船用平臺(tái)羅經(jīng)模擬器的設(shè)計(jì)

羅飛仁+沈括+汪銘東

摘 要： 為了在船用設(shè)備修理過程中提供可用的平臺(tái)羅經(jīng)信號(hào)，介紹了使用于某設(shè)備的平臺(tái)羅經(jīng)模擬器實(shí)現(xiàn)過程，該方案以單片機(jī)+FPGA+DSC模塊為核心，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制，DSC模塊生成平臺(tái)羅經(jīng)信號(hào)。實(shí)測表明，該方法設(shè)計(jì)簡單，滿足船載設(shè)備的要求，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速比為1[∶]36的粗精雙通道羅經(jīng)信號(hào)模擬。

關(guān)鍵詞： FPGA； DSC； 羅經(jīng)； 伺服系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN802?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）15?0060?03

Design of platform compass simulator for marine

LUO Feiren， SHEN Kuo， WANG Mingdong

（Unit 92932 of PLA， Zhanjiang 524016， China）

Abstract： To provide available platform compass signal in marine equipment maintenance process， the implementation of platform compass simulator used for a certain marine equipment is introduced. This system takes microcontroller， FPGA and DSC modules as control centre. Microcontroller is used to realize human?computer interaction， FPGA is used to implement system logic control， and DSC is used to generate platform compass signal. The actually measured results show that this system is simple to design and can meet the requirements of the marine equipment. It can realize rough channel and refined channel compass signal simulation， whose rotating speed ratio is 1[∶]36.

Keywords： FPGA； DSC； compass； servo system

0 引 言

由于艦船航行中，受到海浪影響，造成船體擺動(dòng)，使雷達(dá)等設(shè)備平臺(tái)無法相對大地平面靜止，為保證使用精度，穩(wěn)定雷達(dá)天線平臺(tái)，雷達(dá)必須使用平臺(tái)羅經(jīng)數(shù)據(jù)，消除艦船搖擺的影響。

在船上，使用羅經(jīng)數(shù)據(jù)需要協(xié)調(diào)多個(gè)部門，嚴(yán)重影響設(shè)備修理進(jìn)度與修理、調(diào)試質(zhì)量。為解決這一矛盾，本文針對某型號(hào)雷達(dá)特點(diǎn)，研制了適用于該雷達(dá)的平臺(tái)羅經(jīng)模擬器。

1 原理

1.1 雷達(dá)穩(wěn)定平臺(tái)原理

該型雷達(dá)使用粗精雙通道平臺(tái)羅經(jīng)信號(hào)，進(jìn)行船搖信號(hào)的隔離，伺服系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

伺服系統(tǒng)工作時(shí)，船搖RDC模塊將平臺(tái)羅經(jīng)送來的橫搖、縱搖信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送至中心機(jī)。同時(shí)，天線的俯仰角旋轉(zhuǎn)變壓器檢測天線當(dāng)前的俯仰角度，并將該信號(hào)送到天線SDC模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送至中心機(jī)。中心機(jī)接收到RDC模塊和SDC模塊數(shù)據(jù)后，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行比對、解算，計(jì)算出俯仰角度誤差，送至誤差DAC芯片輸出，用于驅(qū)動(dòng)天線俯仰電機(jī)，向減小這種誤差的方向運(yùn)動(dòng)，克服船搖對天線的影響，保證天線平臺(tái)的穩(wěn)定。

圖1 伺服系統(tǒng)原理圖

1.2 粗精機(jī)構(gòu)測角原理

在單通道轉(zhuǎn)換器的測角系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器的分辨力最終要受到測角元件制造誤差的限制。在許多測角精度要求較高的場合，這種轉(zhuǎn)換器難以勝任[1]，而粗精雙通道測角由于采用了精通道數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，其測角精度是單通道測角系統(tǒng)的[N]倍[2?3]。粗精機(jī)構(gòu)組合原理如圖2所示。

粗精機(jī)構(gòu)組合的含義是粗示機(jī)構(gòu)軸角轉(zhuǎn)過1圈時(shí)，精示機(jī)構(gòu)軸角則轉(zhuǎn)過[n]圈[4]，即由粗示確定軸角的粗略，由精示確定軸角的精確位置，粗精角組合得到真實(shí)的機(jī)械軸角[5]。

圖2 粗精機(jī)構(gòu)組合原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)對艦船航行姿態(tài)的逼真模擬，完成與該設(shè)備的對接，特提出以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：

（1） 測角通道：粗精雙通道；

（2） 轉(zhuǎn)速比：1[∶]36；

（3） 功能：轉(zhuǎn)動(dòng)、指定角度定位功能；

（4） 天線角度連續(xù)變化規(guī)律：橫搖、縱搖角度呈正弦規(guī)律變化；

（5） 最大變化角度：橫搖：-25°～25°；縱搖：-15°～15°。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)前，模擬羅經(jīng)的主要實(shí)現(xiàn)方式如表1所示。

