一种基于ARM的新型智能化航迹仪的设计

航迹仪是舰船导航系统中的主要配套设备之一，它能根据陀螺罗经、计程仪提供的航向航程信息或其他导航设备提供的定位信息，在海图上自动连续地绘制出船舶航行的航迹与标记。航迹仪具备的绘制航线导航功能，可使航海人员非常直观的了解到己船位置、偏航程度及未来海域的安全程度。

随着计算机技术的发展，智能化航迹仪的发展趋势是进一步拓宽功能、缩小体积、降低功耗、减少成本、提高可靠性，而传统的航迹仪系统不完全具备上述功能，存在局限性。

1 航迹仪工作原理

航迹仪的工作过程是在计算机控制下进行的。首先，使键盘处于开放状态，通过移笔键和自检键简单检查绘图功能；然后，由综导显控台装海图并向航迹仪发出装海图命令，由此航迹仪自动进入跟踪状态。船舶航迹的实时标绘是通过实时接收由综导显控台发送的纬度、经度值及各种绘图命令，通过数学模型的解算及直线插补运算后，产生步进电机的控制脉冲序列，经功放电路驱动电动机执行，再经机械转换变成绘笔在图面上运动。

传统的航迹仪系统有一定的局限性，存在有待改进之处：(1)传统的航迹仪系统的接口、控制、传动等部分采用分立式设计，占用了大量的空间，且价格较贵。(2)随着导航数据信息化程度的提高，设备间的通讯越发频繁，信息量亦随之增大，使用单一的串行口通讯已不能满足系统要求。(3)航迹仪与综导台使用同一操作界面，缺少独立的人机交互系统。(4)传统的航迹仪为开环系统，无检测反馈装置，影响了走笔的精度。(5)接口板的设计动态初始化要求严格，不能完全满足实时性要求。另外，传统航迹仪传动部分的振动及噪音较大，从另一方面影响了绘笔的精度。新型智能化航迹仪的设计对以上问题给出了解决方案。

2 航迹仪系统的硬件设计

2.1 硬件系统的总体构成

航迹仪微机控制系统是以ARM处理器S3C44B0X模块为中心的控制系统。系统由以下几部分组成：基于ARM处理器S3C44B0X的开发板， STN 型320像素X240行LCD彩色液晶触摸屏，基于FPGA元件XC2S50的接口板，步进电机驱动及控制电路，步进电动机，数字化板。系统的硬件结构如图1所示。



2.2 S3C44B0X主板

传统的航迹仪采用嵌入式PC/104模块为核心控制系统。系统的接口、控制、传动等部分采用分立式设计，占用的空间较大，且价格昂贵。因此在改进设计中使用基于Samsung公司生产的ARM处理器S3C44B0X芯片。由于使用基于芯片开发的主板提高设计开发的灵活性，为本系统所专用，因此所用接口、外设均为自主设计的电路，节省了不必要的开销。这种设计提高了系统的响应速度，降低了成本。另外，S3C44B0X自带LCD控制器，能够保证改进设计中触摸屏显示部分的顺利实现。

S3C44B0X主板主要包括CPU模块及其辅助电路、存储器系统模块、通信模块、系统调试模块、人机接口模块及扩展总线部分。

主板外接CAN总线控制器及总线驱动器等设备，接收CAN总线上由综合导航显控台发送的实时位置、航向信息；通过人机接口接收到的触摸屏发送的控制信息，经处理后将控制命令（主要是控制脉冲频率、脉冲个数、开始停止等命令）通过扩展I/O口发送给接口板，另外，将显示信息发送给LCD触摸显示屏。

2.3 XC2S50接口板

传统航迹仪使用接口板CDT800，其中包括 Am9513计数器与μPD71055I/O接口。CDT800为成品接口板，其计数器Am9513相关资料相对有限，且动态初始化要求严格，在实际应用过程中，对系统资源的占用过大，严重影响系统的实时性。在改进设计中，采用基于Xilinx公司生产的FPGA元件XC2S50的接口板。这种设计提高了系统的集成化，保证了实时性，使得硬件的设计开发更加简便。

XC2S50接口板包括FPGA芯片XC2S50、配置芯片18V01、输出驱动芯片SN74LS244及外部接口电路。其原理图见图2。


开发论坛

接口板的主要功能是：接收S3C44B0X主板通过数据总线发送的数据命令信息(包括：X、Y方向的分频值、脉冲个数、运行方向，以及开始/终止运行、抬落笔、报警等），经FPGA芯片XC2S50处理后，转化为相应频率的脉冲信号；再经输出驱动芯片SN74LS244，通过接口HJY传递给X、Y向的步进电机驱动器。运行程序通过JTAG口或DOWNLOAD口烧写入配置芯片18V01中。

2.4 步进电机及其驱动器

对于航迹仪系统，标绘精度是极其重要的一项技术指标，而电机及传动机构的精度则对其产生直接影响。

航迹仪控制系统对快速性及定位精度均有很高的要求。考虑到系统是针对数字量及位移的控制系统，因此选用步进电机作为其执行元件。步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移的电机元件，当外加一个脉冲信号于电机的控制装置时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），即前进了一步。

系统要求绘笔绘制大量细小折线，这就要求电机工作在低频区且需要频繁地执行起动、停止、调速等操作。因此步进电机极易出现低频振荡，产生工作噪音，影响绘笔的稳定性及标绘精度。因此，改进方案采用了先进的细分驱动器，大大降低了低频振荡。

本设计选用RORZE公司生产的5相混合式步进电机M56853D及相应的5相细分步步进电机驱动器RD－0534M。

步进电机M56853D各技术参数：

最大静转矩Mk=8.0kg·cm；电流I=3.5A/相；转子转动惯量Jr=0.240g·cm·S2；步距角（整步时）θb== 0.72°；容许径向负载10.5kg；容许轴向负载1.5kg；转子齿数Zr=100。

细分驱动器RD－0534M各技术参数：

改进后航迹仪系统电机步距角变为原系统的1/80，步距分辨率及控制脉冲频率均得到提高。提高后的控制脉冲频率大大超过了自由振动频率f0，从而避免了系统的低频振荡。