閉環(huán)消磁電流控制儀的設計與實現(xiàn)

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(海軍工程大學 電氣與信息工程學院 武漢 430033)

傳統(tǒng)消磁系統(tǒng)認為艦船固定磁場在一定范圍內(nèi)是不發(fā)生變化的，所以只采用開環(huán)控制方式，即只給出一個固定的電流來補償固定磁場。但是，實踐證明，固定磁場可以隨著地球磁場的長期作用、海浪對艦船的沖擊、艦船上設備的改變、武器發(fā)射等情況發(fā)生變化。因此，隨著磁性水雷的精度越來越高，國外磁性探潛設備對潛艇搜尋能力的提高，傳統(tǒng)的開環(huán)消磁系統(tǒng)已不能滿足艦船磁場隱身的要求。閉環(huán)消磁系統(tǒng)能實時測量艦船固定磁場的變化，并通過測得的變化量實時改變閉環(huán)消磁系統(tǒng)中的電流大小，以達到補償固定磁場的目的。這樣可以進一步減小艦船磁場，從而使磁性水雷失效，或者超出磁性探潛設備對潛艇的搜尋范圍。本文對閉環(huán)消磁系統(tǒng)的核心部分閉環(huán)消磁電流控制儀進行開發(fā)和調(diào)試。

1 硬件介紹

系統(tǒng)的硬件組成見圖1。

圖1 硬件組成

本文采用ARM2748作為閉環(huán)消磁電流控制儀的主控芯片，用周立功公司生產(chǎn)的SmartARM2400工控開發(fā)平臺進行開發(fā)。以太網(wǎng)訪問控制器(MAC)已經(jīng)在LPC2478中集成，是一個功能齊全的10/100 Mb/s以太網(wǎng)MAC。以太網(wǎng)PHY收發(fā)器采用KSZ8041NL單芯片以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，它具有功耗低、體積小、波形穩(wěn)定、價格便宜等特點。片外存儲器采用16位存儲器(NORFlash)SST39VF1601，其大小為1 Mb[1]。

閉環(huán)消磁電流控制儀主要完成3個功能：采集內(nèi)部磁場、計算外部磁場和計算外部補償電流。其主要工作流程如下。

首先從測磁儀讀取磁場值，計算出潛艇內(nèi)部磁場變化量，通過內(nèi)外磁場換算法計算出外部磁場變化量；然后算出外部補償電流的變化量，將該變化量發(fā)送給數(shù)控電源，數(shù)控電源輸出對應的電流，達到補償磁場變化量的目的。

2 uC/OS-Ⅱ軟件系統(tǒng)介紹

本文采用uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)進行軟件開發(fā)。

2.1 uC/OS-Ⅱ的移植

實驗使用的是uCOS-ⅡV2.52版本，其嵌入式實時操作系統(tǒng)與硬件的關系見圖2。

圖2 uC/OS-Ⅱ體系結構

通過裁剪之后的uC/OS-Ⅱ微小內(nèi)核源代碼分為3部分[2]。

1)內(nèi)核代碼。內(nèi)核代碼僅提供了4個微小內(nèi)核，分別位于sourceSOURCE1、sourceSOURCE2、sourceSOURCE3和sourceSOURCE4。它們的功能依次增強，代碼也依次增大。

2)移植代碼。將uC/OS-Ⅱ移植到LPC2478處理器上，需要修改四個與ARM體系有關的文件。分別為OS_CPU_C.C，OS_CPU_a.S, OS_CPU.H和IRQ.INC。

①OS_CPU_C.C：移植代碼C語言部分；

②OS_CPU_a.S：移植代碼匯編語言部分；

③OS_CPU.H：移植代碼頭文件；

④RQ.INC：移植代碼與芯片無關的中斷處理接口程序。

3)配置文件。配置文件是每個uC/OS-Ⅱ程序必備的文件，而且不同的程序一般不一樣，但大小基本上相同。配置文件分別為INCLUDES.H和OS_CFG.H。

①INCLUDES.H：內(nèi)核需要的頭文件，對于特定的移植，一般不需要改變；

②OS_CFG.H：內(nèi)核配置的頭文件，一般需要根據(jù)程序的需求修改其常量的內(nèi)容。

2.2 uC/OS-Ⅱ中的任務簡述

uC/OS-Ⅱ是實時多任務操作系統(tǒng)，可以獨立并行執(zhí)行多個任務。通常將獨立且并行執(zhí)行的程序稱為任務，也就是說任務是可以被分割為獨立的且可并行執(zhí)行的基本邏輯單位程序。一個任務的程序是順序執(zhí)行的，而不同任務的程序卻是并行執(zhí)行的。因此要把一個程序稱為任務，必須滿足兩個條件：獨立、并行執(zhí)行。

獨立的具體含義是指任務不能彼此直接調(diào)用，也不能直接進行數(shù)據(jù)交換。

如圖3所示，task0和task1之間沒有相互直接調(diào)用，之間的數(shù)據(jù)交換是通過內(nèi)核來完成的，這時可以把task0和task1作為任務。任務在宏觀上是并行執(zhí)行的，一個任務需要另一個任務協(xié)助時，需將自己的請求通過系統(tǒng)調(diào)用提交給內(nèi)核，另一個任務可以通過系統(tǒng)調(diào)用從內(nèi)核獲得這些請求，然后完成這個請求。