表1 模擬羅經(jīng)實(shí)現(xiàn)方案

[控制核心＼&優(yōu)點(diǎn)＼&缺點(diǎn)＼&單片機(jī)+DSC模塊＼&編程較為簡單，

成本較低＼&運(yùn)行速度較慢＼&DSP+DSC模塊＼&運(yùn)行速度較快，可采用

C語言或匯編＼&成本較高＼&FPGA+DSC模塊＼&實(shí)時(shí)性強(qiáng)，邏輯控制精確＼&算法設(shè)計(jì)難度大＼&]

在本設(shè)計(jì)中，由于需要實(shí)現(xiàn)橫搖、縱搖粗精通道的角度計(jì)算，同時(shí)使用的DSC為14位數(shù)字輸入，并且需要實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交互，只使用單片機(jī)、DSP或者FPGA，雖然能完成該設(shè)計(jì)，但程序設(shè)計(jì)難度較大。所以為降低難度，簡化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)提出了單片機(jī)+FPGA+DSC模塊的硬件實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)編程簡單，容易實(shí)現(xiàn)與液晶顯示器互連的特點(diǎn)，使用單片機(jī)作為控制中心，用于接收用戶設(shè)定的羅經(jīng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)與FPGA的互連，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前橫搖、縱搖信息的實(shí)時(shí)顯示。利用FPGA強(qiáng)大的邏輯控制能力和大量的I/O管腳的特點(diǎn)，將FPGA作為系統(tǒng)的邏輯控制中心，用于實(shí)現(xiàn)對角度的計(jì)算，同時(shí)完成對角度粗精通道的分解，并將數(shù)據(jù)送至DSC模塊，實(shí)現(xiàn)角度的傳送。

圖3 羅經(jīng)模擬器設(shè)計(jì)原理圖

2.3 FPGA程序設(shè)計(jì)

FPGA作為系統(tǒng)的邏輯控制中心，實(shí)現(xiàn)各個(gè)芯片之間的協(xié)同工作，并實(shí)現(xiàn)角度的正弦變化，因此FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，F(xiàn)PGA程序直接影響系統(tǒng)性能。FPGA程序邏輯圖如圖4所示。

圖4 FPGA程序邏輯圖

接收模塊：接收從單片機(jī)發(fā)送來的用戶設(shè)定信息，包括船搖擺動(dòng)方式（連續(xù)、定位），船搖最大角度（Am）船搖周期（Tc），并將上述參數(shù)送至狀態(tài)邏輯模塊。

狀態(tài)邏輯模塊：用于控制船搖的工作狀態(tài)。尤其在用戶設(shè)定船搖角度變化時(shí)，為防止輸出角度出現(xiàn)大的角度跳變，該模塊只允許在當(dāng)前角度為0°時(shí)，將設(shè)定的最大角度值寫入乘法模塊，同時(shí)，根據(jù)用戶輸入的船搖周期，控制對ROM表的查詢速度。

正弦數(shù)據(jù)表：根據(jù)設(shè)計(jì)需求，角度需要呈正弦變化，因此在FPGA中需要實(shí)現(xiàn)正弦計(jì)算。但對于FPGA而言，要實(shí)現(xiàn)正弦計(jì)算，需要進(jìn)行單獨(dú)的算法設(shè)計(jì)，難度較大?；谡抑档膶ΨQ性，將第一區(qū)間的正弦值存儲(chǔ)于ROM中采用查表法，通過讀寫順序的變化，獲取正弦值。該模塊采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

State1和State3為正序讀取ROM表，State1實(shí)現(xiàn)第一象限值，State3將讀取值進(jìn)行反相實(shí)現(xiàn)第三象限值；State2和State4逆序讀取ROM表，State2實(shí)現(xiàn)第二象限值，State4將數(shù)據(jù)反相后實(shí)現(xiàn)第四象限值。

圖5 正弦數(shù)據(jù)表狀態(tài)機(jī)

乘法模塊：將用戶設(shè)定的最大船搖角度和查詢得到的正弦值相乘，實(shí)現(xiàn)[a（t）=Am×sin（2π×Δt），]其中，[a（t）]為計(jì)算得到的當(dāng)前值。

粗精通道解算模塊：將乘法模塊計(jì)算得到的角度值，根據(jù)1[∶]36的轉(zhuǎn)速比，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的粗精雙通道角度數(shù)據(jù)。

數(shù)字角度分解模塊：由于使用的DSC模塊為14位數(shù)字角度輸入，因此該模塊將粗精通道的角度數(shù)據(jù)分解成14位的數(shù)字角度值送到DSC模塊。

3 結(jié) 論

本文采用單片機(jī)+FPGA+DSC模塊的設(shè)計(jì)方案，以FPGA為控制核心，使用查表法實(shí)現(xiàn)正弦值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了粗精雙通道，轉(zhuǎn)速比為1[∶]36的羅經(jīng)模擬器設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)際測試，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

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