在航海系統(tǒng)中，采用計程儀連續(xù)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(shè)計的計程儀系統(tǒng)采用雙傳感器組合結(jié)構(gòu)，并結(jié)合微處理機技術(shù)(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(tǒng)。儀器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，精度高，操作調(diào)整方便。它能方便地進行數(shù)字通訊；根據(jù)實際需要，也能發(fā)送速度的模擬信息，接口靈活，適應(yīng)了船舶控制與操作自動化的需求。?
1 計程儀硬件設(shè)計
該計程儀系統(tǒng)由主儀器、電磁傳感器、壓差式傳感器、船底閥、導(dǎo)壓桿、可由用戶擴充的分顯示器和一套開關(guān)分配器等部分組成(圖1)。本系統(tǒng)的突出特點是采用了雙傳感器組合結(jié)構(gòu)：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(shù)性能
(1)測速范圍：-10節(jié)～+40節(jié)(量程更改可由程序設(shè)定)；(2)航速精度(測速場精度)：±0.20節(jié)；(3)航速發(fā)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(tǒng)，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(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集控制，其中定時器周期性地產(chǎn)生中斷信號申請中斷，中斷服務(wù)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(zhuǎn)換裝置和I/F轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送至微機系統(tǒng)；按一定的計算公式進行數(shù)椐處理，并按調(diào)整后的曲線進行修正，以得到船舶的速度，再根據(jù)時間間隔的大小進行數(shù)值積分來求得航程。計算機將求得的航速信息以適當?shù)男问酵ㄟ^各相應(yīng)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(tǒng)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(diào)整參數(shù)等結(jié)果。
1.3 主要芯片及其系統(tǒng)功能簡介
本系統(tǒng)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(nèi)主要有20KFlash存儲器、256字節(jié)片內(nèi)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(fā)送器)的串行接口、3個16位的定時器/計數(shù)器、多個優(yōu)先級的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。本系統(tǒng)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(guān)鍵結(jié)果，并利用了其定時器計數(shù)器及中斷嵌套結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集。?
在本系統(tǒng)中，T0、T1均工作在計數(shù)方式，T0產(chǎn)生1s計數(shù)中斷，T1完成壓差傳感器轉(zhuǎn)換的頻率計數(shù)。INT0被用于按鍵中斷處理，TXD串行發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)/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(shù)變換器。該芯片由模擬電路和數(shù)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(shù)字電路由時鐘振蕩器、異步通信握手邏輯、轉(zhuǎn)換控制邏輯、計數(shù)器、鎖存器、三態(tài)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(shù)據(jù)輸出為12位二進制數(shù)和一位極性，12位A/D轉(zhuǎn)換通過控制高低字節(jié)使能端實現(xiàn)，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(zhuǎn)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(tǒng)中AD652的功能是將壓差傳感器的4～20mA的電信號轉(zhuǎn)換成頻率信號輸出給CPU，CPU再根據(jù)AD652的工作時鐘解算出當前速度值。AD65
2工作電壓為雙電源±15V，工作時鐘由單片機的晶振輸出經(jīng)54LS393分頻獲得，AD652輸出脈沖由AT89C55的T1計數(shù)，計數(shù)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(jié)的靜態(tài)隨機存貯器和一個14位定時/計數(shù)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(tǒng)利用8155構(gòu)成鍵盤顯示電路。?
2計程儀軟件設(shè)計
在軟件設(shè)計中，采用了數(shù)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(shù)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(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)的程序設(shè)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(diào)用。計程儀的基本工作程序框圖如圖3所示。當電源開關(guān)閉合后，儀器的專用計算機系統(tǒng)開始自檢，主儀器及分顯示器上將顯示自檢的結(jié)果；自檢完畢后便開始對計算機系統(tǒng)進行初始化設(shè)置；初始化設(shè)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(tǒng)處于一種等待狀態(tài)，等待定時或按鈕所產(chǎn)生的中斷發(fā)生。中斷部分完成航速航程計算和發(fā)送，流程圖如圖3所示。
3結(jié)束語
本航星計程儀系統(tǒng)采用了雙傳感器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)船舶航速的連續(xù)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(wěn)定和性價比較高等特點，適應(yīng)現(xiàn)代化艦船的需求。由于使用了AT89C55單片機等，使得該系統(tǒng)具有一定的可再開發(fā)性。目前該計程儀已批量生產(chǎn)，并安裝于多種船舶上。?
