基于PC104水下檢測(cè)特種車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

高玉香，田佳平，連 漪

(1.華晨汽車集團(tuán)控股有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110044;2.華晨汽車工程研究院 ，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

1 引言

水下檢測(cè)特種車是為了滿足水下環(huán)境監(jiān)測(cè)與測(cè)量的需要，將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)與特種車技術(shù)結(jié)合，研制出的一種無(wú)外掛推進(jìn)系統(tǒng)，依靠自身浮力驅(qū)動(dòng)［1］，沿鋸齒型航跡航行的新型水下檢測(cè)特種車。通過(guò)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)調(diào)整載體的排水量，使水下檢測(cè)特種車交替出現(xiàn)正浮力與負(fù)浮力狀態(tài)。同時(shí)依靠?jī)?nèi)部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變載體的質(zhì)量分布，以改變載體的重心位置，通過(guò)重力來(lái)改變檢測(cè)特種車的姿態(tài)。水下檢測(cè)特種車采用內(nèi)置的姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和無(wú)外掛的驅(qū)動(dòng)裝置，使得載體外置裝置減少，避免了對(duì)載體線型的破壞、大大改善了載體的水動(dòng)力特性。在我國(guó)，對(duì)于水下檢測(cè)特種車的研究還處于起步階段。

筆者以實(shí)驗(yàn)室研究的水下檢測(cè)特種車為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了基于PC104的工控機(jī)的水下檢測(cè)特種車的控制系統(tǒng)。首先簡(jiǎn)要介紹了水下檢測(cè)特種車控制系統(tǒng)總體方案，然后分別從控制系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行了深入的研究。

2 水下檢測(cè)特種車控制系統(tǒng)總體方案

控制系統(tǒng)是水下檢測(cè)特種車的核心，其決定了水下檢測(cè)特種車的功能實(shí)現(xiàn)。圖1為水下檢測(cè)特種車控制系統(tǒng)總體示意圖。從圖中可以看出水下檢測(cè)特種車下水前，拆下臍帶電纜，水面計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線電信道與水下控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，水下所有設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)、狀態(tài)都可顯示在水面計(jì)算機(jī)上。水下控制系統(tǒng)接受水面控制系統(tǒng)的命令開始工作。當(dāng)檢測(cè)特種車返回水面后，建立無(wú)線電通訊信道，回傳水下檢測(cè)特種車在水下工作時(shí)的使命執(zhí)行信息。通過(guò)遙控操作也可以上傳水下記錄和下傳新的指令。

圖1 水下檢測(cè)特種車控制系統(tǒng)總體示意圖

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

考慮到客觀條件對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)際需要，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括:PC104工控機(jī)、電子羅盤、GPS、深度傳感器、高度計(jì)、RADIO、舵機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 水下滑翔檢測(cè)特種車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖

水下檢測(cè)特種車航行器的PC104工控機(jī)主要有CPU模塊、AD/DA模塊、串口擴(kuò)展板、外部設(shè)備擴(kuò)展板幾部分。

CPU模塊要求性能穩(wěn)定、運(yùn)算速度快、具有看門狗設(shè)置、耗電小、操作簡(jiǎn)單。CPU板是深圳盛博公司生產(chǎn)的SysCentreModuleTM-7018B主板，該主板是一種高度集成、自棧結(jié)構(gòu)、IBM-PC/AT兼容、單+5V供電的PC/104 CPU模塊。它對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有二次開發(fā)方便，帶有的串并口能方便的輸入，輸出程序。

AD/DA模塊需要開關(guān)量為26路，至少具有3個(gè)計(jì)數(shù)器。選擇的是深圳盛博公司生產(chǎn)的SysExpan-Module/ADT650，是一個(gè)基于PC/104的擴(kuò)展板，具有24路開關(guān)量輸入輸出。選擇此板后將多出的2路開關(guān)量控制轉(zhuǎn)由D/A輸出。同時(shí)由于控制系統(tǒng)的的AD和DA輸出的路數(shù)少，選擇的ADT650自帶的ADDA接口滿足要求，節(jié)省成本。

