基于單片機的電磁計程儀模擬器設計

姜 旭，周愛軍，馬海瑞

(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116011)

0 引 言

電磁計程儀是一種測量船舶航速和累計航程的設備，它所提供的航速信息對航海、武備、雷達、操縱等系統十分重要，是艦船主要導航儀器之一，也是各種形式的組合導航系統不可缺少的組成部分[1]。在航海相關課程教學過程中，由于計程儀本身模塊多，操作步驟繁瑣，尤其是誤差校正環節有一定難度，且在實驗室環境下缺少水體環境，傳感器模塊沒有信號輸入。整個教學過程多以理論為主，學生缺乏感性認識和實際操作經驗。本文利用單片機功能豐富、專用性強且系統精簡的特點，設計開發了電磁計程儀模擬教具。該教具顯示直觀，易于操作，可實現各種形式信號的輸出，同時突出教學需求，新增教學模式和操作記錄等有助教學的功能，利于提高學習者對實際裝備的理解和使用水平[2]。

1 總體要求及方案

1.1 系統需求和設計思路

該模擬器具備實際計程儀設備的各種操作功能和信號輸出，同時擴展面向學員的教學功能設置，在利于學員學習練習的同時，還可以作為各種模擬系統和綜合實驗的一個模塊，向其它裝備輸出各種形式的信號。

為使模擬器性能達到預期，整個模擬器的設計需滿足以下要求：一是結構簡單，體積小，裝配調試方便；二是模擬器數據解算和發送精度符合實際裝備指標，采用數值積分和數字發送的形式，使航速航程的傳送可以完全與主儀器同步，航程解算精度優于0.1%;三是在測速校正時能自動完成計時、速度誤差計算、修正參數計算以及修正量裝定，測速校正操作方便，并大大縮短了作業時間；四是接口電路功能齊全，具備并行、串行數字量輸出，200脈沖/海里輸出和轉角形式的模擬量輸出，具備滿足不同用戶的使用要求。

模擬器的設計思路如圖1所示，根據計程儀工作流程和各種信號輸出要求得到整個設計的性能需求，從而選擇相應的單片機及外圍模塊。程序設計方面主要有兩部分組成：一是實際計程儀各功能的程序設計，二是所擴展的教學功能的程序設計。在硬件規劃和程序設計完成后，對整個系統進行整合模擬和各種測試，最后得到模擬器的性能結論。

圖1 系統設計思路

1.2 信號輸入輸出方式

電磁計程儀所獲得的航速航程信息，是導航定位系統、武備指揮系統及許多其它重要裝備操作運行的主要輸入參數。本系統利用單片機本身的I/O以及外圍接口電路器件實現各種信號的輸出。

本系統的信號輸入方面主要有2項，包括鍵盤輸入參數數據和模擬電位器模擬信號數據。信號輸出類型主要有4項，包括顯示模塊所需數字信號，存儲器串行I2C接口數據，各裝備及系統所需TTL電平200脈沖/海里數字信號、串行并行數字信號、轉角模擬信號。信號輸入輸出關系如圖2所示。

圖2 系統信號輸入輸出關系

1.3 模塊構成

整個模擬教具系統的設計是以STC89C55單片機為核心，配合二極管、數碼管、1602液晶、矩陣鍵盤等顯示模塊和輸入輸出模塊組成[3]，總體結構如圖3所示。

圖3 系統各模塊設計框圖

硬件電路設計方面，選擇應用廣泛、穩定性好、性價比高且具有在線系統編程(ISP)功能的STC89C55單片機[4]，相較于其他型號單片機，它內部具有20 kB的程序存儲器(ROM)，可以滿足整個程序的存儲需要。通過其它外圍電路的配合，可以實現電磁計程儀顯示和操作功能。選用2個7段6位數碼管作為航速航程顯示模塊；1602液晶面向施訓人員，用作教學設置顯示模塊；矩陣鍵盤作為輸入模塊，支持模擬計程儀各項操作的同時，還作為教學設置鍵盤使用；數據存儲方面，使用1塊型號為AT24C32的具有I2C總線接口的電可擦除可編程只讀存儲器(E2PROM)作為儲存單元，實現各項工作數據的存儲和掉電保護[5]。

在信號輸入輸出環節，根據計程儀信號輸入輸出要求，并考慮單片機I/O口資源限制，利用MAX7219驅動芯片對數碼管進行驅動控制，節省I/O口資源的同時也減輕了軟件負擔。利用單片機P0口將數據送液晶顯示模塊且將數據以并行方式送出。模擬信號輸入采用PCF8591轉換芯片進行模/數(A/D)轉換，模擬信號輸入模塊設置的目的是進行模擬工況檢查，即調節電位器時，計程儀模擬器的速度顯示應穩定連續地增加。

程序方面，利用keil進行C語言編程，使數碼管顯示單元完全復現實際設備的各項顯示功能，包括開機自檢、航速顯示、航程累積、參數設定和誤差校正。1602液晶作為教員操作顯示模塊，實現教學模式設置和初始參數的裝定。

