張芊，趙柯

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PCI - 6221 型采集卡在船舶操縱模擬器中的應用

張芊，趙柯

（鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

介紹AMPCI-9110型數(shù)據(jù)采集卡在船舶操縱模擬器中的應用，重點是對模擬隨動舵和模擬羅經(jīng)的控制和數(shù)據(jù)采集，該方案對船艇操縱模擬器的研究具有一定的指導意義。

數(shù)據(jù)采集卡 模擬隨動舵 模擬羅經(jīng)

0 引言

船舶操縱模擬器是為了適應現(xiàn)代航海教育的需求，在充分考慮了船舶模擬訓練功能的完善與實用的基礎上，開發(fā)出的多單元仿真訓練系統(tǒng)。一臺船舶操縱模擬器模擬一條船，前面板上用一臺液晶顯示器模擬視景，操作臺上則分布著操縱設備。模擬器內(nèi)置一臺計算機，實時采集左、右車的行車狀態(tài)和舵輪的舵角等各種數(shù)據(jù)來操縱船舶航行，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、分析后，軟件自動將船舶的運行參數(shù)和航向數(shù)據(jù)等如實傳送到顯示器上。操作臺上的操縱設備，包括操舵裝置（隨動舵、應急舵）、羅經(jīng)、車鐘、聲號控制、視景切換等均采用半實物仿真，利用安裝在計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡來完成對這些操縱設備狀態(tài)的采集，如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)采集卡簡介

數(shù)據(jù)采集卡是硬件信號采集與計算機軟件處理的紐帶橋梁。NI公司的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡是一款PCI總線通用采集控制板，可直接插入具備PCI插槽的計算機，構(gòu)成模擬量電壓信號、數(shù)字量電壓信號采集、監(jiān)視輸入和模擬量電壓信號輸出、數(shù)字量電壓信號輸出及計數(shù)定時系統(tǒng)。PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡為用戶提供了16個模擬輸入通道；2個分辨率為16位的模擬輸出通道；雙向24位數(shù)字I/O通道；2個24位的計數(shù)器。它功能強大，能滿足本系統(tǒng)工作的需求，且價格相對較低，具有很高的性價比。

2 模擬隨動舵的數(shù)據(jù)采集

船舶模擬隨動舵的設計目的就是仿真實際航海舵，自動、連續(xù)、精確地反映船舶航向的方向信號。在操縱駕駛的過程中，由于隨動舵在不停轉(zhuǎn)動，這就要求模擬訓練系統(tǒng)能夠?qū)崟r地檢測出舵輪的轉(zhuǎn)動方向和角度，從而做出正確的操縱響應。模擬隨動舵由舵輪和舵角指示器兩部分構(gòu)成。舵輪是一個可以左右無限旋轉(zhuǎn)的圓形輪盤，將一個旋轉(zhuǎn)編碼器用連軸器與舵輪同軸連接，舵輪往復旋轉(zhuǎn)時帶動編碼器同步旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生一組正交脈沖輸出，利用數(shù)據(jù)采集卡的計數(shù)器對編碼器提供的脈沖進行采集并計算，即可得到舵輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動角度。舵角指示器由一塊電壓表構(gòu)成，利用數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出功能可驅(qū)動舵角指示器相應的轉(zhuǎn)動。其工作原理如圖2所示。

當舵輪轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)編碼器隨之同步轉(zhuǎn)動。此處采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，增量式編碼器是在每次位置變動之后生成兩組脈沖信號分別輸出，這兩通道的波形除了相位相差90°外，其他完全相同。例如，當碼盤順時針旋轉(zhuǎn)時，通道A超前通道B 90°；反之，碼盤以逆時針旋轉(zhuǎn)時，通道B超前通道A 90°。其輸出波形如圖3所示。另外，這兩通道的脈沖數(shù)和編碼器轉(zhuǎn)過的角度成正比。因此，通過監(jiān)控通道A、B信號之間的相對相位信息和任一通道脈沖的數(shù)目，就可以同時獲得隨動舵旋轉(zhuǎn)的方向和位置信息。增量編碼器每轉(zhuǎn)通常分為100到6000個扇區(qū)。這就表明，100個扇區(qū)的編碼器可以提供3.6°的精度，而6000個扇區(qū)的編碼器則可以提供0.06度的精度。考慮到真實的船舶模型中，大概是隨動舵旋轉(zhuǎn)一周，舵角指示器轉(zhuǎn)動10°左右。故采用每圈輸出1024個脈沖的編碼器，其輸出舵角的精度大概是10°/1024≈0.01°。能夠滿足航海模擬訓練系統(tǒng)中對模擬隨動舵的精度要求。