參考文獻?
［1］趙負圖.傳感器集成電路手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
［2］鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊——數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.
［3］薛棟梁.MCS?51/151/251單片機原理與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.,
1 計程儀硬件設(shè)計
該計程儀系統(tǒng)由主儀器、電磁傳感器、壓差式傳感器、船底閥、導(dǎo)壓桿、可由用戶擴充的分顯示器和一套開關(guān)分配器等部分組成(圖1)。本系統(tǒng)的突出特點是采用了雙傳感器組合結(jié)構(gòu)：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(shù)性能
(1)測速范圍：-10節(jié)～+40節(jié)(量程更改可由程序設(shè)定)；(2)航速精度(測速場精度)：±0.20節(jié)；(3)航速發(fā)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(tǒng)，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(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集控制，其中定時器周期性地產(chǎn)生中斷信號申請中斷，中斷服務(wù)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(zhuǎn)換裝置和I/F轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送至微機系統(tǒng)；按一定的計算公式進行數(shù)椐處理，并按調(diào)整后的曲線進行修正，以得到船舶的速度，再根據(jù)時間間隔的大小進行數(shù)值積分來求得航程。計算機將求得的航速信息以適當?shù)男问酵ㄟ^各相應(yīng)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(tǒng)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(diào)整參數(shù)等結(jié)果。
1.3 主要芯片及其系統(tǒng)功能簡介
本系統(tǒng)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(nèi)主要有20KFlash存儲器、256字節(jié)片內(nèi)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(fā)送器)的串行接口、3個16位的定時器/計數(shù)器、多個優(yōu)先級的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。本系統(tǒng)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(guān)鍵結(jié)果，并利用了其定時器計數(shù)器及中斷嵌套結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙傳感器的數(shù)據(jù)采集。?
在本系統(tǒng)中，T0、T1均工作在計數(shù)方式，T0產(chǎn)生1s計數(shù)中斷，T1完成壓差傳感器轉(zhuǎn)換的頻率計數(shù)。INT0被用于按鍵中斷處理，TXD串行發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)/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(shù)變換器。該芯片由模擬電路和數(shù)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(shù)字電路由時鐘振蕩器、異步通信握手邏輯、轉(zhuǎn)換控制邏輯、計數(shù)器、鎖存器、三態(tài)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(shù)據(jù)輸出為12位二進制數(shù)和一位極性，12位A/D轉(zhuǎn)換通過控制高低字節(jié)使能端實現(xiàn)，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(zhuǎn)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(tǒng)中AD652的功能是將壓差傳感器的4～20mA的電信號轉(zhuǎn)換成頻率信號輸出給CPU，CPU再根據(jù)AD652的工作時鐘解算出當前速度值。AD65
2工作電壓為雙電源±15V，工作時鐘由單片機的晶振輸出經(jīng)54LS393分頻獲得，AD652輸出脈沖由AT89C55的T1計數(shù)，計數(shù)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(jié)的靜態(tài)隨機存貯器和一個14位定時/計數(shù)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(tǒng)利用8155構(gòu)成鍵盤顯示電路。?
2計程儀軟件設(shè)計
在軟件設(shè)計中，采用了數(shù)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(shù)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(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)的程序設(shè)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(diào)用。計程儀的基本工作程序框圖如圖3所示。當電源開關(guān)閉合后，儀器的專用計算機系統(tǒng)開始自檢，主儀器及分顯示器上將顯示自檢的結(jié)果；自檢完畢后便開始對計算機系統(tǒng)進行初始化設(shè)置；初始化設(shè)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(tǒng)處于一種等待狀態(tài)，等待定時或按鈕所產(chǎn)生的中斷發(fā)生。中斷部分完成航速航程計算和發(fā)送，流程圖如圖3所示。
3結(jié)束語
本航星計程儀系統(tǒng)采用了雙傳感器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)船舶航速的連續(xù)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(wěn)定和性價比較高等特點，適應(yīng)現(xiàn)代化艦船的需求。由于使用了AT89C55單片機等，使得該系統(tǒng)具有一定的可再開發(fā)性。目前該計程儀已批量生產(chǎn)，并安裝于多種船舶上。?
參考文獻?
［1］趙負圖.傳感器集成電路手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
［2］鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊——數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.
［3］薛棟梁.MCS?51/151/251單片機原理與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.,
