一種基于arm及fpga的新型智能化航跡儀的設計

1、<p>　　一種基于ARM及FPGA的新型智能化航跡儀的設計</p><p>　　摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTA—C)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。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工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關鍵詞：Butte</p><p>　　航跡儀是艦船導航系統(tǒng)中的主要配套設備之一，它能根據(jù)陀螺羅經(jīng)、計程儀提供的航向航程信息或其他導航設備提供的定位信息，在海圖上自動連續(xù)地繪制出船舶航行的航跡與標記。航跡儀具備的繪制航線導航功能，可使航海人員非常直觀的了解到己船位置、偏航程度及未來海域的安全程度。 

3、;   隨著計算機技術的發(fā)展，智能化航跡儀的發(fā)展趨勢是進一步拓寬功能、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    航跡儀的工作過程是在計算機控制下進行的。首先，使鍵盤處于開放狀態(tài)，通過移筆鍵和自檢鍵簡單檢查繪圖功能；然后，由綜導顯控臺裝海圖并向航跡儀發(fā)出裝海圖命令，由此航跡儀自動進入跟蹤狀態(tài)。船舶航跡的實時標繪

4、是通過實時接收由綜導顯控臺發(fā)送的緯度、經(jīng)度值及各種繪圖命令，通過數(shù)學模型的解算及直線插補運算后，產(chǎn)生步進電機的控制脈沖序列，經(jīng)功放電路驅(qū)動電動機執(zhí)行，再經(jīng)機械轉(zhuǎn)換變成繪筆在圖面上運動。    傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)有一定的局限性，存在有待改進之處：(1)傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)的接口、控制、傳動等部分采用分立式設計，占用了大量的空間，且價格較貴。(2)隨著導航</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、傳動等部分采用分立式設計，占用的空間較大，且價格昂貴。因此在改進設計中使用基于Samsung公司生產(chǎn)的ARM處理器S3C44B0X芯片。由于使用基于芯片開發(fā)的主板提高設計開發(fā)的靈活性，為本系統(tǒng)所專用，因此所用接口、外設均為自主設計的電路，節(jié)省了不必要的開銷。這種設計提高了系統(tǒng)的響應速度，降低了成本。另外，S3C4

6、4B0X自帶LCD控制器，能夠保證改進設計中觸摸屏顯示部分的順利實現(xiàn)。    S3C44B0X主板主要包括CPU模塊及其輔助電路、存儲器系統(tǒng)模塊、通信模塊、系統(tǒng)調(diào)試模塊、人機接口模塊及擴展總線部分。    主板外接CAN總線控制器及總線驅(qū)動器等設備，接收CAN總線上由綜合導航顯控臺發(fā)送的實時位置、航向信息；通過人機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、脈沖個數(shù)、開始停止等命令）通過擴展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、脈沖個數(shù)、運行方向，以及開始/終止運行、抬落筆、報警等），經(jīng)FPG

8、A芯片XC2S50處理后，轉(zhuǎn)化為相應頻率的脈沖信號；再經(jīng)輸出驅(qū)動芯片SN74LS244，通過接口HJY傳遞給X、Y向的步進電機驅(qū)動器。運行程序通過JTAG口或DOWNLOAD口燒寫入配置芯片18V01中。2.4 步進電機及其驅(qū)動器    對于航跡儀系統(tǒng)，標繪精度是極其重要的一項技術指標，而電機及傳動機構(gòu)的精度則對其產(chǎn)生直接影響。    航跡儀控制系統(tǒng)對快速性及定位精度均有

9、很高的要求?？紤]到系統(tǒng)是針對數(shù)字量及位移的控制系統(tǒng)，因此選用步進電機作為其執(zhí)行元件。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應角位移的電機元件，當外加一個脈沖信號于電機的控制裝置時，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個固定的角度（步距角），即前進了一步。    系統(tǒng)要求繪筆繪制大量細小折線，這就要求電機工作在低頻區(qū)且需要頻繁地執(zhí)行起動、停止、調(diào)速等操作。因此步進電機極易出現(xiàn)低頻振蕩，產(chǎn)生工作噪音，影響繪筆的穩(wěn)定性及標繪精度。因此，改進

10、方案采用了先進的細分驅(qū)動器，大大降低了低頻</p><p>　　3 航跡儀系統(tǒng)的軟件設計3.1 S3C44B0X主板部分的軟件設計    操作系統(tǒng)是控制和管理計算機軟硬件資源、合理組織計算機工作流程、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)軟件平臺的選擇和應用程序的編制。在航跡儀的設計中，軟件平臺選用基于Tonardo集成開發(fā)環(huán)境的實時操作系統(tǒng)VxWorks

11、，應用程序則采用VxWorks支持的標準C語言編制。    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)用通過函數(shù)shibie( )進行；命令解釋部分到底層部分的調(diào)用通過函數(shù)zxcb( )進行。3.1.1 主程序    主程序主要對綜導臺命令和觸摸屏命令進行管理、調(diào)度。程序執(zhí)行過程中查詢隨機命令數(shù)和推位命令數(shù)這兩個變量。變量小于等于

12、零時，沒有綜導臺命令，程序查詢觸摸屏有無按下及鍵值，執(zhí)行響應操作。當兩個變量大于零，說明有了綜導臺命令，就會自動進入跟蹤狀態(tài)。在跟蹤狀態(tài)，不響應觸摸屏命令，控制程序只查詢有無隨機命令及推位命令，轉(zhuǎn)入響應的命令解釋程序。3.1.2 命令解釋部分    命令解釋部分主要功能：通過函數(shù)shibie(</p><p>　　(4)位置補償模塊    如前文所

13、述，在步進電機運行完一次由運行到靜止的過程后，把目標位置與從數(shù)字化板發(fā)送的實際位置做差比較得到的位置差量Δd作為一次操作補償。其特點是在一次繪圖過程中有兩次電機的開始和停止，補償速度慢，但所繪的是近似真實的圖形。程序框圖如圖5所示。</p><p>　　3.2 XC2S50接口板部分的軟件設計    XC2S50接口板軟件部分采用VHDL語言編寫。編譯后通過JTAG口燒寫入配置芯片

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：通過查詢發(fā)送、剩余脈沖數(shù)，計算出響應的速度控制級別（可分為4種模式），將

15、速度控制信息傳送給脈沖計數(shù)模塊counter。兩個脈沖計數(shù)模塊counter分別控制X、Y兩個步進電機的走步步數(shù)。它們分別以X、Y向驅(qū)動脈沖作為輸入時鐘信號，紀錄兩向脈沖數(shù)，發(fā)出使能信號以控制counter32，其原理如圖7所示。兩個方波發(fā)生模塊counter32分別對X向、Y向步進電機驅(qū)動器輸出方波，其輸出波形的頻率即為步進電機的走步頻率，如圖8所示。接口模塊jiekou接收來自主板發(fā)送的X、Y向分頻值、脈沖數(shù)數(shù)據(jù)信息，以及運行方向、

16、開始終止、抬落筆、報警等控制信息，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計，針對傳統(tǒng)航跡儀系統(tǒng)的諸多問題，給出了有效的改造方案。改造方案降低了成本，增強了功能的針對性，節(jié)省了系統(tǒng)資源。數(shù)字化板的使用，為原開環(huán)系統(tǒng)增加了閉環(huán)反饋，提高了標繪精度。使用FPGA器件代替原CDT800接口板，保證系