基于ARMCortex-M3的艦船電子橫搖指示記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄭振宇　張　榆　朱世杰

(1.海軍大連艦艇學(xué)院航海系　大連　116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員旅　大連　116018)

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基于ARMCortex-M3的艦船電子橫搖指示記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄭振宇1張榆2朱世杰2

(1.海軍大連艦艇學(xué)院航海系大連116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員旅大連116018)

摘要為了實(shí)時測量艦船浮態(tài)及搖擺周期等穩(wěn)性指標(biāo)的變化,開發(fā)了一種電子橫搖指示記錄系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARMCortex-M3微處理器為核心,利用MEMs慣性器件與磁阻傳感器構(gòu)建姿態(tài)敏感單元,采用旋轉(zhuǎn)矢量姿態(tài)更新算法與頻域周期測量方法,配合SD卡存儲單元與FATFS Module文件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了艦船搖擺角、搖擺周期的實(shí)時測量與數(shù)據(jù)存儲。測試實(shí)驗(yàn)表明:在2個小時內(nèi)水平姿態(tài)解算精度為0.1°,周期測量精度約為0.1s,獨(dú)立供電待機(jī)時長可達(dá)30天,并具有測量穩(wěn)定、實(shí)時性強(qiáng)、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn),具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞橫搖指示; Cortex-M3; MEMs慣性器件

Marine Electronic Roll Indicator and Recorder Based on ARM Cortex-M3

ZHENG Zhenyu1ZHANG Yu2ZHU Shijie2

(1. Department of Navigation, Dalian Navy Academy, Dalian116018)

(2. Brigade of Student, Dalian Navy Academy, Dalian116018)

AbstractIn order to measure ship’s buoyancy state and the period of sway, the marine electronic roll indicator and recorder is developed based on 32-bit MCU which has an ARM Cortex-M3 core. The attitude measurement unit is built by MEMs inertial component and magnetism sensors and the rotation vector attitude update algorithm is adopted. The period of ship sway is calculated by FFT period measure method on frequency domain. SD card memory unit and file system of FATFS Module the system can save the calculate data. Measurement tests verify that the algorithm achieve the precision of level attitude of 0.1° in 2 hours and the precision of period measurement of 0.1s. The system can work steadily and continuously for about 30 days with the advantage of low power, real-time and low cost. Therefore the system has the engineer application values.

Key Wordsship roll indicate, Cortex-M3, MEMs inertial sensor

Class NumberTU976.3

1引言

航行安全是艦船的日常航行訓(xùn)練與水面艦艇作戰(zhàn)的基本前提與保障,尤其是近年來頻繁發(fā)生的沉船事故,再一次給世界航運(yùn)業(yè)與各國海軍敲響了警鐘。艦艇的浮性、穩(wěn)性與不沉性一定程度上決定了艦船的安全屬性,是艦船生命力的重要指標(biāo)[1]。

艦船在貨物裝載、油水使用過程中都會造成艦船的浮態(tài)及穩(wěn)性指標(biāo)的偏移,主要體現(xiàn)為艦艇橫搖角與搖擺周期的變化。一般情況下,艦船駕駛臺安裝有橫搖指示器一定程度上可以指示艦船搖擺角度的變化,其原理相當(dāng)于一個重力擺,通過機(jī)械指針指示橫搖角度,長期使用摩擦系數(shù)增大,精度下降嚴(yán)重。同時,利用其測量艦船的搖擺周期,需通過秒表等計(jì)時工具輔助采用人工多次計(jì)量取平均值的方式進(jìn)行,費(fèi)時費(fèi)力,精度不高。本文介紹了一種電子橫搖指示記錄系統(tǒng),可對艦船航行姿態(tài)、橫搖周期、橫搖幅度以及頻率特性進(jìn)行實(shí)時測量、顯示與記錄。

2系統(tǒng)組成與工作流程

系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)以低功耗高性能微處理器(MCU)為核心,以三軸MEMS加速度計(jì)、陀螺儀慣性測量元件,輔助磁阻傳感器作為姿態(tài)測量傳感器組,采用OLED屏幕為外顯單元,以高速大存儲量SD卡為存儲媒介,內(nèi)嵌FATFS文件系統(tǒng),存儲文件格式選用二進(jìn)制文件,以提高存儲速度與存儲效率?？紤]到艦船出航對系統(tǒng)提出的帶電時間要求與獨(dú)立性要求,采用鋰電池獨(dú)立供電,專門設(shè)計(jì)充放電路,一次充電可連續(xù)工作30天。

