船舶操縱模擬器的隨動舵測量方法

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(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶隨動舵是航海模擬訓(xùn)練器中用來操縱船舶航向的模擬裝置，其設(shè)計目標是仿真實際航海舵，自動、連續(xù)、精確地反映船舶航行的方向信號。在操縱過程中，隨動舵不停地轉(zhuǎn)動，這就要求計算機能夠?qū)崟r地檢測出方向盤的方向和角度，故筆者采用旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)合CPLD技術(shù)實時檢測船舶隨動舵的方向和角度。

1 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

測量系統(tǒng)主要由聯(lián)軸器、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器[1]、計算機系統(tǒng)組成。

用聯(lián)軸器將被測的船舶隨動舵與旋轉(zhuǎn)編碼器連接，隨動舵往復(fù)旋轉(zhuǎn)時帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生10位二進制數(shù)字信號，也就是編碼器提供的脈沖數(shù)量，通過CPLD技術(shù)和預(yù)先編寫好的程序?qū)⒚}沖的數(shù)量累加計算。

1.2 測量系統(tǒng)的工作原理

船舶隨動舵在往復(fù)運動過程中，要實時檢測旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度。隨動舵旋轉(zhuǎn)的角度由旋轉(zhuǎn)圈數(shù)產(chǎn)生脈沖和單圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖累加而得[2]。

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號通常有2種形式：單端輸出和雙端輸出。單端輸出指轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，有相應(yīng)的一組脈沖輸出，其計數(shù)點(Z相)任意設(shè)定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。但不能判斷旋轉(zhuǎn)的方向，也就不能測出隨動舵在旋轉(zhuǎn)過程中的方向。雙端輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器則輸出兩組相位相差90°的脈沖(A、B相)，通過這兩組脈沖不僅可以測量單圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度，還可以判定旋轉(zhuǎn)方向。隨動舵在進行多圈旋轉(zhuǎn)時，編碼器的Z相可以計數(shù)，從而可以準確判定隨動舵的方向、計算轉(zhuǎn)過的角度。

設(shè)計中選用雙端輸出，先判斷旋轉(zhuǎn)方向，然后判斷轉(zhuǎn)動的角度。旋轉(zhuǎn)方向的判斷是采用2個(A、B相)相位差90°的方波編碼方式，由A、B相2個波形的相位差決定，Z相是當旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)一圈或者回轉(zhuǎn)時歸零將輸出方波脈沖。

當輸出波形A相超前于輸出波形B相時(圖1a))，認為順時針旋轉(zhuǎn)，反之，輸出波形A相滯后于輸出波形B相時(圖1b))，認為逆時針旋轉(zhuǎn)。如果旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化時，其輸出信號發(fā)生鏡像翻轉(zhuǎn)(圖1c))。這樣通過A、B相的先后順序就很容易地判斷出隨動舵的轉(zhuǎn)動方向。

圖2 芯片設(shè)計原理圖

a) A相超前B相

b) A相滯后B相

c) 旋轉(zhuǎn)方向變化圖1 A、B相關(guān)

分辨率是旋轉(zhuǎn)編碼器的主要參數(shù)，分辨率就是每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，由編碼器的光柵線數(shù)決定，線數(shù)越多，分辨率越高。本文選用的是每轉(zhuǎn)1 024個脈沖的編碼器，分辨率為1 024/360°。一般情況下，以A相或者B相中的一相進行脈沖計數(shù)即可得到轉(zhuǎn)動的角度。如果要求系統(tǒng)精度更高，可以對A、B兩相分別進行計數(shù)，這樣測量的精度可以提高4倍，相當于分辨率為4 096/360°。

2 硬件設(shè)計

隨動舵往復(fù)旋轉(zhuǎn)時，編碼器產(chǎn)生的10位二進制數(shù)字信號的計數(shù)由復(fù)雜可編程邏輯器CPLD完成。系統(tǒng)選用Altera公司生產(chǎn)的EPM7032SLC44-10芯片，利用軟件MAX+plusII編程實現(xiàn)對芯片的設(shè)計，邏輯原理見圖2。

和普通的可編程邏輯器件相比，CPLD具有以下優(yōu)點：操作靈活，使用方便；高性能的邏輯能力；存儲元胞密度高；可靠性好，經(jīng)久耐用；能實現(xiàn)電擦除；能為器件提供快速編程。其設(shè)計一般是一種“自上而下”的設(shè)計[3]，設(shè)計過程包括下面幾個方面：

1) 行為設(shè)計。確定所設(shè)計的系統(tǒng)或CPLD芯片的功能、性能及允許的芯片面積或成本。

2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)該系統(tǒng)或CPLD的特點，將其分解為接口清晰、相互關(guān)系明細、盡可能簡單的子系統(tǒng)，得到1個總體結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)可能包括算術(shù)運算單元、控制單元、數(shù)據(jù)通道、各種算術(shù)狀態(tài)機等。

