基于DSP的船舶動(dòng)力定位控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石禮剛， 董勝利， 張歡仁

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所，上海 200135)

基于DSP的船舶動(dòng)力定位控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石禮剛， 董勝利， 張歡仁

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所，上海 200135)

以某起重船為控制對(duì)象，以SRI-VC2110DP動(dòng)力定位控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種基于數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)的動(dòng)力定位控制器。針對(duì)動(dòng)力定位控制器的實(shí)際需求，圍繞核心處理器進(jìn)行雙CAN總線接口、雙以太網(wǎng)接口和I/O接口等硬件電路的開發(fā)，同時(shí)完成硬件設(shè)備的測(cè)試。為檢驗(yàn)所研發(fā)的控制器的功能和性能，在SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上完成動(dòng)力定位應(yīng)用程序的開發(fā)，搭建仿真平臺(tái)驗(yàn)證該控制器的實(shí)時(shí)性和可靠性。

動(dòng)力定位控制系統(tǒng)；控制器設(shè)計(jì)；數(shù)字信號(hào)處理器

0 引 言

隨著石油和天然氣勘探業(yè)不斷發(fā)展，相關(guān)海上活動(dòng)已由近海擴(kuò)展到遠(yuǎn)海，傳統(tǒng)的船舶定位已不能滿足海上定點(diǎn)作業(yè)的需要，動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System,DPS)由此應(yīng)運(yùn)而生。DPS是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)[1-2]，能不借助錨泊系統(tǒng)的作用不斷檢測(cè)出船舶的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差，并根據(jù)外界風(fēng)、浪和流等外界擾動(dòng)力的影響計(jì)算出使船舶恢復(fù)到目標(biāo)位置所需推力的大小，同時(shí)對(duì)船舶的各推力器進(jìn)行推力分配，使各推力器產(chǎn)生相應(yīng)的推力，從而使船舶盡可能地保持在要求的位置上[3-4]。DPS主要由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)等3部分構(gòu)成[5]，其中控制系統(tǒng)是DPS的核心。動(dòng)力定位控制器(控制計(jì)算機(jī))是控制系統(tǒng)運(yùn)行的主要硬件載體，隨著集成電路與數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)技術(shù)的發(fā)展，其性能得到很大的提高。

早期的動(dòng)力定位控制器采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，雖然性能較好，但存在體積大和功耗高等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，嵌入式計(jì)算機(jī)將逐漸取代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，成為動(dòng)力定位控制的發(fā)展方向。相比工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，嵌入式處理器具有體積小、功耗低和實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)。

目前，國外的動(dòng)力定位技術(shù)已相對(duì)成熟，各大動(dòng)力定位廠商和研究機(jī)構(gòu)開發(fā)出許多功能強(qiáng)大的動(dòng)力定位控制器，最具代表性的是挪威Konsberg公司研制的動(dòng)力定位控制器RCU501，其將嵌入式軟硬件技術(shù)與動(dòng)力定位技術(shù)相融合，大大改善了控制器的性能。上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所在DPS方面進(jìn)行著大量的研究工作并取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，成功研制了SRI-VC2110DP樣機(jī)，經(jīng)系統(tǒng)試驗(yàn)，具有良好的控制效果。

這里在借鑒國內(nèi)外動(dòng)力定位控制器開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于DSP處理器的動(dòng)力定位控制器單元，提升我國動(dòng)力定位控制器的性能。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力定位控制器作為DPS控制運(yùn)算的核心，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算和推力分配等功能?？刂葡到y(tǒng)對(duì)控制計(jì)算機(jī)的主要要求有：強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力(主要指浮點(diǎn)運(yùn)算能力)；實(shí)時(shí)控制能力；較高的運(yùn)行速度；可擴(kuò)展雙控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)接口；可擴(kuò)展雙以太網(wǎng)接口；可擴(kuò)展I/O輸入輸出接口；可擴(kuò)展調(diào)試接口。此外，還要求嵌入式計(jì)算機(jī)需具有穩(wěn)定的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和友好的開發(fā)環(huán)境。

