孫 昕 陸 揚(yáng)

（91439部隊(duì)96分隊(duì) 大連 116041）

1 引言

HMR3000數(shù)字羅經(jīng)是美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的一款集航向、俯仰和橫滾三個(gè)旋轉(zhuǎn)量測(cè)量于一體的磁敏傳感器，它具有精度高、體積小、功耗低等特點(diǎn)，可方便地集成在一體化小型系統(tǒng)中，在微型飛行器控制、機(jī)器人控制以及航海、通信、測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［1～4］。在基于矢量傳感器被動(dòng)測(cè)向原理的矢量傳感器被動(dòng)測(cè)向浮標(biāo)中，采用HMR3000數(shù)字羅經(jīng)與矢量傳感器封裝一體，將矢量傳感器測(cè)得的目標(biāo)方位轉(zhuǎn)換為真北方位（大地坐標(biāo)中的方位），便于測(cè)向誤差修正，從而提高了矢量傳感器的測(cè)向精度，滿足水下目標(biāo)高精度方位估計(jì)需要；同時(shí)羅經(jīng)數(shù)據(jù)還可作為測(cè)向浮標(biāo)姿態(tài)監(jiān)控信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

HMR3000數(shù)字羅經(jīng)在矢量傳感器被動(dòng)測(cè)向浮標(biāo)中應(yīng)用主要是依據(jù)羅經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)矢量測(cè)向結(jié)果加以修正，給出目標(biāo)的真方位；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用MSP430系列單片機(jī)完成對(duì)數(shù)字羅經(jīng)的輸出信號(hào)進(jìn)行管理，把數(shù)字羅經(jīng)的信號(hào)通過RS232串口讀入單片機(jī)；并對(duì)輔艙電源電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；將羅經(jīng)信息通過單片機(jī)的異步串口以RS-232方式上傳給通信管理板（嵌入式控制單元）；通信管理板將數(shù)字羅經(jīng)的航向信息、姿態(tài)信息以及深度信息、浮標(biāo)GPS定位信息與矢量信號(hào)處理單元的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)控制器和無線通信模塊實(shí)現(xiàn)與基站通信，上傳數(shù)據(jù)和結(jié)果，下達(dá)指令。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（僅包含HMR3000數(shù)字羅經(jīng)結(jié)構(gòu)單元）如圖1所示。

圖1 浮標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)字羅經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 HMR3000功能模塊

HMR3000數(shù)字羅經(jīng)集三個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量功能于一體，由三軸磁阻傳感器和一個(gè)充有液體的兩軸傾斜傳感器組成，可以得到進(jìn)行傾斜補(bǔ)償后的航向數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品測(cè)量方位精度達(dá)0.5°，方位分辨率為0.1°；姿態(tài)精度達(dá)±0.4°，姿態(tài)測(cè)量分辨率為0.1°；最大姿態(tài)測(cè)量范圍±40°；工作溫度－20℃～＋70℃；供電電壓為6～15V。HMR3000通信遵循NMEA（National Marine E-lectric Association.國(guó)家海軍電子協(xié)會(huì)）0183標(biāo)準(zhǔn)，可使用RS-232或RS-485接口。其數(shù)據(jù)ASCII碼字符為10位（1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位），傳輸波特率1200、2400、4800、9600、19200bit／s可選，更新模式在連續(xù)選通的狀態(tài)下，更新率為20Hz［5］。

2.3 器件選型

2.3.1 數(shù)字采集及接口轉(zhuǎn)換單片機(jī)

MSP430是TI公司近幾年推出的16位系列單片機(jī)，采用了最新低功耗技術(shù)。MSP430F169工作在1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式（AM）和四種 低 功 耗 工 作 模 式 （LPM1、LPM2、LPM3、LPM4），并可在各種工作模式之間切換。此外，MSP430F169單片機(jī)集成了多通道12bit的A／D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、斜邊A／D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I／O端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用需

要［6～8］。

MSP430F169的主要特性是：

·工作電壓：1.8V～3.6V。

·超低功耗：活動(dòng)模式：280μA，at 1MHz，2.2V，待機(jī)模式：1.6μA。

·16位RISC結(jié)構(gòu)，125ns指令周期。

·12位ADC采樣帶保持。

·串行通訊USART0、USART1接口。

·60KB＋256Bflash存儲(chǔ)器2KB RAM。

2.3.2 RS232轉(zhuǎn)換

MSP430F169單片機(jī)輸出是TTL信號(hào)，方位姿態(tài)儀傳送的是RS232接口信號(hào)。RS232接口的電氣特性是任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯“1”：－5～－15V；邏輯“0”：＋5～＋15V。噪聲容限為2V。即要求接收器能識(shí)別低至＋3V的信號(hào)作為邏輯“0”，高到－3V的信號(hào)作為邏輯“1”。可以看出RS232接口電壓和TTL接口電壓不匹配，不能直接連接，需一個(gè)接口轉(zhuǎn)化電路。需把TTL信號(hào)轉(zhuǎn)變成RS232信號(hào)再傳送［9］，本系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)換芯片是SP3232E。

TTL和RS232轉(zhuǎn)換芯片SP3232E內(nèi)有一個(gè)高效的電荷泵，工作電壓為3.3V時(shí)只需0.1μF電容就可進(jìn)行操作。電荷泵允許SP3232E在＋3.3V～＋5.0V內(nèi)的電壓范圍內(nèi)發(fā)送符合RS-232的信號(hào)。SP3232E是一個(gè)2驅(qū)動(dòng)器／2接收器的器件。它包含一種低功耗關(guān)斷模式，該模式下器件的驅(qū)動(dòng)器輸出和電荷泵被禁止。關(guān)斷狀態(tài)下，電源電流低于1μA。圖2是SP3232E典型應(yīng)用電路圖。