圖1　系統(tǒng)組成圖

其中,MCU采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F103RET6。系統(tǒng)的具體工作流程如下:系統(tǒng)初始化后通過陀螺儀、加速度計(jì)和地磁傳感器進(jìn)行設(shè)備初始對準(zhǔn);初始化完畢,MCU模塊通過I2C數(shù)字接口采集加速度計(jì)、陀螺儀以及地磁傳感器數(shù)據(jù),基于捷聯(lián)航姿與組合導(dǎo)航算法對姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時解算,同時由SPI總線把計(jì)算后得出的各類數(shù)據(jù)發(fā)送到OLED顯示屏顯示,并通過FATFS文件系統(tǒng)以SD卡為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。由于顯示單元顯示空間有限,通過按鍵實(shí)現(xiàn)顯示界面的切換功能。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1MCU模塊

綜合考慮系統(tǒng)總體性能要求與成本要求,處理器選用STM32F103RET6型號芯片,該芯片屬于STM32F103系列微控制器,可用于高度集成與低功耗的嵌入式應(yīng)用場合[2~3]。芯片具有64個引腳,其中I/O口數(shù)目為51個,具有如下特點(diǎn):

1) 先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu):Cortex-M3內(nèi)核;

2) 優(yōu)秀的功耗控制,具有高效率的動態(tài)耗電機(jī)制,代碼在Flash中全速運(yùn)行頻率為72MHz,如果外部時鐘開啟,處理器僅消耗27mA電流,電池供電時,可在2.0V~3.6V間低電壓供電;

3) 通信接口廣泛,包括五個USART,三個SPI,兩個I2C,USB、CAN、SDIO各一個;

4) 高達(dá)512KB的片內(nèi)Flash程序存儲器;

5) 四個通用定時器,兩個基本定時器,兩個高級控制定時器;

6) 高度集成整合,最大程度集成實(shí)現(xiàn),盡量減小對外部器件要求,它內(nèi)嵌有電源監(jiān)控器,具有上電復(fù)位、掉電檢測等諸多功能。

3.2加速度計(jì)傳感器

根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境,選用具有低功耗、量程可變、高分辨率、抗沖擊等良好特性的ADXL345三軸加速度計(jì)。該傳感器不但可以在傾斜敏感應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度,還可以在運(yùn)動甚至振動環(huán)境中測量動態(tài)加速度,目前主要應(yīng)用于微小型導(dǎo)航設(shè)備、手機(jī)、硬盤保護(hù)、運(yùn)動健身器材、數(shù)碼照相機(jī)等移動設(shè)備。傳感器采用MEMS技術(shù),大小相當(dāng)于小拇指指甲蓋的1/3;具有SPI和I2C兩種數(shù)字信號輸出功能,數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式,在本系統(tǒng)中采用了I2C數(shù)字接口進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。

電源電壓范圍:2.0V~3.6V,I/O電壓范圍:1.7V~VS,待機(jī)模式下功耗電流僅為0.1μA。抗沖擊力可達(dá)到10000g。此外,還集成了一個32級FIFO緩存器,可將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低。最大量程可達(dá)±16g,并可根據(jù)測量范圍在±2、±4、±8g量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動態(tài)切換。分辨率可隨帶寬自動按比例切換,包括10位固定分辨率、全分辨率,±16g時分辨率高達(dá)13位,本系統(tǒng)采用固定的4g/LSB分辨率模式,在該模式下可測得0.25°的傾角變化。

3.3陀螺儀傳感器

陀螺儀選用MPU-3050數(shù)字運(yùn)動處理(Digital Motion Processor,DMP)硬件加速引擎的三軸陀螺儀。該傳感器延用傳統(tǒng)慣性傳感器結(jié)構(gòu),但是內(nèi)建數(shù)字運(yùn)動處理器(DMP)與FIFO,不僅能減輕主機(jī)應(yīng)用程序處理器之高頻運(yùn)動演算,也能減少中斷次數(shù)與主機(jī)每秒運(yùn)算指令數(shù),進(jìn)而改善整體系統(tǒng)效能。MPU-3050電原理圖如圖2所示。