綜合考慮性能和價(jià)格等因素，選用TI 公司DSP C6000系列的TMS320C6657作為動(dòng)力定位控制器的處理器。DSP TMS320C6657采用先進(jìn)的KeyStone架構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)與浮點(diǎn)處理能力，主頻可達(dá)1.25 GHz，功耗3.5 W；支持SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；支持千兆網(wǎng)，SPI，UART及EMIF等常見接口；可擴(kuò)展雙CAN和雙以太網(wǎng)接口；同時(shí)，具有功耗小、實(shí)時(shí)性高和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在功能和性能方面均能滿足DPS的要求。

控制器的設(shè)計(jì)方法采用擴(kuò)展板加核心板的設(shè)計(jì)方法，其核心板通過連接器與擴(kuò)展板相連，其硬件總體架構(gòu)框圖見圖1。核心板電路主要由CPU、Nand Flash電路、DDR3電路和EEPROM電路等組成，Nand Flash、DDR3和EEPROM組成控制器的存儲(chǔ)系統(tǒng) 。擴(kuò)展板主要由電源電路、CAN通信電路、以太網(wǎng)通信電路和串口調(diào)試電路等組成。

2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電源電路

TMS320C6657處理器由9.0 V直流電源供電，而船用直流電壓一般為24.0 V。考慮到在硬件電路設(shè)計(jì)中需用到5.0 V、3.3 V、1.8 V直流電源，電源電路的設(shè)計(jì)采用分級(jí)轉(zhuǎn)換的方法，將24.0 V轉(zhuǎn)換為12.0 V，12.0 V轉(zhuǎn)換為9.0 V、5.0 V及3.3 V，3.3 V轉(zhuǎn)換為1.8 V。

2.2 串口通信電路

在設(shè)計(jì)控制器時(shí)共引出2個(gè)串口：一個(gè)由UART1通過MAX3232EUE串口電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS232串口，使用DB9公座接口；另一個(gè)由UART0通過CH340T轉(zhuǎn)成USB-B接口。

2.3 CAN通信電路

CAN總線是通過TMS320C6657處理器的串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)擴(kuò)展。CAN通信電路主要由MCP2515芯片和ADM3053芯片組成，其中：MCP2515是Microchip公司推出的一款獨(dú)立CAN協(xié)議控制器芯片，完全支持CAN2.0技術(shù)規(guī)范；ADM3053是一款隔離式CAN物理層收發(fā)器，集成隔離 DC/DC轉(zhuǎn)換器，該器件采用5.0 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案。CAN通信電路圖見圖2。

由于TMS320C6657處理器的SPI引腳電壓為1.8 V，MCP2515的輸入輸出引腳電壓為3.3 V，因此需通過TXS0108EPWR芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

2.4 以太網(wǎng)通信電路

百兆以太網(wǎng)是通過TMS320C6657處理器的外部存儲(chǔ)器接口(External Memory Interface, EMIF)擴(kuò)展的。以太網(wǎng)電路主要由以太網(wǎng)芯片、RJ45接口和網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器組成，其中：以太網(wǎng)芯片選用MICREL公司的KSZ8851-16MLLI，KSZ8851-16MLLI是單端口嵌入式控制芯片，包括一個(gè)快速以太網(wǎng)的MAC控制器和一個(gè)8 bit/16 bit的普通主機(jī)處理器接口，可整合以太網(wǎng)MAC/PHY，通過8位外部總線接口與其進(jìn)行通信，有效解決快速以太網(wǎng)的應(yīng)用問題；網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器選 用HX1188NL芯片，具有信號(hào)傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、信號(hào)雜波抑制和高電壓隔離等作用。以太網(wǎng)通信電路圖見圖3。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 CAN驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