由于CPU板的串口只有兩個(gè)，但需要5個(gè)通過(guò)串口的輸入量。故選擇一串口擴(kuò)展板。它有4個(gè)獨(dú)立的串行接口，RS232/422/485方式可選。

確定了必要的PC104模塊后，要根據(jù)模塊完善外部電路設(shè)備，形成完善的控制系統(tǒng)。外部電路設(shè)備包括，給PC104及傳感器供電;傳感器前端采集信號(hào)處理;實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備開關(guān)動(dòng)作的功能，將開關(guān)量信號(hào)放大，消除干擾后驅(qū)動(dòng)傳感器工作。

傳感器主要有:GPS、電子羅盤、高度計(jì)、深度計(jì)、RADIO、舵機(jī)。為確定水下機(jī)構(gòu)的位置，選擇GPS傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)確定水下載體機(jī)構(gòu)的物理位置。GPS傳感器發(fā)送的是符合NMEA標(biāo)準(zhǔn)的ASCALL字符串。要求其重量輕、體積功耗小。選擇合適的傳感器后為了獲得更好的接受效果，將GPS的電子接受模塊與GPS天線分別放置。在水下載體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，控制其姿態(tài)很重要，姿態(tài)的信息反饋越快，越能有效的避免意外情況發(fā)生。選擇電子羅盤要求響應(yīng)速度要快、延時(shí)要短。選擇美國(guó)精確導(dǎo)航公司研制的TCM3，它是一個(gè)具有最新技術(shù)的低功耗、高性能的傳感器模塊，它將一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)和一個(gè)高性能的二軸傾斜傳感器結(jié)合封裝在一起，使其具有比當(dāng)今其它類型的羅盤更小的體積和功耗［2］。

當(dāng)水下載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需實(shí)時(shí)將載體距離海床高度反饋給控制系統(tǒng)，高度計(jì)具有純模擬輸出、純數(shù)字輸出、自由連續(xù)輸出、查詢輸出等多種輸出模式可選，本設(shè)計(jì)選擇模擬與數(shù)字同時(shí)輸出模式。

深度傳感器主要用于檢測(cè)水下檢測(cè)特種車距水面的距離，選擇的是一種可補(bǔ)償?shù)墓鑹毫鞲衅?，密封?16SS結(jié)構(gòu)。

水下載體的運(yùn)動(dòng)控制是嵌入到控制系統(tǒng)的軟件控制，當(dāng)執(zhí)行完一定的任務(wù)，許浮出水面，通過(guò)無(wú)線電的串口將數(shù)據(jù)發(fā)回給岸上主機(jī)，同時(shí)將主機(jī)的信號(hào)反饋給控制控制系統(tǒng)，便于執(zhí)行下次任務(wù)。選擇的RADIO是利用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)，無(wú)線射頻技術(shù)，數(shù)字處理技術(shù)設(shè)計(jì)的功率較大，體積較小的模塊式半雙工數(shù)傳電臺(tái)。能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的控制要求。

水下載體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左右傾斜、上浮下潛等功能，舵機(jī)作為航行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要執(zhí)行元件為步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為螺桿。

4 控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了便于程序的維護(hù)移值升級(jí)，控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言。由于控制系統(tǒng)中的電子羅盤、GPS、高度計(jì)、RADIO的輸出一般都是采用串行數(shù)字輸出。

通過(guò)串口1接收的GPS信號(hào)遵守NMEA協(xié)議，是一串ASCALL碼，它包括字頭、數(shù)據(jù)位、結(jié)束符、校驗(yàn)符［3］。數(shù)據(jù)位包括了時(shí)間、日期、經(jīng)緯度、衛(wèi)星數(shù)量、磁偏角、有效位等。由于我們只需要知道水下滑翔檢測(cè)特種車的位置，故只截收了GPGGA。

