一种基于ARM及FPGA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。

    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