張芊，趙柯

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PCI - 6221 型采集卡在船舶操縱模擬器中的應(yīng)用

張芊，趙柯

（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

介紹AMPCI-9110型數(shù)據(jù)采集卡在船舶操縱模擬器中的應(yīng)用，重點(diǎn)是對(duì)模擬隨動(dòng)舵和模擬羅經(jīng)的控制和數(shù)據(jù)采集，該方案對(duì)船艇操縱模擬器的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

數(shù)據(jù)采集卡 模擬隨動(dòng)舵 模擬羅經(jīng)

0 引言

船舶操縱模擬器是為了適應(yīng)現(xiàn)代航海教育的需求，在充分考慮了船舶模擬訓(xùn)練功能的完善與實(shí)用的基礎(chǔ)上，開發(fā)出的多單元仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。一臺(tái)船舶操縱模擬器模擬一條船，前面板上用一臺(tái)液晶顯示器模擬視景，操作臺(tái)上則分布著操縱設(shè)備。模擬器內(nèi)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)采集左、右車的行車狀態(tài)和舵輪的舵角等各種數(shù)據(jù)來操縱船舶航行，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、分析后，軟件自動(dòng)將船舶的運(yùn)行參數(shù)和航向數(shù)據(jù)等如實(shí)傳送到顯示器上。操作臺(tái)上的操縱設(shè)備，包括操舵裝置（隨動(dòng)舵、應(yīng)急舵）、羅經(jīng)、車鐘、聲號(hào)控制、視景切換等均采用半實(shí)物仿真，利用安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡來完成對(duì)這些操縱設(shè)備狀態(tài)的采集，如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)采集卡簡介

數(shù)據(jù)采集卡是硬件信號(hào)采集與計(jì)算機(jī)軟件處理的紐帶橋梁。NI公司的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡是一款PCI總線通用采集控制板，可直接插入具備PCI插槽的計(jì)算機(jī)，構(gòu)成模擬量電壓信號(hào)、數(shù)字量電壓信號(hào)采集、監(jiān)視輸入和模擬量電壓信號(hào)輸出、數(shù)字量電壓信號(hào)輸出及計(jì)數(shù)定時(shí)系統(tǒng)。PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡為用戶提供了16個(gè)模擬輸入通道；2個(gè)分辨率為16位的模擬輸出通道；雙向24位數(shù)字I/O通道；2個(gè)24位的計(jì)數(shù)器。它功能強(qiáng)大，能滿足本系統(tǒng)工作的需求，且價(jià)格相對(duì)較低，具有很高的性價(jià)比。

2 模擬隨動(dòng)舵的數(shù)據(jù)采集

船舶模擬隨動(dòng)舵的設(shè)計(jì)目的就是仿真實(shí)際航海舵，自動(dòng)、連續(xù)、精確地反映船舶航向的方向信號(hào)。在操縱駕駛的過程中，由于隨動(dòng)舵在不停轉(zhuǎn)動(dòng)，這就要求模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地檢測出舵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度，從而做出正確的操縱響應(yīng)。模擬隨動(dòng)舵由舵輪和舵角指示器兩部分構(gòu)成。舵輪是一個(gè)可以左右無限旋轉(zhuǎn)的圓形輪盤，將一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器用連軸器與舵輪同軸連接，舵輪往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)編碼器同步旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生一組正交脈沖輸出，利用數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器提供的脈沖進(jìn)行采集并計(jì)算，即可得到舵輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。舵角指示器由一塊電壓表構(gòu)成，利用數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出功能可驅(qū)動(dòng)舵角指示器相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。其工作原理如圖2所示。

