計程儀的設計及系統驗證

欒厚斌， 王 平

（1.海裝沈陽局駐大連地區第一軍事代表室， 遼寧 大連 116005；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所， 山東 青島 216600）

引言

計程儀為航海行程中對船舶運行速度和航程統計的主要儀器，該儀器的精度和品質對于保證船舶的安全運行具有重要意義。從某種程度上說，計程儀所提供的精準速度和航程信息對于其位置的準確定位具有重要意義，可從根本上提升船舶慣性導航系統的定位精度和航向精度[1]。本文重點對計程儀進行設計，并對其導航定位系統的功能進行驗證。

1 計程儀概述

根據計程儀測量時所參考坐標系的不同，可將其分為相對計程儀和絕對計程儀。其中，相對計程儀只能夠獲取船舶相對于水流的速度并在此基礎上完成航程的換算，具有代表性的相對計程儀包括水壓式計程儀、電磁式計程儀，其中以電磁式計程儀的應用較為廣泛。電磁式計程儀具有線性速度測量好、測量范圍廣等優勢，其測量精度較高[2]。我國以往所裝配的電磁式計程儀比例高達80%。但是，在實際應用中發現，電磁式計程儀所測量的數據容易受到水流和水壓的干擾。電磁式計程儀的結構如圖1 所示。

圖1 電磁式計程儀結構

絕對式計程儀測量時的參考坐標系為地，其根本原理為多普勒效應。該類計程儀的測量精度較相對計程儀高，且其速度的測量門限值較低。鑒于此，目前我國船舶上裝備的計程儀已經由傳統的電磁式計程儀替代為絕對式計程儀。

本文以超聲多普勒計程儀為例開展研究，基于多普勒效應的原理，該計程儀在實際應用中測量精度容易受到周圍環境、發射傾角、波速寬度、測頻算法的影響。因此，在對計程儀設計時需重點考慮上述影響因素的問題。

2 計程儀的設計

本小節將完成多普勒超聲計程儀的硬件設計和軟件設計內容。

2.1 多普勒超聲計程儀的硬件設計

對船舶運行速度測量的依據為超聲波回波信號的變化頻率。結合影響多普勒超聲計程儀精度的因素，多普勒超聲計程儀需具備超聲波的發射與接收、環境溫度的測量、回波信號頻率測量及計算及其結構顯示等功能。基于此，所設計的多普勒超聲計程儀的總體結構如圖2 所示。

圖2 多普勒超聲計程儀結構

超聲波發射模塊由微控制器發出PWM 的脈沖信號，在功率放大電路和阻抗匹配網絡的基礎上轉換為超聲波。本方案所設計超聲波的頻率為40 Hz。本方案中超聲波信號發生模塊中包含了發射換能器和接收換能器。一般情況下，系統所接受的回波信號為窄帶信號，其中含有大量的噪聲。為保證所采集回波信號的質量，應在接收回路中增加帶通濾波器。

微控制器為多普勒超聲計程儀的核心，為解決傳統微型控制器功能局限及數字信號處理能力差的問題，本系統采用Kinetis ARM Cortex 微型控制，具體系列為K60 微型控制器。

2.1.1 發射電路的設計

多普勒超聲計程儀發射電路包括光電耦合器件、功率放大電路及阻抗匹配網絡。

光電耦合器件的主要功能是提升發射電路的安全性，減少接收電路對發射電路的干擾。光電耦合器件能夠將前端與負載隔離開，本方案所選用光電耦合器件為TLP521-2，其連接位置位于微型控制器與功率放大電路中間[3]。

功率放大電路可分為A、B、C、D 四類。對于四種功率放大電路，其中以D 類功率放大電路的效率最高，最大效率可達90%。因此，本方案選用D 類推挽放大電路為功率放大電路，對應的電路如圖3 所示。

圖3 D 類功率放大電路

D 類功率放大電路選用BUZ10 型NMOS 管，對應的最大電壓值為50 V，最大電流值為23 A；對應的NMOS 管驅動電路采用延時啟動方式，其中開通的延遲啟動時間為50 ns，關閉的延遲啟動時間為150 ns；所匹配變壓器的功率頻率與超聲波的頻率一致，均為40 kHz，最大輸出功率為2 W，對應的磁芯材料為EE 性鐵氧體磁芯。

發射電路阻抗匹配的任務是調諧和變阻。其中，調諧的主要目的是將回路中的阻抗變為0；變阻的主要目的是實現內阻與負載的平衡，保證負載的功率達到最大值。本方案采用互感耦合諧振電路，該電路的失真較小[4]。

2.1.2 接收電路的設計

接收電路包括保護電路、放大電路和帶通濾波器。

保護電路是避免發射電路的輸出高壓對接收電路造成干擾，為此設計保護電路實現收發電路的隔離。本方案以二極管為基礎設計鉗位保護電路，對應的電路如圖4 所示。

圖4 基于二極管的鉗位保護電路

一般情況下，系統所接收到的回波信號量值減小僅為3 mV。為保證對回波信號的準確處理，采用PGA202 放大器對回波信號進行放大，可供選擇的增益有1、10、100、1 000 四種。本方案所選擇的增益為1 000。

帶通濾波器的主要作用是將窄帶回波信號中的噪聲進行去除處理。本方案選用基于MFBP 電路的帶通濾波器。

2.2 計程儀的軟件設計

從理論上將，計程儀為嵌入式系統，該系統為在硬件的基礎上設計合理的軟件，從而保證其功能的實現。本系統選用C 語言進行編譯。系統中對應的內核時鐘頻率為100 MHz，總線的時鐘頻率為50 MHz，FlexBus 對應的時鐘頻率為25 MHz，Flash 對應的時鐘頻率也為25 MHz。

本小節根據計程儀硬件的功能及其應用需求，設計如圖5 所示的主程序流程圖。

圖5 計程儀主程序流程

3 計程儀的系統驗證

為保證所設計的計程儀實裝至船體的性能，將其在實驗室進行試驗對其性能進行驗證。系統驗證前需對計程儀的最小系統、超聲波發射與接收系統及回波信號的ADC 進行調試。

針對最小系統，主要對其中的電源模塊、CPU 及GPIO 模塊進行分別調試。

針對超聲波發射系統，對其發射頻率和幅值進行調試，經調試后超聲波發射系統輸出超聲波的頻率為40 kHz，幅值為12 V。

針對超聲波接收系統和回波信號，對其經過功率放大電路后的幅值進行調試，保證其幅值浮動在-300～300 mV[5]。

系統調試結束后對其不同信噪比下的測頻誤差進行仿真分析，仿真結果如下頁圖6 所示。

由下頁圖6 可知，當系統信噪比控制在16 dB以上時，對應系統的頻率誤差小于5 Hz，對應所測量船舶的速度效率為0.041 m/s。上述測頻誤差滿足船舶的測速精度要求。

圖6 不同信噪比下系統的測頻誤差仿真分析

4 結語

多普勒超聲波計程儀為船舶航行中必不可少的儀器，其主要功能是對船舶運行速度和實時位置進行確定。為了保證船舶運行的安全性，需保證多普勒超聲波計程儀的測速及定位精度滿足要求，本文重點對計程儀進行設計，并對該系統的性能進行驗證，具體總結如下：

1）本系統以K60 微型控制器為核心，重點完成了發射電路、接收電路的設計，并重點對其中的帶通濾波器和光電耦合器件進行選型。

2）結合計程儀的實際工作需求，完成了系統的主程序控制流程的設計。

3）對系統完成調試后，所設計計程儀的測量精度滿足要求。