2 系統功能模塊設計

2.1 單片機系統

如圖4所示，單片機模塊主要包括1塊STC89C55型單片機和晶振及復位電路，P0口作為數據輸出端口，增加了1個10 kΩ的上拉電阻，與液晶顯示模塊進行數據通信，并進行數據的并行發送。為節省單片機I/O口資源，系統與外部器件多采取串行方式進行數據傳輸，比如利用MAX7219進行數碼管驅動，利用PCF8591進行模擬量輸入。晶振電路由晶振X1、電容C1、C2組成，晶振頻率設定為11.059 2 MHz，便于設置單片機與PC機通信時的波特率。復位電路由電解電容和電阻組成，通過按鈕RESET實現復位功能[6]。

圖4 單片機系統圖

2.2 鍵盤輸入模塊

鍵盤輸入模塊主要包括一個4×4矩陣鍵盤，計程儀模擬器的按鍵需求為18個，所以增設2個獨立按鍵。為節省單片機I/O口資源，并降低單片機負擔，提升工作效率，在設計矩陣鍵盤時使用鍵盤編碼器芯片74C922，該芯片能夠獨立地進行鍵盤檢測和消抖，掃描程序也更為簡捷。74C922的鍵盤接口X1～X4，Y1～Y4分別與4×4鍵盤的列與行相連，輸出DOUTA～DOUTD與單片機P1.0～P1.3口相連，信號端DA接單片機P3.5口。設計情況如圖5所示。

圖5 鍵盤輸入模塊

3 程序設計與流程

該系統的總體流程是按照實際設備的操作使用順序執行的，基本框圖如圖6所示。系統在執行功能程序之前，會進行開機自檢環節，在開機自檢中，數碼管顯示單元會順序顯示相應的開機自檢代碼。自檢結束后，系統進行初始化，將相關的基本硬件(如寄存器、數據單元、計數單元)、中斷、定時循環、外設等進行初始化。隨后進入等待中斷狀態，根據按鍵中斷鍵值的不同，系統進入不同的子程序，如按下啟動鍵，設備進入正常工作程序；按下停止鍵，系統停止航速顯示，進入待機狀態。相似地，還有參數裝定、參數檢查、測速校正、模擬工況檢查等子程序。正常工作狀態時，該子程序每1 s循環1次，顯示模塊刷新頻率相應為1 Hz。

圖6 程序總體框圖

測速校正環節是系統很重要的一個子程序，在測速校正環節，程序是由進測速場中斷服務子程序、出測速場中斷服務子程序和裝定服務子程序組合而成。每個子程序通過檢測鍵盤上相應的按鍵進行調用。當按下“測速入”按鍵后，模擬器執行進測速場中斷服務程序，完成啟動定時和航程清零。當駛出測速場時，便執行出測速場中斷服務程序。這段程序要完成航行時間的讀取、計算并顯示本航次的真速度和計程儀的計算速度及誤差量[7-9]。

在誤差校正的環節中，系統采用的是線性回歸處理方法消除誤差的。測速時，單航次計程儀平均速度Vx可用指示航程ΔSx和航行時間Δt來求得，艦船真速度Vz可用測速線長L和航行時間求得：

(1)

(2)

此測速過程中，每種速度下應在迭標的同一航跡上正、反、正航行3次，然后求取平均值得到艦船該種速度下的平均真速度和計程儀指示速度。

若系統的非線性誤差較小，就在中速處進行一點測速后進行簡單的斜率修正即可達到測速精度指標。因此，求出零位和斜率就可以求得速度對應直線方程：

Vz=KVx+ΔV0

(3)

式中：Vz為修正后的航速；Vx為測得航速；ΔV0為零位誤差；K值可在中速下測得。

若非線性度比較大，則利用迭標進行高、中、低3個速度點的校正，此時利用線性回歸處理，求得利用折線近似輸出曲線的最佳斜率、零位及各裝定點的修正量，艦船的真速度按下列公式求得：

(4)

式中：VX為速度線性部分值，也是測速時未修正的基本值，裝定點間速度相差為m節，故Vx=mn+R(4-4),n為VX/m的整數部分，R為不足m節的余量；Pn為第n個裝定點的修正值；K為最佳斜率；B為最佳截距。

令K=1+A，A和B的計算公式如下：

(5)

(6)

當求得A、B值后，即可通過公式(4)對速度進行校正。

此系統運行中，除教學模式設置子系統外，其余系統運行及流程和實際模擬對象完全一致，即對于學習者來說，該模擬器的使用過程和在實際設備上是一樣的，從而達到幫助學習者學習和練習的目的。

由于本系統所包含顯示模塊較多，首先在protues仿真軟件中進行2片數碼管的顯示測試，隨后在實驗板上進行各項子程序測試。圖7所示為主儀器航速航程顯示模塊測試。圖8為教學設置模塊測試，顯示內容代表含義為選擇教學模式一，該模式下計程儀處于正常時間速率下運行(其它模式可以提供時間快進功能，以節省等待時間，提升訓練效率)，并可記錄操作步驟。初始航速設置為33.336 km/h，考慮實際干擾設置的波動量rand(該值決定測速過程真速度與計程儀速度之間差值)。

圖7 航速航程顯示

圖8 教學模式設置

4 結束語

本設計以單片機為主體，根據所模擬對象的各項功能及操作流程進行設計，實現所需要的各項顯示和響應，并完成各種形式信號的輸出，同時擴展了教學設置子系統，針對不同航速、不同情況設計多種教學模式，更有利于教學人員施教。通過仿真測試和實際測試，表明該系統可以滿足實際需求，達到幫助學習者加深對某型電磁計程儀理解和使用的目的。