一種基于arm及fpga的新型智能化航跡儀的設(shè)計(jì)

1、<p>　　一種基于ARM及FPGA的新型智能化航跡儀的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTA—C)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為1～26 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于0．5 dB，

2、采用1．8 V電源，TSMC 0．18μm CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte</p><p>　　航跡儀是艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中的主要配套設(shè)備之一，它能根據(jù)陀螺羅經(jīng)、計(jì)程儀提供的航向航程信息或其他導(dǎo)航設(shè)備提供的定位信息，在海圖上自動(dòng)連續(xù)地繪制出船舶航行的航跡與標(biāo)記。航跡儀具備的繪制航線導(dǎo)航功能，可使航海人員非常直觀的了解到己船位置、偏航程度及未來(lái)海域的安全程度。 

3、;   隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能化航跡儀的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步拓寬功能、縮小體積、降低功耗、減少成本、提高可靠性，而傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)不完全具備上述功能，存在局限性。1 航跡儀工作原理    航跡儀的工作過(guò)程是在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行的。首先，使鍵盤(pán)處于開(kāi)放狀態(tài)，通過(guò)移筆鍵和自檢鍵簡(jiǎn)單檢查繪圖功能；然后，由綜導(dǎo)顯控臺(tái)裝海圖并向航跡儀發(fā)出裝海圖命令，由此航跡儀自動(dòng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。船舶航跡的實(shí)時(shí)標(biāo)繪

4、是通過(guò)實(shí)時(shí)接收由綜導(dǎo)顯控臺(tái)發(fā)送的緯度、經(jīng)度值及各種繪圖命令，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的解算及直線插補(bǔ)運(yùn)算后，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖序列，經(jīng)功放電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行，再經(jīng)機(jī)械轉(zhuǎn)換變成繪筆在圖面上運(yùn)動(dòng)。    傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)有一定的局限性，存在有待改進(jìn)之處：(1)傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)的接口、控制、傳動(dòng)等部分采用分立式設(shè)計(jì)，占用了大量的空間，且價(jià)格較貴。(2)隨著導(dǎo)航</p><p>　　2.2 S3C

5、44B0X主板    傳統(tǒng)的航跡儀采用嵌入式PC/104模塊為核心控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的接口、控制、傳動(dòng)等部分采用分立式設(shè)計(jì)，占用的空間較大，且價(jià)格昂貴。因此在改進(jìn)設(shè)計(jì)中使用基于Samsung公司生產(chǎn)的ARM處理器S3C44B0X芯片。由于使用基于芯片開(kāi)發(fā)的主板提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的靈活性，為本系統(tǒng)所專用，因此所用接口、外設(shè)均為自主設(shè)計(jì)的電路，節(jié)省了不必要的開(kāi)銷。這種設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了成本。另外，S3C4

6、4B0X自帶LCD控制器，能夠保證改進(jìn)設(shè)計(jì)中觸摸屏顯示部分的順利實(shí)現(xiàn)。    S3C44B0X主板主要包括CPU模塊及其輔助電路、存儲(chǔ)器系統(tǒng)模塊、通信模塊、系統(tǒng)調(diào)試模塊、人機(jī)接口模塊及擴(kuò)展總線部分。    主板外接CAN總線控制器及總線驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備，接收CAN總線上由綜合導(dǎo)航顯控臺(tái)發(fā)送的實(shí)時(shí)位置、航向信息；通過(guò)人機(jī)接口接收到的觸摸屏發(fā)送的控制信息，經(jīng)處理后將控制命令（主要是

7、控制脈沖頻率、脈沖個(gè)數(shù)、開(kāi)始停止等命令）通過(guò)擴(kuò)展I/O口發(fā)送給接口板，另外，將顯示信息發(fā)送給LCD觸摸顯示屏。2.3 XC2S50接口板    傳統(tǒng)航跡儀使用接口板CDT800，其中包括 Am</p><p>　　接口板的主要功能是：接收S3C44B0X主板通過(guò)數(shù)據(jù)總線發(fā)送的數(shù)據(jù)命令信息(包括：X、Y方向的分頻值、脈沖個(gè)數(shù)、運(yùn)行方向，以及開(kāi)始/終止運(yùn)行、抬落筆、報(bào)警等），經(jīng)FPG

8、A芯片XC2S50處理后，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)；再經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)芯片SN74LS244，通過(guò)接口HJY傳遞給X、Y向的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。運(yùn)行程序通過(guò)JTAG口或DOWNLOAD口燒寫(xiě)入配置芯片18V01中。2.4 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器    對(duì)于航跡儀系統(tǒng)，標(biāo)繪精度是極其重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，而電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度則對(duì)其產(chǎn)生直接影響。    航跡儀控制系統(tǒng)對(duì)快速性及定位精度均有