圖3 獨立的任務結構

圖4 任務的并行執(zhí)行

見圖4，如果左側(cè)圖中每個任務都存在一個CPU，則所有的任務都可以實現(xiàn)并行處理，但這是不可能實現(xiàn)的。真實的情況如右側(cè)圖所示，CPU只有一個，但可以認為uC/OS-Ⅱ為每個任務虛擬了一個CPU。因此在對多任務進行編程時，應該時刻注意這個細節(jié)。

綜上所述，任務是指程序員編寫的應用軟件程序，它與以往編寫的程序沒有太大的區(qū)別，但它是在內(nèi)核下被分割為獨立且可并行執(zhí)行的基本邏輯單位的程序,這是它的最大特點。

3 程序設計和算法介紹

由于uC/OS-Ⅱ是多任務操作系統(tǒng)，因此需要建立幾個關鍵的任務。

1)建立兩個按鍵任務，分別是Start_Stop和Rerserve_Data。其中開始和暫停功能在Start_Stop任務中描述。

2)將接收的數(shù)據(jù)保存到片外存儲器NORFlah中的功能在Rerserve_Data任務中實現(xiàn)。

3)建立一個UDP接收數(shù)據(jù)的任務UDP_test，這個任務的功能是采集磁場，即等待磁場數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸過來，然后對數(shù)據(jù)進行相應的操作，以便下一步將數(shù)據(jù)寫入NORFlash中。

4)建立一個初始化任務，分別對ARM的IP地址、端口號，UDP協(xié)議，ARP協(xié)議，以太網(wǎng)底層功能等進行初始化。

5)建立一個計算補償電流的任務Count_I,這個任務的功能是計算外部磁場的變化量和計算外部補償電流的變化量。

采用文獻[3]所介紹的內(nèi)外磁場換算算法來計算外部磁場變化量，用到的公式為[3]

SF=(ΔNTΔN)-1ΔNT(ΔHn)h+1

(1)

(△Hw)h+1=△W×SF

(2)

式中：△N——內(nèi)部磁場變化量矩陣，這個矩陣的數(shù)據(jù)已經(jīng)存入磁場數(shù)據(jù)庫中；

△W——外部磁場變化量矩陣，已經(jīng)存入磁場數(shù)據(jù)庫中；

△Hn——單次內(nèi)部磁場變化量矩陣，可以通過改變潛艇磁場獲得；

△Hw——單次外部磁場變化量矩陣，就是最后需要的數(shù)據(jù)。

計算外部補償電流變化量時，用到的公式為

G×I=-b

(3)

式中：G——線圈效率矩陣；

I——線圈電流矩陣；

b——外部各個測量點的磁場矩陣。

由于測量點數(shù)大于可以通的電流數(shù)，相當于求解一個不相容的方程組。因此采用矩陣形式的最小二乘法來求解[4]。

設已給不相容實系數(shù)線性方程組(即無解的線性方程組)

A×X=B

(4)

那么它的最小二乘解所滿足的代數(shù)方程為

AT×A×X=AT×B

(5)

式(5)是一個線性方程組，系數(shù)矩陣為ATA，常數(shù)項為ATB。

將式(3)代入式(4)，然后按照式(5)計算，就可以得到各個線圈中應該通的電流大小。計算外部補償電流的變化量時，只需把式(1) 的△Hn代入式(3)中的b即可。

具體軟件流程見圖5。

線圈效率已經(jīng)測量出來。因為片外存儲器(NORFlash)SST39VF1601是16位存儲器，因此在寫入數(shù)據(jù)時要注意存儲地址及數(shù)據(jù)的存儲位置。比如，LPC2478是小端存儲器系統(tǒng)，16位數(shù)據(jù)的高8位存儲在高地址，低8位存儲在低地址。

經(jīng)過實際操作，磁場數(shù)據(jù)的采集和存儲可以很順利地完成，外部補償電流也能實時輸出，并且可以實時根據(jù)外部磁場的變化，外部補償電流實時發(fā)生變化，實時性基本達到了要求。補償后的磁場也在很小的范圍內(nèi)，達到了閉環(huán)消磁的技術要求。

圖5 閉環(huán)消磁過程流程

4 結論

實踐證明，系統(tǒng)實時性達到了要求，補償誤差都在10%以內(nèi)。而且加入了uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，使得軟件編程簡化，程序模塊化和可視化程度增強。后期準備加入液晶顯示模塊，可以很方便地實時觀察測得的磁場數(shù)據(jù)以及補償后的效果等。

[1] 周立功．深入淺出ARM7-LPC2400[M].上冊．廣州：廣州致遠電子有限公司，2008．

[2] 周立功．uC/OS-Ⅱ微小內(nèi)核分析與程序設計-基于LPC2400[M]．廣州：廣州致遠電子有限公司，2008．

[3] 王 鯨，劉勝道，蘇廣東．一種潛艇內(nèi)外磁場換算算法的實驗驗證[J].海軍工程大學學報，2010，22(1)：83-86．

[4] 羅家洪，方衛(wèi)東．矩陣分析引論[M]．4版.廣州：華南理工大學出版社，2006.