圖2 SP3232E典型應(yīng)用電路圖

2.3.3 其它單元

上位機(jī)由一片ARM S3C2440A作為通信管理板的中心控制單元，系統(tǒng)選用三星公司的S3C2440A，它是ARM920T系列CPU，采用0.18μm工藝的CMOS設(shè)計(jì)，主頻最高可達(dá)266MHz，特別適用于低功耗場(chǎng)合。主要負(fù)責(zé)通信板的控制和數(shù)據(jù)傳輸（包括：矢量傳感器數(shù)據(jù)、羅經(jīng)信息、深度信息、GPS數(shù)據(jù)等）?？紤]到開發(fā)周期和可靠性等因素，選用核心開發(fā)板Nano2440。其自帶32MB SDRAM和64MB FLASH作為程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；共有三個(gè)UART接口，一個(gè)通過232轉(zhuǎn)換芯片MAX3221轉(zhuǎn)為RS232標(biāo)準(zhǔn)與單片機(jī)相連，用于傳輸數(shù)字羅經(jīng)和深度傳感器的數(shù)據(jù)。由于S3C2440A片上不帶以太網(wǎng)控制器，為了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，必須外接以太網(wǎng)控制芯片。設(shè)計(jì)中采用CS8900A作為以太網(wǎng)控制器。CS8900A主要為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、便攜式產(chǎn)品和某些適配卡等提供一種切實(shí)可行的以太網(wǎng)解決方案。2440A通過總線與CS8900A相連，拓展一個(gè)10M的以太網(wǎng)接口與無線通信模塊連接，完成浮標(biāo)數(shù)據(jù)與基站的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 HMR3000的指令格式

HMR3000的串行通信是遵循NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)制定的簡(jiǎn)單、異步的ASCII協(xié)議，其發(fā)出或接收的每一條指令包含一個(gè)兩字符＇hh＇作為結(jié)尾，以保證發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；其輸出指令有六種格式（標(biāo)準(zhǔn)輸出格式為HDG、HDT、XDR，專用輸出格式為HPR、RCD、CCD三種格式），在矢量傳感器被動(dòng)測(cè)向浮標(biāo)中，數(shù)字羅經(jīng)輸出量為用于測(cè)向誤差修正的航向數(shù)據(jù)，以及用于浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量的俯仰數(shù)據(jù)、橫滾數(shù)據(jù)這三個(gè)測(cè)量值，因此，輸出指令格式選用HPR格式。系統(tǒng)所采用的控制指令及輸出指令為表1所示。

表1 HMR3000控制、輸出指令

3.2 系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩方面，一是單片機(jī)對(duì)HMR3000串口數(shù)據(jù)的接收、整理、及存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部RAM中［10］，另一是上位機(jī)對(duì)單片機(jī)的串口數(shù)據(jù)的讀取、與其它信息整合處理并發(fā)送，圖3和圖4為相關(guān)程序流程。

4 矢量測(cè)向誤差修正

圖4 通信管理板接收羅經(jīng)數(shù)據(jù)程序流程

圖5 矢量傳感器測(cè)向工程誤差修正補(bǔ)償圖

為了消除矢量測(cè)向工程誤差，將矢量傳感器測(cè)得的目標(biāo)方位依據(jù)數(shù)字羅經(jīng)的數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)向結(jié)果加以修正，給出目標(biāo)真方位。系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)向誤差校準(zhǔn)時(shí)，目標(biāo)船載聲源低速繞測(cè)量浮標(biāo)以較大半徑（≥1.5km）逆時(shí)針航行一周，目標(biāo)聲源處剛性連接DGPS的數(shù)據(jù)作為目標(biāo)真實(shí)方位坐標(biāo)，數(shù)據(jù)處理基站對(duì)矢量測(cè)向數(shù)據(jù)、羅經(jīng)航向數(shù)據(jù)以及目標(biāo)的GPS數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理分析，給出測(cè)量浮標(biāo)矢量測(cè)向誤差角度補(bǔ)償值。圖5為系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)所獲矢量傳感器測(cè)向工程誤差修正補(bǔ)償圖，利用該圖對(duì)矢量傳感器的Vx，Vy通道的指向性進(jìn)行誤差修正補(bǔ)償，圖6、圖7為補(bǔ)償前后的指向性對(duì)比圖，指向性有較為明顯的改善。

圖6 Vx通道角度補(bǔ)償前后的指向性對(duì)比圖

圖7 Vy通道角度補(bǔ)償前后的指向性對(duì)比圖

5 結(jié)語

在本文設(shè)計(jì)的矢量傳感器被動(dòng)測(cè)向浮標(biāo)中，采用HMR3000數(shù)字羅經(jīng)與矢量傳感器封裝一體的集成方式，采用MSP430F149單片機(jī)作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)與數(shù)字羅經(jīng)的串口通信，通過管理板將數(shù)字羅經(jīng)、矢量傳感器等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、壓縮，加密傳輸?shù)桨痘@控系統(tǒng)進(jìn)行處理，解決了矢量傳感器被動(dòng)測(cè)向誤差修正問題。將矢量傳感器測(cè)得的目標(biāo)方位經(jīng)過數(shù)字羅經(jīng)航向修正后，系統(tǒng)測(cè)向精度得到提高，整個(gè)系統(tǒng)具有精度高，功耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，滿足水聲測(cè)控裝備小型化需要，在水下目標(biāo)探測(cè)、預(yù)警等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

［1］王養(yǎng)柱，王強(qiáng)華，崔中興.新型數(shù)字羅經(jīng)在空投魚雷內(nèi)測(cè)記錄系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.傳感器技術(shù)，1999；18（3）：43～51

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