9、很高的要求?？紤]到系統(tǒng)是針對(duì)數(shù)字量及位移的控制系統(tǒng)，因此選用步進(jìn)電機(jī)作為其執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電機(jī)元件，當(dāng)外加一個(gè)脈沖信號(hào)于電機(jī)的控制裝置時(shí)，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度（步距角），即前進(jìn)了一步。    系統(tǒng)要求繪筆繪制大量細(xì)小折線，這就要求電機(jī)工作在低頻區(qū)且需要頻繁地執(zhí)行起動(dòng)、停止、調(diào)速等操作。因此步進(jìn)電機(jī)極易出現(xiàn)低頻振蕩，產(chǎn)生工作噪音，影響繪筆的穩(wěn)定性及標(biāo)繪精度。因此，改進(jìn)

10、方案采用了先進(jìn)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，大大降低了低頻</p><p>　　3 航跡儀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1 S3C44B0X主板部分的軟件設(shè)計(jì)    操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源、合理組織計(jì)算機(jī)工作流程、方便用戶的程序集合。航跡儀功能的完成，很大程度上取決于操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)的選擇和應(yīng)用程序的編制。在航跡儀的設(shè)計(jì)中，軟件平臺(tái)選用基于Tonardo集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks

11、，應(yīng)用程序則采用VxWorks支持的標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編制。    主板軟件系統(tǒng)主要由主程序、命令解釋部分、底層部分組成。其中，主程序到命令解釋部分的調(diào)用通過(guò)函數(shù)shibie( )進(jìn)行；命令解釋部分到底層部分的調(diào)用通過(guò)函數(shù)zxcb( )進(jìn)行。3.1.1 主程序    主程序主要對(duì)綜導(dǎo)臺(tái)命令和觸摸屏命令進(jìn)行管理、調(diào)度。程序執(zhí)行過(guò)程中查詢隨機(jī)命令數(shù)和推位命令數(shù)這兩個(gè)變量。變量小于等于

12、零時(shí)，沒(méi)有綜導(dǎo)臺(tái)命令，程序查詢觸摸屏有無(wú)按下及鍵值，執(zhí)行響應(yīng)操作。當(dāng)兩個(gè)變量大于零，說(shuō)明有了綜導(dǎo)臺(tái)命令，就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。在跟蹤狀態(tài)，不響應(yīng)觸摸屏命令，控制程序只查詢有無(wú)隨機(jī)命令及推位命令，轉(zhuǎn)入響應(yīng)的命令解釋程序。3.1.2 命令解釋部分    命令解釋部分主要功能：通過(guò)函數(shù)shibie(</p><p>　　(4)位置補(bǔ)償模塊    如前文所

13、述，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行完一次由運(yùn)行到靜止的過(guò)程后，把目標(biāo)位置與從數(shù)字化板發(fā)送的實(shí)際位置做差比較得到的位置差量Δd作為一次操作補(bǔ)償。其特點(diǎn)是在一次繪圖過(guò)程中有兩次電機(jī)的開(kāi)始和停止，補(bǔ)償速度慢，但所繪的是近似真實(shí)的圖形。程序框圖如圖5所示。</p><p>　　3.2 XC2S50接口板部分的軟件設(shè)計(jì)    XC2S50接口板軟件部分采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。編譯后通過(guò)JTAG口燒寫(xiě)入配置芯片

14、18V01中。軟件部分主要包括頂層模塊jkb_top、接口模塊jiekou、脈沖發(fā)生模塊pulse_generate、速度控制模塊speed_ctr、脈沖計(jì)數(shù)模塊counter、方波發(fā)生器counter32等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。</p><p>　　在脈沖發(fā)生模塊pulse_generate中，速度控制模塊speed_ctr的主要功能是：通過(guò)查詢發(fā)送、剩余脈沖數(shù)，計(jì)算出響應(yīng)的速度控制級(jí)別（可分為4種模式），將

15、速度控制信息傳送給脈沖計(jì)數(shù)模塊counter。兩個(gè)脈沖計(jì)數(shù)模塊counter分別控制X、Y兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的走步步數(shù)。它們分別以X、Y向驅(qū)動(dòng)脈沖作為輸入時(shí)鐘信號(hào)，紀(jì)錄兩向脈沖數(shù)，發(fā)出使能信號(hào)以控制counter32，其原理如圖7所示。兩個(gè)方波發(fā)生模塊counter32分別對(duì)X向、Y向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出方波，其輸出波形的頻率即為步進(jìn)電機(jī)的走步頻率，如圖8所示。接口模塊jiekou接收來(lái)自主板發(fā)送的X、Y向分頻值、脈沖數(shù)數(shù)據(jù)信息，以及運(yùn)行方向、

16、開(kāi)始終止、抬落筆、報(bào)警等控制信息，并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給pulse_generate模塊，將控制信息發(fā)送給驅(qū)動(dòng)板。所有的軟件模塊封裝在頂層模塊jkb_top中。</p><p>　　新型智能化航跡儀設(shè)計(jì)，針對(duì)傳統(tǒng)航跡儀系統(tǒng)的諸多問(wèn)題，給出了有效的改造方案。改造方案降低了成本，增強(qiáng)了功能的針對(duì)性，節(jié)省了系統(tǒng)資源。數(shù)字化板的使用，為原開(kāi)環(huán)系統(tǒng)增加了閉環(huán)反饋，提高了標(biāo)繪精度。使用FPGA器件代替原CDT800接口板，保證系