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在航海系統中，采用計程儀連續測量運動中船舶的速度并計算出船舶的累計航程。本文所設計的計程儀系統采用雙傳感器組合結構，并結合微處理機技術(選用了MCS-51系列單片機及與之配套的專用接口芯片)，組成了計程儀專用計算機系統。儀器結構簡單，體積小，精度高，操作調整方便。它能方便地進行數字通訊；根據實際需要，也能發送速度的模擬信息，接口靈活，適應了船舶控制與操作自動化的需求。? 1 計程儀硬件設計 該計程儀系統由主儀器、電磁傳感器、壓差式傳感器、船底閥、導壓桿、可由用戶擴充的分顯示器和一套開關分配器等部分組成(圖1)。本系統的突出特點是采用了雙傳感器組合結構：分別利用電磁傳感器和壓差式傳感器(利用貝努利方程原理)來測量船舶與水之間的相對運動速度，并由其計算與記錄船舶的航程。 1.1 技術性能 (1)測速范圍：-10節～+40節(量程更改可由程序設定)；(2)航速精度(測速場精度)：±0.20節；(3)航速發送形式：RS-485；(4)單次航程范圍：0～9999.99海里；(5)累計航程范圍：0～999999海里；(6)工作時間累計范圍：0～99999小時；(7)航程解算精度：±0.1％(負速度不計航程)。 1.2 主儀器工作原理 主儀器是一個以MCS-51單片微計算機為核心的專用微機系統，如圖2所示。它包括：直流電源裝置，鍵盤輸入與顯示裝置，及由CPU、EPROM、EEPROM及專用接口電路組成的單片機裝置。主儀器是計程儀的核心部分，其面板上裝有各種操作按鈕，用以控制整個儀器的運行，完成測速校正操作。 主儀器采用中斷方式實現雙傳感器的數據采集控制，其中定時器周期性地產生中斷信號申請中斷，中斷服務程序接收電磁傳感器和壓差傳感器輸出的電信號，然后A/D轉換裝置和I/F轉換器將它轉換成數字量后送至微機系統；按一定的計算公式進行數椐處理，并按調整后的曲線進行修正，以得到船舶的速度，再根據時間間隔的大小進行數值積分來求得航程。計算機將求得的航速信息以適當的形式通過各相應的接口電路送到各用戶和分顯示器，完成航速航程的顯示。計算機系統中的EEPROM可以永久性地保存諸如累計航程、累計工作時間、速度調整參數等結果。 1.3 主要芯片及其系統功能簡介 本系統中主要采用了AT89C55、ICL7109和AD652等芯片，簡介如下： 1.3.1 AT89C55 AT89C55芯片是由ATMEL公司推出的51系列8位單片機。片內主要有20KFlash存儲器、256字節片內RAM，4個8位的雙向可尋址I/O口，1個全雙工UART(通用異步接收發送器)的串行接口、3個16位的定時器/計數器、多個優先級的嵌套中斷結構，以及一個片內振蕩器和時鐘電路。本系統中利用了AT89C55豐富的20K閃存資源永久保存測量中累計航程、累計工作時間等關鍵結果，并利用了其定時器計數器及中斷嵌套結構實現雙傳感器的數據采集。 在本系統中，T0、T1均工作在計數方式，T0產生1s計數中斷，T1完成壓差傳感器轉換的頻率計數。INT0被用于按鍵中斷處理，TXD串行發送計程儀的速度信息，波特率為4800。X1、X2外接8MHz的石英晶體。P1口各位分別完成發送顯示碼、測速/航行判斷等功能，P2口部分參與地址譯碼，同時P0口分時輸出數據/地址低8位。 1.3.2 ICL7109 ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分式12位模/數變換器。該芯片由模擬電路和數字電路兩部分組成，其中模擬電路由模擬信號輸入、振蕩電路、積分、比較電路和基準電壓源組成。數字電路由時鐘振蕩器、異步通信握手邏輯、轉換控制邏輯、計數器、鎖存器、三態門組成。 ICL7109工作電壓為雙電源±5V，GND為公共端，外接6MHz的晶振，基準電壓為外部分壓輸入的2.8V；接口方式為直接輸出方式，數據輸出為12位二進制數和一位極性，12位A/D轉換通過控制高低字節使能端實現，分時讀出低8位和高4位。 1.3.3 AD652 AD652是一種高速、高精度、同步I/F轉換器；用外接時鐘脈沖決定滿量程頻率，并允許電壓或電流輸入。本系統中AD652的功能是將壓差傳感器的4～20mA的電信號轉換成頻率信號輸出給CPU，CPU再根據AD652的工作時鐘解算出當前速度值。AD652工作電壓為雙電源±15V，工作時鐘由單片機的晶振輸出經54LS393分頻獲得，AD652輸出脈沖由AT89C55的T1計數，計數時間間隔為1s。 1.3.4 8155 8155除有三個I/O端口(A口、B口、C口)外，還帶有一個256字節的靜態隨機存貯器和一個14位定時/計數器。具有一塊芯片多種功能的特點。另外，8155和單片機的連接十分簡單，甚至不需要8D鎖存器。本系統利用8155構成鍵盤顯示電路。 2 計程儀軟件設計 在軟件設計中，采用了數值逼近及多種濾波算法，并在充分利用CPU功能的前提下，盡量減少硬件數量。除合理選擇硬件外，軟件上采取抗干擾陷阱與冗余處理，提高了系統的穩定性和可靠性。 計程儀的工作程序用匯編語言編寫，采用模塊化結構的程序設計方法，便于使用維護與擴展。計程儀軟件主要分為自檢模塊、管理模塊、航速航程解算模塊和測速校正等模塊，各模塊主要以中斷方式調用。計程儀的基本工作程序框圖如圖3所示。當電源開關閉合后，儀器的專用計算機系統開始自檢，主儀器及分顯示器上將顯示自檢的結果；自檢完畢后便開始對計算機系統進行初始化設置；初始化設置完畢后，定時器并未開始計時，而必須等到啟動中斷后才開始計時工作。此時計算機系統處于一種等待狀態，等待定時或按鈕所產生的中斷發生。中斷部分完成航速航程計算和發送，流程圖如圖3所示。 3 結束語 本航星計程儀系統采用了雙傳感器結構實現船舶航速的連續測量并按一定的軟件算法計算航程；具有硬件電路簡單、可靠性高、工作穩定和性價比較高等特點，適應現代化艦船的需求。由于使用了AT89C55單片機等，使得該系統具有一定的可再開發性。目前該計程儀已批量生產，并安裝于多種船舶上。 |
