計程儀的設(shè)計及系統(tǒng)驗證

欒厚斌， 王 平

（1.海裝沈陽局駐大連地區(qū)第一軍事代表室， 遼寧 大連 116005；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所， 山東 青島 216600）

引言

計程儀為航海行程中對船舶運行速度和航程統(tǒng)計的主要儀器，該儀器的精度和品質(zhì)對于保證船舶的安全運行具有重要意義。從某種程度上說，計程儀所提供的精準(zhǔn)速度和航程信息對于其位置的準(zhǔn)確定位具有重要意義，可從根本上提升船舶慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和航向精度[1]。本文重點對計程儀進(jìn)行設(shè)計，并對其導(dǎo)航定位系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗證。

1 計程儀概述

根據(jù)計程儀測量時所參考坐標(biāo)系的不同，可將其分為相對計程儀和絕對計程儀。其中，相對計程儀只能夠獲取船舶相對于水流的速度并在此基礎(chǔ)上完成航程的換算，具有代表性的相對計程儀包括水壓式計程儀、電磁式計程儀，其中以電磁式計程儀的應(yīng)用較為廣泛。電磁式計程儀具有線性速度測量好、測量范圍廣等優(yōu)勢，其測量精度較高[2]。我國以往所裝配的電磁式計程儀比例高達(dá)80%。但是，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，電磁式計程儀所測量的數(shù)據(jù)容易受到水流和水壓的干擾。電磁式計程儀的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電磁式計程儀結(jié)構(gòu)

絕對式計程儀測量時的參考坐標(biāo)系為地，其根本原理為多普勒效應(yīng)。該類計程儀的測量精度較相對計程儀高，且其速度的測量門限值較低。鑒于此，目前我國船舶上裝備的計程儀已經(jīng)由傳統(tǒng)的電磁式計程儀替代為絕對式計程儀。

本文以超聲多普勒計程儀為例開展研究，基于多普勒效應(yīng)的原理，該計程儀在實際應(yīng)用中測量精度容易受到周圍環(huán)境、發(fā)射傾角、波速寬度、測頻算法的影響。因此，在對計程儀設(shè)計時需重點考慮上述影響因素的問題。

2 計程儀的設(shè)計

本小節(jié)將完成多普勒超聲計程儀的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計內(nèi)容。

2.1 多普勒超聲計程儀的硬件設(shè)計

對船舶運行速度測量的依據(jù)為超聲波回波信號的變化頻率。結(jié)合影響多普勒超聲計程儀精度的因素，多普勒超聲計程儀需具備超聲波的發(fā)射與接收、環(huán)境溫度的測量、回波信號頻率測量及計算及其結(jié)構(gòu)顯示等功能?；诖耍O(shè)計的多普勒超聲計程儀的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 多普勒超聲計程儀結(jié)構(gòu)

超聲波發(fā)射模塊由微控制器發(fā)出PWM 的脈沖信號，在功率放大電路和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換為超聲波。本方案所設(shè)計超聲波的頻率為40 Hz。本方案中超聲波信號發(fā)生模塊中包含了發(fā)射換能器和接收換能器。一般情況下，系統(tǒng)所接受的回波信號為窄帶信號，其中含有大量的噪聲。為保證所采集回波信號的質(zhì)量，應(yīng)在接收回路中增加帶通濾波器。

微控制器為多普勒超聲計程儀的核心，為解決傳統(tǒng)微型控制器功能局限及數(shù)字信號處理能力差的問題，本系統(tǒng)采用Kinetis ARM Cortex 微型控制，具體系列為K60 微型控制器。

2.1.1 發(fā)射電路的設(shè)計

多普勒超聲計程儀發(fā)射電路包括光電耦合器件、功率放大電路及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

光電耦合器件的主要功能是提升發(fā)射電路的安全性，減少接收電路對發(fā)射電路的干擾。光電耦合器件能夠?qū)⑶岸伺c負(fù)載隔離開，本方案所選用光電耦合器件為TLP521-2，其連接位置位于微型控制器與功率放大電路中間[3]。

功率放大電路可分為A、B、C、D 四類。對于四種功率放大電路，其中以D 類功率放大電路的效率最高，最大效率可達(dá)90%。因此，本方案選用D 類推挽放大電路為功率放大電路，對應(yīng)的電路如圖3 所示。