當(dāng)舵輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器隨之同步轉(zhuǎn)動(dòng)。此處采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，增量式編碼器是在每次位置變動(dòng)之后生成兩組脈沖信號(hào)分別輸出，這兩通道的波形除了相位相差90°外，其他完全相同。例如，當(dāng)碼盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A超前通道B 90°；反之，碼盤以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道B超前通道A 90°。其輸出波形如圖3所示。另外，這兩通道的脈沖數(shù)和編碼器轉(zhuǎn)過的角度成正比。因此，通過監(jiān)控通道A、B信號(hào)之間的相對(duì)相位信息和任一通道脈沖的數(shù)目，就可以同時(shí)獲得隨動(dòng)舵旋轉(zhuǎn)的方向和位置信息。增量編碼器每轉(zhuǎn)通常分為100到6000個(gè)扇區(qū)。這就表明，100個(gè)扇區(qū)的編碼器可以提供3.6°的精度，而6000個(gè)扇區(qū)的編碼器則可以提供0.06度的精度?？紤]到真實(shí)的船舶模型中，大概是隨動(dòng)舵旋轉(zhuǎn)一周，舵角指示器轉(zhuǎn)動(dòng)10°左右。故采用每圈輸出1024個(gè)脈沖的編碼器，其輸出舵角的精度大概是10°/1024≈0.01°。能夠滿足航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中對(duì)模擬隨動(dòng)舵的精度要求。

利用PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡中的計(jì)數(shù)器來對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行測量計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器有三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的輸入——門限（GATE）、觸發(fā)源（SOURCE）和升/降選擇（UP-DOWN），當(dāng)門限為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器開始工作，記錄觸發(fā)源輸入的脈沖數(shù)目，并且根據(jù)升/降選擇的狀態(tài)判斷是進(jìn)行加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)。如果升/降狀態(tài)位為高電平，計(jì)數(shù)器就進(jìn)行加計(jì)數(shù)；反之，如果升/降狀態(tài)位為低電平，計(jì)數(shù)器就進(jìn)行減計(jì)數(shù)。圖4顯示的是一個(gè)簡化的計(jì)數(shù)器框圖。

為了能夠準(zhǔn)確判斷出船舶模擬隨動(dòng)舵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將旋轉(zhuǎn)編碼器的通道A接到上述采集卡中計(jì)數(shù)器的觸發(fā)源接線端，對(duì)其信號(hào)中的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將通道B連接到升/降選擇端口上。這樣，當(dāng)舵輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于通道A的輸出脈沖超前通道B的輸出脈沖90°，在計(jì)數(shù)器對(duì)通道A的每個(gè)下降沿計(jì)數(shù)時(shí)，通道B都為高電平，所以計(jì)數(shù)器是進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。當(dāng)舵輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通道A的輸出脈沖滯后通道B的輸出脈沖90°，故計(jì)數(shù)器對(duì)通道A的每個(gè)下降沿計(jì)數(shù)時(shí)，通道B已為低電平，所以計(jì)數(shù)器是進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)。這樣計(jì)數(shù)器中的數(shù)值大小就反映了舵的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而該數(shù)值的正負(fù)就體現(xiàn)了舵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如為正數(shù)，表示右舵，為負(fù)數(shù)，則表示左舵。

舵角指示器由一塊電壓表構(gòu)成，其輸入范圍為-5 ～+5 V，即根據(jù)在舵角指示器兩引腳之間輸入的-5 ～+5 V的任意電壓指針指向不同的位置。利用PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出功能來驅(qū)動(dòng)舵角指示器的轉(zhuǎn)動(dòng)。PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡有2個(gè)分辨率為16位的模擬輸出通道，任意選擇一路與舵角指示器的一個(gè)引腳“+”相連，而舵角指示器的另一個(gè)引腳“-”接GND。這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡輸出在0 ～-5 V之間時(shí)舵角指示器左偏，輸出在0 ～+5 V之間時(shí)舵角指示器右偏，輸出為0 V時(shí)舵角指示器不偏轉(zhuǎn)。舵角指示器的刻度為-40°～+40°，如果要求舵角指示器轉(zhuǎn)動(dòng)角度N，只要使數(shù)據(jù)采集卡的輸出模擬電壓值為216×（N+40）/80即可。利用數(shù)據(jù)采集卡的模擬

量輸出功能驅(qū)動(dòng)舵角指示器的精度約為（+40°-（-40°））/216≈0.001°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中對(duì)舵角指示器的精度要求。

3 模擬羅經(jīng)的數(shù)據(jù)采集

模擬羅經(jīng)由儀表盤、步進(jìn)電機(jī)和絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。其中，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，用來驅(qū)動(dòng)儀表盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于模擬羅經(jīng)用來顯示船舶的實(shí)際方向，在操舵過程中其轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和快慢取決于由當(dāng)前舵角的大小、船型裝載大小、水深以及海況等綜合判斷后船舶的實(shí)際轉(zhuǎn)向速度，因此驅(qū)動(dòng)模擬羅經(jīng)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速都不是固定值，而是變化的。絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器則和儀表盤同軸固定，當(dāng)儀表盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器將同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣儀表盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可通過絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器傳出。航海模擬羅經(jīng)的控制其實(shí)就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制以及對(duì)絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)采集。