利用PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡中的計數(shù)器來對旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的脈沖進行測量計數(shù)，該計數(shù)器有三個相互關(guān)聯(lián)的輸入——門限（GATE）、觸發(fā)源（SOURCE）和升/降選擇（UP-DOWN），當門限為高電平時，計數(shù)器開始工作，記錄觸發(fā)源輸入的脈沖數(shù)目，并且根據(jù)升/降選擇的狀態(tài)判斷是進行加計數(shù)還是減計數(shù)。如果升/降狀態(tài)位為高電平，計數(shù)器就進行加計數(shù)；反之，如果升/降狀態(tài)位為低電平，計數(shù)器就進行減計數(shù)。圖4顯示的是一個簡化的計數(shù)器框圖。

為了能夠準確判斷出船舶模擬隨動舵的轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)動角度，將旋轉(zhuǎn)編碼器的通道A接到上述采集卡中計數(shù)器的觸發(fā)源接線端，對其信號中的脈沖進行計數(shù)，將通道B連接到升/降選擇端口上。這樣，當舵輪順時針轉(zhuǎn)動時，由于通道A的輸出脈沖超前通道B的輸出脈沖90°，在計數(shù)器對通道A的每個下降沿計數(shù)時，通道B都為高電平，所以計數(shù)器是進行累加計數(shù)。當舵輪逆時針轉(zhuǎn)動時，通道A的輸出脈沖滯后通道B的輸出脈沖90°，故計數(shù)器對通道A的每個下降沿計數(shù)時，通道B已為低電平，所以計數(shù)器是進行遞減計數(shù)。這樣計數(shù)器中的數(shù)值大小就反映了舵的轉(zhuǎn)動角度，而該數(shù)值的正負就體現(xiàn)了舵的轉(zhuǎn)動方向，如為正數(shù)，表示右舵，為負數(shù)，則表示左舵。

舵角指示器由一塊電壓表構(gòu)成，其輸入范圍為-5 ～+5 V，即根據(jù)在舵角指示器兩引腳之間輸入的-5 ～+5 V的任意電壓指針指向不同的位置。利用PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出功能來驅(qū)動舵角指示器的轉(zhuǎn)動。PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡有2個分辨率為16位的模擬輸出通道，任意選擇一路與舵角指示器的一個引腳“+”相連，而舵角指示器的另一個引腳“-”接GND。這樣，當數(shù)據(jù)采集卡輸出在0 ～-5 V之間時舵角指示器左偏，輸出在0 ～+5 V之間時舵角指示器右偏，輸出為0 V時舵角指示器不偏轉(zhuǎn)。舵角指示器的刻度為-40°～+40°，如果要求舵角指示器轉(zhuǎn)動角度N，只要使數(shù)據(jù)采集卡的輸出模擬電壓值為216×（N+40）/80即可。利用數(shù)據(jù)采集卡的模擬

量輸出功能驅(qū)動舵角指示器的精度約為（+40°-（-40°））/216≈0.001°，遠遠超過航海模擬訓練系統(tǒng)中對舵角指示器的精度要求。

3 模擬羅經(jīng)的數(shù)據(jù)采集

模擬羅經(jīng)由儀表盤、步進電機和絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。其中，步進電機作為執(zhí)行元件，用來驅(qū)動儀表盤的轉(zhuǎn)動。由于模擬羅經(jīng)用來顯示船舶的實際方向，在操舵過程中其轉(zhuǎn)動的方向和快慢取決于由當前舵角的大小、船型裝載大小、水深以及海況等綜合判斷后船舶的實際轉(zhuǎn)向速度，因此驅(qū)動模擬羅經(jīng)的步進電機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速都不是固定值，而是變化的。絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器則和儀表盤同軸固定，當儀表盤轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)編碼器將同步轉(zhuǎn)動，這樣儀表盤的轉(zhuǎn)動角度可通過絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器傳出。航海模擬羅經(jīng)的控制其實就是對步進電機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制以及對絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)采集。