TMS320C6657處理器可通過SPI接口讀取接收緩沖器的數(shù)據(jù)，MCP2515對(duì)CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送沒有限制，只需處理器通過SPI接口將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入到MCP2515的發(fā)送緩存器中，再調(diào)用發(fā)送請(qǐng)求(Request To Send, RTS)命令即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，其驅(qū)動(dòng)程序具體步驟為[6]：

(1)對(duì)相應(yīng)外設(shè)模塊使能，包括SPI模塊；

(2)進(jìn)行SPI初始化，配置主/從模式、時(shí)鐘，使能SIMO，SOMI，CLK及CS引腳，配置數(shù)據(jù)格式；

(3)選擇一路CAN通信并初始化，主要設(shè)置接收相關(guān)引腳控制寄存器；

(4)發(fā)送和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值清零后進(jìn)入工作模式，設(shè)置比特率；

(5)添加CAN接收中斷處理函數(shù)，設(shè)置濾波方式，創(chuàng)建接收環(huán)形緩沖區(qū)以存放中斷響應(yīng)數(shù)據(jù)。

CAN程序發(fā)送流程見圖4，CAN程序接收流程見圖5。

3.2 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)主要是基于SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包(Network Developer's Kit，NDK)實(shí)現(xiàn)的。SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供有豐富的庫函數(shù)，可供用戶在設(shè)計(jì)軟件時(shí)方便地調(diào)用。NDK是應(yīng)用于SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)頂層的網(wǎng)絡(luò)棧，是實(shí)現(xiàn)DSP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的重要支撐[7]，主要包括：nettool.lib，stack.lib，hal.lib，os.lib和netcrl.lib等5個(gè)數(shù)據(jù)庫。以太網(wǎng)接口的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖6。

從圖6中可看出：NDK是連接底層硬件、用戶應(yīng)用程序和SYS/BIOS的紐帶；底層硬件驅(qū)動(dòng)的配置主要由NDK的硬件驅(qū)動(dòng)層控制，網(wǎng)絡(luò)工具庫為其提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，用戶可直接調(diào)用。硬件驅(qū)動(dòng)主要包含在硬件驅(qū)動(dòng)層，其驅(qū)動(dòng)程序?yàn)椋?/p>

(1)對(duì)相應(yīng)外設(shè)模塊使能；

(2)配置功能模塊寄存器，主要包括對(duì)MDIO和EMAC模塊的初始化，對(duì)PHY芯片進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和搜索配置；

(3)復(fù)位以太網(wǎng)控制器，即對(duì)以太網(wǎng)控制器的接收和發(fā)送功能進(jìn)行復(fù)位；

(4)配置寄存器參數(shù)并使能，包括幀最大長(zhǎng)度、CRC校驗(yàn)和短幀自動(dòng)填充等；

(5)對(duì)EMAC和MDIO中斷使能；

(6)建立TCP/IP協(xié)議棧，對(duì)接收和發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行配置；

(7)復(fù)位物理層芯片，檢查ID，配置物理層芯片自適應(yīng)，設(shè)置控制器的工作模式，包括10/100 Mb模式和全/半雙工模式；

(8)設(shè)置MAC地址，對(duì)TX和RX的描述符進(jìn)行初始化；

(9)添加接收中斷處理函數(shù)，設(shè)置濾波方式，清除中斷。

動(dòng)力定位控制器作為服務(wù)器端用來與工作站實(shí)現(xiàn)通信，DSP軟件設(shè)計(jì)采用Socket套接字創(chuàng)建服務(wù)器端,其具體流程見圖7。

