計(jì)算外部補(bǔ)償電流變化量時，用到的公式為

G×I=-b

(3)

式中：G——線圈效率矩陣；

I——線圈電流矩陣；

b——外部各個測量點(diǎn)的磁場矩陣。

由于測量點(diǎn)數(shù)大于可以通的電流數(shù)，相當(dāng)于求解一個不相容的方程組。因此采用矩陣形式的最小二乘法來求解[4]。

設(shè)已給不相容實(shí)系數(shù)線性方程組(即無解的線性方程組)

A×X=B

(4)

那么它的最小二乘解所滿足的代數(shù)方程為

AT×A×X=AT×B

(5)

式(5)是一個線性方程組，系數(shù)矩陣為ATA，常數(shù)項(xiàng)為ATB。

將式(3)代入式(4)，然后按照式(5)計(jì)算，就可以得到各個線圈中應(yīng)該通的電流大小。計(jì)算外部補(bǔ)償電流的變化量時，只需把式(1) 的△Hn代入式(3)中的b即可。

具體軟件流程見圖5。

線圈效率已經(jīng)測量出來。因?yàn)槠獯鎯ζ?NORFlash)SST39VF1601是16位存儲器，因此在寫入數(shù)據(jù)時要注意存儲地址及數(shù)據(jù)的存儲位置。比如，LPC2478是小端存儲器系統(tǒng)，16位數(shù)據(jù)的高8位存儲在高地址，低8位存儲在低地址。

經(jīng)過實(shí)際操作，磁場數(shù)據(jù)的采集和存儲可以很順利地完成，外部補(bǔ)償電流也能實(shí)時輸出，并且可以實(shí)時根據(jù)外部磁場的變化，外部補(bǔ)償電流實(shí)時發(fā)生變化，實(shí)時性基本達(dá)到了要求。補(bǔ)償后的磁場也在很小的范圍內(nèi)，達(dá)到了閉環(huán)消磁的技術(shù)要求。

圖5 閉環(huán)消磁過程流程

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，系統(tǒng)實(shí)時性達(dá)到了要求，補(bǔ)償誤差都在10%以內(nèi)。而且加入了uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，使得軟件編程簡化，程序模塊化和可視化程度增強(qiáng)。后期準(zhǔn)備加入液晶顯示模塊，可以很方便地實(shí)時觀察測得的磁場數(shù)據(jù)以及補(bǔ)償后的效果等。

[1] 周立功．深入淺出ARM7-LPC2400[M].上冊．廣州：廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2008．

[2] 周立功．uC/OS-Ⅱ微小內(nèi)核分析與程序設(shè)計(jì)-基于LPC2400[M]．廣州：廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2008．

[3] 王 鯨，劉勝道，蘇廣東．一種潛艇內(nèi)外磁場換算算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2010，22(1)：83-86．

[4] 羅家洪，方衛(wèi)東．矩陣分析引論[M]．4版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.