模擬羅經(jīng)中步進電機的控制可由PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡為核心外加少量外圍電路構(gòu)成，外圍電路由移位寄存器CD4015等元器件搭建而成，由數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出通道產(chǎn)生方波信號作為移位寄存器CD4015的時鐘信號，而CD4015所產(chǎn)生的環(huán)形脈沖即可作為驅(qū)動步進電機的信號源，從而使模擬羅經(jīng)轉(zhuǎn)動。最后，利用數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸入功能對絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號采集并轉(zhuǎn)碼，可得到模擬羅經(jīng)的實際轉(zhuǎn)動角度，如果實際轉(zhuǎn)動角度和要求轉(zhuǎn)動的角度不一致，可再次驅(qū)動模擬羅經(jīng)轉(zhuǎn)動，直至實際轉(zhuǎn)動角度和要求的轉(zhuǎn)動角度吻合。整個模擬羅經(jīng)的控制僅僅使用一塊數(shù)據(jù)采集卡加少量外圍電路就能完成，并且是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，可靠性很高。

絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器因其每一個位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部是一個圓形碼盤，碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每一條碼道代表二進制數(shù)碼的一位，碼道由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系。這種編碼器的特點是不要累積計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可以讀出一個固定的與位置相對應的編碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有n位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有n條碼道。

模擬羅經(jīng)中所安裝的絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率為12位（4096）；精度為±5％；輸出信號方式為并行輸出；TTL電平。將AMPCI-9110型數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量通道DI0～DI11與絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的12位輸出一一對應后相連，這樣當模擬羅經(jīng)轉(zhuǎn)動時，與其同軸聯(lián)結(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器也隨之轉(zhuǎn)動，并且和模擬羅經(jīng)的轉(zhuǎn)動角度一致，而這個角度就通過旋轉(zhuǎn)編碼器輸出給數(shù)據(jù)采集卡，利用軟件對采集得到二進制碼進行解碼，就可以得到模擬羅經(jīng)的實際轉(zhuǎn)動角度。如果模擬羅經(jīng)實際轉(zhuǎn)動的角度和計算機視景中所要求的角度不一樣，可以再次利用前面講過的驅(qū)動電路驅(qū)動模擬羅經(jīng)轉(zhuǎn)動，直到和要求的角度一致。模擬羅經(jīng)的一圈為360°，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出位數(shù)為12位（精度為±5％），經(jīng)過計算可得知在該控制方式下，模擬羅經(jīng)的讀數(shù)誤差在0.1°以內(nèi)，完全符合船舶操縱模擬器的設計要求。

4 結(jié)束語

本文著重介紹基于PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡的模擬隨動舵和模擬羅經(jīng)的控制。其它操縱設備，如車鐘，聲號控制，視景切換等由于控制原理類似不再贅述。以PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡為硬件核心的小型半實物全視景多功能船舶操縱模擬器已經(jīng)在二十多家船艇部隊推廣應用，因其造價低，使用成本也較低，利用率較高，加上功能齊全，運用靈活，受到師生們的一致歡迎。

[1] 胡定軍，石紅梅，張芊. 一種新型模擬航海羅經(jīng)控制[J]. 艦船科學技術(shù)，2009，31(1)：104—106.

[2] 張芊，趙柯. 基于AMPCI-9110型數(shù)據(jù)采集卡的步進電機接口電路[J]. 機電設備，2011，（3）：37-39.

[3] 胡定軍，張芊，竇金生.航海模擬器中模擬羅經(jīng)的功能[J]. 船舶，2006，(6)：30-33.

[4] 張芊，胡定軍.基于LabVIEW的模擬船舶隨動舵的設計[J]. 船海工程，2010，39(2)：139—141.

Application of Ship Handling Simulator Based on PCI-6221 Data Acquisition Card

Zhang Qian, Zhao Ke

（Zhenjiang Watercraft College，Zhenjiang 212003，Jiangsu ,China）

TP273

A

1003-4862（2013）01-0008-03

2012-04-16

張芊（1979-），女，講師。研究方向：電氣自動化。