圖3 D 類功率放大電路

D 類功率放大電路選用BUZ10 型NMOS 管，對應(yīng)的最大電壓值為50 V，最大電流值為23 A；對應(yīng)的NMOS 管驅(qū)動電路采用延時啟動方式，其中開通的延遲啟動時間為50 ns，關(guān)閉的延遲啟動時間為150 ns；所匹配變壓器的功率頻率與超聲波的頻率一致，均為40 kHz，最大輸出功率為2 W，對應(yīng)的磁芯材料為EE 性鐵氧體磁芯。

發(fā)射電路阻抗匹配的任務(wù)是調(diào)諧和變阻。其中，調(diào)諧的主要目的是將回路中的阻抗變?yōu)?；變阻的主要目的是實現(xiàn)內(nèi)阻與負(fù)載的平衡，保證負(fù)載的功率達(dá)到最大值。本方案采用互感耦合諧振電路，該電路的失真較小[4]。

2.1.2 接收電路的設(shè)計

接收電路包括保護(hù)電路、放大電路和帶通濾波器。

保護(hù)電路是避免發(fā)射電路的輸出高壓對接收電路造成干擾，為此設(shè)計保護(hù)電路實現(xiàn)收發(fā)電路的隔離。本方案以二極管為基礎(chǔ)設(shè)計鉗位保護(hù)電路，對應(yīng)的電路如圖4 所示。

圖4 基于二極管的鉗位保護(hù)電路

一般情況下，系統(tǒng)所接收到的回波信號量值減小僅為3 mV。為保證對回波信號的準(zhǔn)確處理，采用PGA202 放大器對回波信號進(jìn)行放大，可供選擇的增益有1、10、100、1 000 四種。本方案所選擇的增益為1 000。

帶通濾波器的主要作用是將窄帶回波信號中的噪聲進(jìn)行去除處理。本方案選用基于MFBP 電路的帶通濾波器。

2.2 計程儀的軟件設(shè)計

從理論上將，計程儀為嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)為在硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計合理的軟件，從而保證其功能的實現(xiàn)。本系統(tǒng)選用C 語言進(jìn)行編譯。系統(tǒng)中對應(yīng)的內(nèi)核時鐘頻率為100 MHz，總線的時鐘頻率為50 MHz，F(xiàn)lexBus 對應(yīng)的時鐘頻率為25 MHz，F(xiàn)lash 對應(yīng)的時鐘頻率也為25 MHz。

本小節(jié)根據(jù)計程儀硬件的功能及其應(yīng)用需求，設(shè)計如圖5 所示的主程序流程圖。

圖5 計程儀主程序流程

3 計程儀的系統(tǒng)驗證

為保證所設(shè)計的計程儀實裝至船體的性能，將其在實驗室進(jìn)行試驗對其性能進(jìn)行驗證。系統(tǒng)驗證前需對計程儀的最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)及回波信號的ADC 進(jìn)行調(diào)試。

針對最小系統(tǒng)，主要對其中的電源模塊、CPU 及GPIO 模塊進(jìn)行分別調(diào)試。

針對超聲波發(fā)射系統(tǒng)，對其發(fā)射頻率和幅值進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)調(diào)試后超聲波發(fā)射系統(tǒng)輸出超聲波的頻率為40 kHz，幅值為12 V。

針對超聲波接收系統(tǒng)和回波信號，對其經(jīng)過功率放大電路后的幅值進(jìn)行調(diào)試，保證其幅值浮動在-300～300 mV[5]。

系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后對其不同信噪比下的測頻誤差進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下頁圖6 所示。

由下頁圖6 可知，當(dāng)系統(tǒng)信噪比控制在16 dB以上時，對應(yīng)系統(tǒng)的頻率誤差小于5 Hz，對應(yīng)所測量船舶的速度效率為0.041 m/s。上述測頻誤差滿足船舶的測速精度要求。

圖6 不同信噪比下系統(tǒng)的測頻誤差仿真分析

4 結(jié)語

多普勒超聲波計程儀為船舶航行中必不可少的儀器，其主要功能是對船舶運行速度和實時位置進(jìn)行確定。為了保證船舶運行的安全性，需保證多普勒超聲波計程儀的測速及定位精度滿足要求，本文重點對計程儀進(jìn)行設(shè)計，并對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗證，具體總結(jié)如下：

1）本系統(tǒng)以K60 微型控制器為核心，重點完成了發(fā)射電路、接收電路的設(shè)計，并重點對其中的帶通濾波器和光電耦合器件進(jìn)行選型。

2）結(jié)合計程儀的實際工作需求，完成了系統(tǒng)的主程序控制流程的設(shè)計。

3）對系統(tǒng)完成調(diào)試后，所設(shè)計計程儀的測量精度滿足要求。