小型艦船航海儀器數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高 楊，王則勝

（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)字化的航海儀器被應(yīng)用到艦船上來，如GPS導(dǎo)航儀、北斗導(dǎo)航儀、羅蘭 C、數(shù)字氣象儀、測深儀、加裝磁航向傳感器的磁羅經(jīng)等，這些航海儀器各司其職為艦船安全航行提供了重要保證，對于部分小型艦船這些儀器只能獲取艦船當(dāng)前航行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并不能傳遞、處理、利用彼此的信息，由于這些儀器安裝位置比較分散，航行數(shù)據(jù)需要人工單獨(dú)采集整理，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于船長在緊急情況下做出情況處置，尤其在戰(zhàn)時(shí)，對于贏得戰(zhàn)場戰(zhàn)機(jī)比較被動(dòng)。本論文的研究內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)航儀器的信息采集及轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將比較分散的各相關(guān)的航海數(shù)據(jù)以電子顯示的方式顯示在帶上位機(jī)的導(dǎo)航儀器上，以便船長綜合分析航行數(shù)據(jù)，為船長做出情況處置提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 裝置硬件設(shè)計(jì)

裝置主要由單片機(jī)控制電路、液晶驅(qū)動(dòng)及顯示電路、光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路、CAN總線控制電路、旋轉(zhuǎn)編碼器等組成如圖1所示。裝置的控制核心選用了C8051F340單片機(jī)，該單片機(jī)具有高可靠性、高性能和強(qiáng)干擾能力，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)[1]。裝置的主要完成以下任務(wù)：利用單片機(jī)自帶的串口采集標(biāo)準(zhǔn)的 IEC-61162-1異步串行信號如磁羅經(jīng)的航向信息、北斗導(dǎo)航儀的位置信息、測深儀的水深信息等，利用可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）采集編碼器的角度信息（角度可以是方位值也可以使舷角值），再對這些信息進(jìn)行打包處理，最后將打包后的信息發(fā)送CAN總線供帶屏幕顯示的導(dǎo)航儀器接收，以達(dá)到信息共享的目的，同時(shí)利用液晶驅(qū)動(dòng)及顯示電路顯示實(shí)際采集的數(shù)據(jù)[2]。

1.1 光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路

各航海儀器與裝置的連接主要是通過 RS232或RS485，電路的設(shè)計(jì)為了考慮裝置的通用性，設(shè)置了兩種電平轉(zhuǎn)換電路。考慮到裝置的安全，設(shè)計(jì)了光電隔離電路及將串行信號轉(zhuǎn)換為 TTL信號[3]。電路如圖2所示。

1.2 液晶驅(qū)動(dòng)及顯示電路

市面上8段數(shù)碼顯示電路眾多，考慮到裝置使用環(huán)境多在露天，8段數(shù)碼管的顯示效果不如液晶顯示效果，裝置的數(shù)據(jù)顯示采用1621芯片作為驅(qū)動(dòng)，用于顯示采集到的數(shù)據(jù)[4]。

電路如圖3所示。

1.3 CAN總線控制電路

裝置采集到的信息采用 CAN總線的形式進(jìn)行共享分發(fā)，本文設(shè)計(jì)的 CAN總線控制電路采用Philips公司生產(chǎn)的CAN微控制器SJA1000，該控制器符合 CAN2.0B協(xié)議，完全兼容PCA82C200；支持29位標(biāo)識(shí)符模式，有64B的接收緩沖區(qū)、能通過驗(yàn)收屏蔽碼寄存器和驗(yàn)收碼寄存器對標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀進(jìn)行單向/雙向接收濾波；對 CAN總線上的每一個(gè)錯(cuò)誤可進(jìn)行錯(cuò)誤中斷；可通過檢測具體位來仲裁丟失中斷等特性。通過與 RX、TX 連接的電路采用的是PCA82C250。它是SJA1000控制器與物理總線之間的接口，可以提供對總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接收能力，具有很強(qiáng)的抗干擾能力[5]。

2 裝置軟件設(shè)計(jì)

本裝置的軟件框圖如圖4所示。主要用于系統(tǒng)自檢、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)系統(tǒng)軟件由主程序和子程序組成。主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化設(shè)置，在系統(tǒng)通電后先進(jìn)行系統(tǒng)自檢。子程序包括設(shè)置液晶顯示、鍵盤掃描、串口通信、PCA采集、CAN總線通信。鍵盤掃描采用中斷方式，用掃描法識(shí)別被按下鍵來選擇航海儀器數(shù)據(jù)源，采用串口中斷形式來查詢各航海儀器是否發(fā)送數(shù)據(jù)過來，采用可編程計(jì)數(shù)器PCA記錄旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)來計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度。航海儀器數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。

3 結(jié)語

上述單艦船航海儀器信息采集裝置在設(shè)計(jì)方面充分利用 C8051F340單片機(jī)自身的軟硬件資源，大大降低了軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和整個(gè)裝置開發(fā)、維護(hù)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。相比其它實(shí)現(xiàn)方案，具有使用器件少、節(jié)約成本、調(diào)試方便等特點(diǎn)，很好地滿足了航海儀器信息采集對實(shí)時(shí)性、同步性、通用性的要求。此裝置在應(yīng)用時(shí)配上不同的航海儀器，稍加改動(dòng)，便可在艦船多個(gè)部門得到應(yīng)用，因而具有較高的實(shí)用性和開發(fā)價(jià)值。

[1]尹海宏.基于單片機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2008.

[2]唐寶成.基于C8051F020單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)[J].科學(xué)與財(cái)富,2010.

[3]許文斌,曾全勝.單片機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2009.

[4]鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001:1-32.

[5]Philips Semiconductors.SJA1000Stand-alone CAN controller.Preliminary specification[M],1997:46-49.