3) 邏輯設(shè)計。盡可能采用規(guī)則的邏輯結(jié)構(gòu)或采用自己經(jīng)過考驗的邏輯單元或模塊。

4) 電路設(shè)計。將邏輯圖轉(zhuǎn)換成電路圖，在很多情況下，這時需要進行硬件仿真以最終確定邏輯設(shè)計的正確性。

最后，將設(shè)計好的電路經(jīng)過編譯，形成熔絲文件，將該文件下載到選定的CPLD就成為可以完成固定功能的ASIC了。在整個開發(fā)程序中，利用軟件MAX+plusII編程可完全實現(xiàn)設(shè)計和仿真。

圖2中，以A相脈沖數(shù)量來計算旋轉(zhuǎn)的角度，B相脈沖輔助判斷旋轉(zhuǎn)方向，Z相脈沖計算旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。當編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時，A相超出B相，A相上升沿到來時B相為低電平，則D觸發(fā)器輸出Q為低電平；當編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時，A相滯后B相，A相上升沿到來時B相為高電平，則D觸發(fā)器輸出Q為高電平，這樣根據(jù)D觸發(fā)器輸出Q電平的高低可以判定隨動舵的方向了。當隨動舵轉(zhuǎn)過一圈，Z相就會自動累加一個脈沖。這樣隨動舵轉(zhuǎn)過的角度就能真實地在航海模擬器中反映出來，指導(dǎo)實際操縱。圖2中相對應(yīng)的VHDL編程如下：

PROCESS(NA)

BEGIN

IF(NA’ EVENT AND NA=‘1’)THEN

AB <= NB;

END IF

END PROCESS

根據(jù)A、B相變化前后狀態(tài)，可以準確的判定旋轉(zhuǎn)方向。一圈內(nèi)以A相脈沖數(shù)量計數(shù)的VHDL編程如下：

PROCESS(NA,NB)

BEGIN

IF(NA′ EVENT AND NA=′1′)THEN

IF(NB=′1′)THEN

Counter <= Counter+1;

ELSE

Counter <= Counter-1;

END IF

END IF

END PROCESS

Z相表示多圈的計數(shù)，VHDL編程如下：

PROCESS(Z,AB)

BEGIN

IF(Z′ EVENT AND Z=′1′)THEN

IF(AB=′1′)THEN

Counter <= Counter+1;

ELSE

Counter <= Counter-1;

END IF

END IF

END PROCESS

這樣就完成了方向的判定及編碼器的計數(shù)。運用CPLD技術(shù)對編碼器進行判定和計數(shù)時，考慮到旋轉(zhuǎn)編碼器的控制電源可以在較大范圍內(nèi)變化使用，為了確保系統(tǒng)的安全可靠，必須進行光電隔離[4]。同時為了防止噪聲引起的信號抖動，應(yīng)采用斯密特觸發(fā)器進行抗抖動和信號處理。

3 軟件控制設(shè)計

本系統(tǒng)采用VC++進行軟件編程，在隨動舵的位置狀態(tài)檢測時，初始狀態(tài)設(shè)置為0，通過軟件定時掃描，檢測結(jié)果隨時傳送給主程序，流程見圖3。

圖3 檢測流程圖

將隨動舵的實時位置狀態(tài)建立強有力的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，采用動態(tài)連接庫(DLL)技術(shù)，實現(xiàn)I/O接口函數(shù)的動態(tài)調(diào)用。DLL的代碼在運行時加載，同時被映射到其他進程的地址空間中。這樣就允許幾個不同的進程在內(nèi)存中共享DLL，從而實現(xiàn)代碼的共享和系統(tǒng)的優(yōu)化。這樣實時檢測到的隨動舵的狀態(tài)和航海模擬器的視景系統(tǒng)軟件有機地結(jié)合在一起。

4 結(jié)束語

利用編碼器測量隨動舵的方向和角度的方法已經(jīng)應(yīng)用于多套船舶操縱模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，訓(xùn)練結(jié)果表明，該測試方法能精確的反映出實時航向信號，仿真效果好、工作可靠，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 戴新敏,陸 榮.旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用[J].科技資訊，2006,23:2.

[2] 于曉東,胡大欣.旋轉(zhuǎn)編碼器在回轉(zhuǎn)體角度測量的應(yīng)用[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備， 2005, 33(2):67-68.

[3] 何 靜,李清峰.基于CPLD的混合邏輯乘法器的設(shè)計[J].微計算機信息，2006,2(2)：244-246.

[4] 賀勝洪,錢學(xué)軍.基于CPLD技術(shù)的多通道編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表，2003(5)：4-7.