通過(guò)串口2接收電子羅盤信號(hào)，電子羅盤選用的是3軸的TCM3，TCM3發(fā)出的是2進(jìn)制數(shù)，串口連接好后，首先向串口發(fā)出一個(gè)控制字和一個(gè)開始命令符，TCM3接收后向串口發(fā)回一串2進(jìn)制代碼，以后每次向串口發(fā)一開始命令符，TCM3發(fā)回一串2進(jìn)制代碼。

通過(guò)串口3接受的高度計(jì)信號(hào)為ASCALL字符，最大量程為50.00 m。

通過(guò)串口4接收的RADIO電臺(tái)信號(hào)沒有自己的通訊協(xié)議，在收發(fā)過(guò)程中，人工定義NMEA-0183通訊協(xié)議。信息包必須有包含位置信息格式的正確的數(shù)據(jù)標(biāo)題;信息必須包含有效的校驗(yàn)位;必須有結(jié)束位［4］。

以GPS為例說(shuō)明通過(guò)串口采集傳感器數(shù)據(jù)的過(guò)程。在每個(gè)時(shí)鐘取樣信號(hào)時(shí)刻，測(cè)量值鎖定在相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器里，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)。微處理器運(yùn)行在循環(huán)等待狀態(tài)，發(fā)生中斷后，處理器將讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器的測(cè)量值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，處理完畢后，輸出結(jié)果，最后返回到循環(huán)等待狀態(tài)，等待下一次中斷［5］。中斷處理流程圖如圖3所示。

圖3 中斷處理流程圖

對(duì)串口進(jìn)行初始化，程序如下:

將數(shù)據(jù)提取前需要通過(guò)驗(yàn)證碼校驗(yàn)有效值。

通過(guò)串口將傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)接收出來(lái)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)串口，將串口的基地址改變，設(shè)置好合適的波特率。編程方案相似。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建好，編寫出擴(kuò)展串口的通訊驅(qū)動(dòng)程序使整個(gè)系統(tǒng)能夠通訊。串口接收GPS程序后顯示如圖4所示。

圖4 程序結(jié)果顯示圖

在圖示中體現(xiàn)出了GPGGA的字符串，$GPGGA是包頭，*是包尾。中間是數(shù)據(jù)位，將數(shù)據(jù)位拆包，將經(jīng)度、緯度、時(shí)間提煉出來(lái)。

其它的傳感器與GPS類比，都是通過(guò)串口將數(shù)據(jù)讀出。在此過(guò)程中需要注意TCM3傳感器，它的數(shù)據(jù)傳輸形式是計(jì)算機(jī)先發(fā)給TCM3一個(gè)控制二進(jìn)制字符，TCM3發(fā)回一個(gè)反饋二進(jìn)制字符串，然后計(jì)算機(jī)再發(fā)給TCM3命令字符串，TCM3接收驗(yàn)證后通過(guò)串口發(fā)給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)。故需要首先提取TCM3的控制二進(jìn)制字符。通過(guò)計(jì)算機(jī)串口先向TCM3發(fā)出的命令字為:

{0x00，0x09，0x03，0x03，0x05，0x18，0x19，0xDF，0xDE}

然后每次再發(fā)命令字{0x00，0x05，0x04，0xbf，0x71}

當(dāng)TCM3接收一次就將傳回一次姿態(tài)數(shù)據(jù)。其余雷同與正常的串口通訊。

6 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)航系統(tǒng)是水下航行器的重要組成部分，對(duì)航行器能夠圓滿的完成預(yù)定任務(wù)具有重要意義。本文給出了以PC104工控計(jì)算機(jī)為核心的水下航行器導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了導(dǎo)航系統(tǒng)的基本硬件組成，介紹了導(dǎo)航軟件的工作原理以及GPS、TCM3等傳感器與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的各個(gè)軟件模塊的功能，本導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過(guò)移植可以適用于不同類型的水下航行器，具有很大的通用性和靈活性。

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