欒厚斌， 王 平

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

引言

計(jì)程儀為航海行程中對(duì)船舶運(yùn)行速度和航程統(tǒng)計(jì)的主要儀器，該儀器的精度和品質(zhì)對(duì)于保證船舶的安全運(yùn)行具有重要意義。從某種程度上說(shuō)，計(jì)程儀所提供的精準(zhǔn)速度和航程信息對(duì)于其位置的準(zhǔn)確定位具有重要意義，可從根本上提升船舶慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和航向精度[1]。本文重點(diǎn)對(duì)計(jì)程儀進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其導(dǎo)航定位系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 計(jì)程儀概述

根據(jù)計(jì)程儀測(cè)量時(shí)所參考坐標(biāo)系的不同，可將其分為相對(duì)計(jì)程儀和絕對(duì)計(jì)程儀。其中，相對(duì)計(jì)程儀只能夠獲取船舶相對(duì)于水流的速度并在此基礎(chǔ)上完成航程的換算，具有代表性的相對(duì)計(jì)程儀包括水壓式計(jì)程儀、電磁式計(jì)程儀，其中以電磁式計(jì)程儀的應(yīng)用較為廣泛。電磁式計(jì)程儀具有線性速度測(cè)量好、測(cè)量范圍廣等優(yōu)勢(shì)，其測(cè)量精度較高[2]。我國(guó)以往所裝配的電磁式計(jì)程儀比例高達(dá)80%。但是，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，電磁式計(jì)程儀所測(cè)量的數(shù)據(jù)容易受到水流和水壓的干擾。電磁式計(jì)程儀的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電磁式計(jì)程儀結(jié)構(gòu)

絕對(duì)式計(jì)程儀測(cè)量時(shí)的參考坐標(biāo)系為地，其根本原理為多普勒效應(yīng)。該類計(jì)程儀的測(cè)量精度較相對(duì)計(jì)程儀高，且其速度的測(cè)量門限值較低。鑒于此，目前我國(guó)船舶上裝備的計(jì)程儀已經(jīng)由傳統(tǒng)的電磁式計(jì)程儀替代為絕對(duì)式計(jì)程儀。

本文以超聲多普勒計(jì)程儀為例開展研究，基于多普勒效應(yīng)的原理，該計(jì)程儀在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量精度容易受到周圍環(huán)境、發(fā)射傾角、波速寬度、測(cè)頻算法的影響。因此，在對(duì)計(jì)程儀設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮上述影響因素的問(wèn)題。

2 計(jì)程儀的設(shè)計(jì)

本小節(jié)將完成多普勒超聲計(jì)程儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.1 多普勒超聲計(jì)程儀的硬件設(shè)計(jì)

對(duì)船舶運(yùn)行速度測(cè)量的依據(jù)為超聲波回波信號(hào)的變化頻率。結(jié)合影響多普勒超聲計(jì)程儀精度的因素，多普勒超聲計(jì)程儀需具備超聲波的發(fā)射與接收、環(huán)境溫度的測(cè)量、回波信號(hào)頻率測(cè)量及計(jì)算及其結(jié)構(gòu)顯示等功能?；诖?，所設(shè)計(jì)的多普勒超聲計(jì)程儀的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 多普勒超聲計(jì)程儀結(jié)構(gòu)

超聲波發(fā)射模塊由微控制器發(fā)出PWM 的脈沖信號(hào)，在功率放大電路和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換為超聲波。本方案所設(shè)計(jì)超聲波的頻率為40 Hz。本方案中超聲波信號(hào)發(fā)生模塊中包含了發(fā)射換能器和接收換能器。一般情況下，系統(tǒng)所接受的回波信號(hào)為窄帶信號(hào)，其中含有大量的噪聲。為保證所采集回波信號(hào)的質(zhì)量，應(yīng)在接收回路中增加帶通濾波器。

微控制器為多普勒超聲計(jì)程儀的核心，為解決傳統(tǒng)微型控制器功能局限及數(shù)字信號(hào)處理能力差的問(wèn)題，本系統(tǒng)采用Kinetis ARM Cortex 微型控制，具體系列為K60 微型控制器。

2.1.1 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

多普勒超聲計(jì)程儀發(fā)射電路包括光電耦合器件、功率放大電路及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