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在控制器的軟件設(shè)計(jì)中，采用SYS/BIOS操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)。SYS/BIOS是一個(gè)可擴(kuò)展的多線程實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，用于實(shí)時(shí)調(diào)度同步的應(yīng)用程序或設(shè)備。SYS/BIOS提供有搶占式多線程、硬件抽象層、實(shí)時(shí)分析和配置工具[8]，主要面向?qū)崟r(shí)性要求高的場(chǎng)合。動(dòng)力定位控制器的每項(xiàng)功能都對(duì)應(yīng)著應(yīng)用程序的一個(gè)功能模塊，每一個(gè)功能模塊的調(diào)用都基于實(shí)時(shí)任務(wù)的。因此，應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)采用基于搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作方式，主要涉及以下7個(gè)模塊：Void TaskDataPro(UArg a0, UArg a1) //數(shù)據(jù)預(yù)處理功能模塊；Void TaskMathModel(UArg a0, UArg a1) //船舶數(shù)學(xué)模型功能模塊；Void TaskRealCtrl (UArg a0, UArg a1) //實(shí)時(shí)控制計(jì)算功能模塊；Void TaskTrustAllo(UArg a0, UArg a1) //推力分配功能模塊；Void TaskEthernetSend(UArg a0, UArg a1) //以太網(wǎng)發(fā)送功能模塊；Void TaskEthernetRecv(UArg a0, UArg a1) //以太網(wǎng)接收功能模塊；Void TaskCan(UArg a0, UArg a1) //CAN網(wǎng)收發(fā)功能模塊。

3.4 系統(tǒng)驗(yàn)證

在SRI-VC2110DP動(dòng)力定位控制系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)控制器的功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證，按照樣機(jī)系統(tǒng)測(cè)試調(diào)試大綱進(jìn)行調(diào)試。同時(shí)，采用計(jì)算機(jī)仿真船舶運(yùn)動(dòng)模型的方法搭建了仿真試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖8)。仿真計(jì)算機(jī)包括MATLAB仿真程序和仿真控制程序，其中MATLAB仿真程序通過MATLAB構(gòu)建某起重船的運(yùn)動(dòng)模型，仿真控制程序通過調(diào)用VC&MATLAB Engine接口實(shí)現(xiàn)與船舶運(yùn)動(dòng)模型的數(shù)據(jù)交互，通過以太網(wǎng)通信接口實(shí)現(xiàn)與控制器的數(shù)據(jù)交換，控制器也通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與動(dòng)力定位操作臺(tái)的通信。

以某起重船為研究對(duì)象，其基本參數(shù)見表1，仿真環(huán)境為無風(fēng)、靜水和滿載，船舶的起始位置為(0,0,0)，目標(biāo)位置為(20,20,20)，采用原SRI-VC2110DP動(dòng)力定位控制器與這里所設(shè)計(jì)的DSP控制器對(duì)仿真船的各自由度方向位置及推力大小進(jìn)行控制的效果對(duì)比見圖9～圖14。

表1 某起重船參數(shù)

系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果表明，這里所設(shè)計(jì)的DSP控制器能實(shí)現(xiàn)正常的通信功能，控制效果與原SRI-VC2110DP動(dòng)力定位控制器基本一致，能完成定位操作。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于DSP TMS320C6657處理器的動(dòng)力定位控制器，根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行了總體架構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件電路的設(shè)計(jì)，在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開發(fā)。系統(tǒng)仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力定位控制器的控制性能良好、功耗較低，且能滿足DPS的控制要求。

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The Design and Implementation of Ship Dynamic Positioning Controller Based on DSP

SHILigang,DONGShengli,ZHANGHuanren

(Ship Automation Branch, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

Based on the SRI-VC2110DP dynamic positioning control system, a dynamic positioning controller with digital signal processor is designed for a crane ship. The developed hardware circuits, including dual CAN bus interface, dual Ethernet interface and I/O interface, are described and the hardware equipment tests according to the requirements for the dynamic positioning controller are introduced. To support the function/performance tests of the controller, a dynamic positioning application program is developed under the SYS/BIOS real-time operating system, and a simulation platform is built to verify the real-time performance and reliability of the controller.

dynamic positioning control system; controller design; DSP

2016-11-07

石禮剛(1990—)，男，山東滕州人，碩士生，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作。

1674-5949(2017)01-0027-06

U664.82

A