模擬羅經(jīng)中步進(jìn)電機(jī)的控制可由PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡為核心外加少量外圍電路構(gòu)成，外圍電路由移位寄存器CD4015等元器件搭建而成，由數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出通道產(chǎn)生方波信號(hào)作為移位寄存器CD4015的時(shí)鐘信號(hào)，而CD4015所產(chǎn)生的環(huán)形脈沖即可作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)源，從而使模擬羅經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。最后，利用數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸入功能對(duì)絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)采集并轉(zhuǎn)碼，可得到模擬羅經(jīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如果實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度和要求轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不一致，可再次驅(qū)動(dòng)模擬羅經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度和要求的轉(zhuǎn)動(dòng)角度吻合。整個(gè)模擬羅經(jīng)的控制僅僅使用一塊數(shù)據(jù)采集卡加少量外圍電路就能完成，并且是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可靠性很高。

絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器因其每一個(gè)位置絕對(duì)唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部是一個(gè)圓形碼盤，碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每一條碼道代表二進(jìn)制數(shù)碼的一位，碼道由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系。這種編碼器的特點(diǎn)是不要累積計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可以讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的編碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有n位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有n條碼道。

模擬羅經(jīng)中所安裝的絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率為12位（4096）；精度為±5％；輸出信號(hào)方式為并行輸出；TTL電平。將AMPCI-9110型數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量通道DI0～DI11與絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器的12位輸出一一對(duì)應(yīng)后相連，這樣當(dāng)模擬羅經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與其同軸聯(lián)結(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并且和模擬羅經(jīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度一致，而這個(gè)角度就通過旋轉(zhuǎn)編碼器輸出給數(shù)據(jù)采集卡，利用軟件對(duì)采集得到二進(jìn)制碼進(jìn)行解碼，就可以得到模擬羅經(jīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度。如果模擬羅經(jīng)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和計(jì)算機(jī)視景中所要求的角度不一樣，可以再次利用前面講過的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)模擬羅經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到和要求的角度一致。模擬羅經(jīng)的一圈為360°，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出位數(shù)為12位（精度為±5％），經(jīng)過計(jì)算可得知在該控制方式下，模擬羅經(jīng)的讀數(shù)誤差在0.1°以內(nèi)，完全符合船舶操縱模擬器的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文著重介紹基于PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡的模擬隨動(dòng)舵和模擬羅經(jīng)的控制。其它操縱設(shè)備，如車鐘，聲號(hào)控制，視景切換等由于控制原理類似不再贅述。以PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡為硬件核心的小型半實(shí)物全視景多功能船舶操縱模擬器已經(jīng)在二十多家船艇部隊(duì)推廣應(yīng)用，因其造價(jià)低，使用成本也較低，利用率較高，加上功能齊全，運(yùn)用靈活，受到師生們的一致歡迎。

[1] 胡定軍，石紅梅，張芊. 一種新型模擬航海羅經(jīng)控制[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(1)：104—106.

[2] 張芊，趙柯. 基于AMPCI-9110型數(shù)據(jù)采集卡的步進(jìn)電機(jī)接口電路[J]. 機(jī)電設(shè)備，2011，（3）：37-39.

[3] 胡定軍，張芊，竇金生.航海模擬器中模擬羅經(jīng)的功能[J]. 船舶，2006，(6)：30-33.

[4] 張芊，胡定軍.基于LabVIEW的模擬船舶隨動(dòng)舵的設(shè)計(jì)[J]. 船海工程，2010，39(2)：139—141.

Application of Ship Handling Simulator Based on PCI-6221 Data Acquisition Card

Zhang Qian, Zhao Ke

（Zhenjiang Watercraft College，Zhenjiang 212003，Jiangsu ,China）

TP273

A

1003-4862（2013）01-0008-03

2012-04-16

張芊（1979-），女，講師。研究方向：電氣自動(dòng)化。