光電耦合器件的主要功能是提升發(fā)射電路的安全性，減少接收電路對(duì)發(fā)射電路的干擾。光電耦合器件能夠?qū)⑶岸伺c負(fù)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(duì)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(dá)90%。因此，本方案選用D 類推挽放大電路為功率放大電路，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的最大電壓值為50 V，最大電流值為23 A；對(duì)應(yīng)的NMOS 管驅(qū)動(dòng)電路采用延時(shí)啟動(dòng)方式，其中開通的延遲啟動(dòng)時(shí)間為50 ns，關(guān)閉的延遲啟動(dòng)時(shí)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(duì)應(yīng)的磁芯材料為EE 性鐵氧體磁芯。

發(fā)射電路阻抗匹配的任務(wù)是調(diào)諧和變阻。其中，調(diào)諧的主要目的是將回路中的阻抗變?yōu)?；變阻的主要目的是實(shí)現(xiàn)內(nèi)阻與負(fù)載的平衡，保證負(fù)載的功率達(dá)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(shè)計(jì)

接收電路包括保護(hù)電路、放大電路和帶通濾波器。

保護(hù)電路是避免發(fā)射電路的輸出高壓對(duì)接收電路造成干擾，為此設(shè)計(jì)保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)收發(fā)電路的隔離。本方案以二極管為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)鉗位保護(hù)電路，對(duì)應(yīng)的電路如圖4 所示。

圖4 基于二極管的鉗位保護(hù)電路

一般情況下，系統(tǒng)所接收到的回波信號(hào)量值減小僅為3 mV。為保證對(duì)回波信號(hào)的準(zhǔn)確處理，采用PGA202 放大器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)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(hào)中的噪聲進(jìn)行去除處理。本方案選用基于MFBP 電路的帶通濾波器。

2.2 計(jì)程儀的軟件設(shè)計(jì)

從理論上將，計(jì)程儀為嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)為在硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的軟件，從而保證其功能的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)選用C 語(yǔ)言進(jìn)行編譯。系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的內(nèi)核時(shí)鐘頻率為100 MHz，總線的時(shí)鐘頻率為50 MHz，F(xiàn)lexBus 對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘頻率為25 MHz，F(xiàn)lash 對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘頻率也為25 MHz。

本小節(jié)根據(jù)計(jì)程儀硬件的功能及其應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)如圖5 所示的主程序流程圖。

圖5 計(jì)程儀主程序流程

3 計(jì)程儀的系統(tǒng)驗(yàn)證

為保證所設(shè)計(jì)的計(jì)程儀實(shí)裝至船體的性能，將其在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)驗(yàn)證前需對(duì)計(jì)程儀的最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)及回波信號(hào)的ADC 進(jìn)行調(diào)試。

針對(duì)最小系統(tǒng)，主要對(duì)其中的電源模塊、CPU 及GPIO 模塊進(jìn)行分別調(diào)試。

針對(duì)超聲波發(fā)射系統(tǒng)，對(duì)其發(fā)射頻率和幅值進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)調(diào)試后超聲波發(fā)射系統(tǒng)輸出超聲波的頻率為40 kHz，幅值為12 V。

針對(duì)超聲波接收系統(tǒng)和回波信號(hào)，對(duì)其經(jīng)過(guò)功率放大電路后的幅值進(jìn)行調(diào)試，保證其幅值浮動(dòng)在-300～300 mV[5]。

系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后對(duì)其不同信噪比下的測(cè)頻誤差進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下頁(yè)圖6 所示。

由下頁(yè)圖6 可知，當(dāng)系統(tǒng)信噪比控制在16 dB以上時(shí)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的頻率誤差小于5 Hz，對(duì)應(yīng)所測(cè)量船舶的速度效率為0.041 m/s。上述測(cè)頻誤差滿足船舶的測(cè)速精度要求。

圖6 不同信噪比下系統(tǒng)的測(cè)頻誤差仿真分析

4 結(jié)語(yǔ)

多普勒超聲波計(jì)程儀為船舶航行中必不可少的儀器，其主要功能是對(duì)船舶運(yùn)行速度和實(shí)時(shí)位置進(jìn)行確定。為了保證船舶運(yùn)行的安全性，需保證多普勒超聲波計(jì)程儀的測(cè)速及定位精度滿足要求，本文重點(diǎn)對(duì)計(jì)程儀進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，具體總結(jié)如下：

1）本系統(tǒng)以K60 微型控制器為核心，重點(diǎn)完成了發(fā)射電路、接收電路的設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)對(duì)其中的帶通濾波器和光電耦合器件進(jìn)行選型。

2）結(jié)合計(jì)程儀的實(shí)際工作需求，完成了系統(tǒng)的主程序控制流程的設(shè)計(jì)。

3）對(duì)系統(tǒng)完成調(diào)試后，所設(shè)計(jì)計(jì)程儀的測(cè)量精度滿足要求。