配合16-bit的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器與可程控的數(shù)字濾波器,加之出廠前校準(zhǔn)至1%的敏感度,使三軸角速率傳感器實(shí)現(xiàn)了高精度、大動態(tài)范圍的數(shù)字方式輸出,具有±250~±2000°/s的全格感測范圍,同時,內(nèi)嵌的溫度傳感器可與陀螺儀數(shù)據(jù)同步輸出溫度。內(nèi)部嵌入多個感測組件融合算法技術(shù),可利用第二個I2C接口鏈接外接加速度器來實(shí)現(xiàn)六軸運(yùn)動處理能力。10000g的耐震容忍度及6.5mA的低工作電流可滿足船載、長航時的環(huán)境需求。

圖2　MPU3050電路原理圖

3.4地磁傳感器

地磁傳感器選用霍尼韋爾HMC5883L磁阻傳感器,它是一款具有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片,采用了霍尼韋爾獨(dú)有的各向異性磁阻(AMR)技術(shù),并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準(zhǔn)、高進(jìn)度的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,在低磁場傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器,主要應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。12-bit ADC與低干擾AMR傳感器,能在±8高斯的磁場中實(shí)現(xiàn)5毫高斯分辨率,傳感器能在強(qiáng)磁場環(huán)境中羅盤航向精度達(dá)到1°~2°。內(nèi)置驅(qū)動電路,采用I2C數(shù)字接口,內(nèi)置自檢功能,磁場測量范圍廣,從毫高斯到8高斯,最大輸出頻率可達(dá)160Hz。

3.5供電模塊

由于MCU以及OLED均采用3.3V以下的電壓進(jìn)行供電,而鋰電池在充滿電的情況下電壓為4.2V,為了使用3.7V鋰電池供電,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個專門的鋰電池供電模塊,采用PS7516同步升壓整流芯片將輸入的4.2V電壓轉(zhuǎn)換為5V-1A的輸出,PS7516屬于一種工作頻率固定550KHz頻率的current mode PWM高效率升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,它是專用于鋰電池升壓5V-1A的高效率產(chǎn)品升壓系統(tǒng)。專門設(shè)計(jì)充放電路,一次充電可連續(xù)工作30天。

3.6存儲模塊與文件系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對姿態(tài)信息及周期信息的記錄功能,系統(tǒng)以SD卡為存儲媒介設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲單元。SD卡有SDIO和SPI兩種通信模式。其中SDIO方式采用6線制,使用CLK、CMD、DAT0~DAT3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,而SPI方式采用4線制,使用CS、CLK、DIN、DOUT進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。由于ARM芯片自帶SPI接口,在速度滿足要求的前提下,本系統(tǒng)采用SPI模式與SD卡進(jìn)行通信。為了減少SD卡的讀寫次數(shù),系統(tǒng)將實(shí)時解算完數(shù)據(jù)先存入緩存區(qū),再按照1Hz的頻率存入SD卡中。SD卡存儲模塊電原理圖如圖3所示。

圖3　SD卡存儲模塊電原理圖

系統(tǒng)采用FATFS Module文件系統(tǒng)模塊,它是一種完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊,專門為小型的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫,且完全獨(dú)立于I/O層,可以移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8和ARM等系列單片機(jī)上,支持FAT12、FAT16和FAT32,支持多個存儲媒介,有獨(dú)立的緩沖區(qū),可以對多個文件進(jìn)行讀/寫。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件工作流程

圖4　系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。首先通過對加速度計(jì)、陀螺儀以及磁阻傳感器進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集,對其進(jìn)行低通濾波濾除高頻噪聲影響,以磁阻傳感器輸出橫、縱搖角與航向角構(gòu)建初始姿態(tài)信息,采用捷聯(lián)慣性姿態(tài)更新算法對該姿態(tài)進(jìn)行更新計(jì)算,實(shí)時獲得艦船橫、縱搖姿態(tài)信息[4~5]。由于慣性姿態(tài)更新計(jì)算得到的姿態(tài)信息存在累積誤差,因此,利用磁阻傳感器輸出的姿態(tài)信息周期性對其進(jìn)行修正。

4.2姿態(tài)更新模型

為了提高姿態(tài)初始對準(zhǔn)速度,以磁阻傳感器輸出三軸姿態(tài)為初始姿態(tài),并轉(zhuǎn)化為姿態(tài)四元數(shù)Q(t0)。選用等效旋轉(zhuǎn)矢量姿態(tài)更新算法,更新迭代模型為

(1)

為了檢測姿態(tài)解算精度,系統(tǒng)調(diào)試時借助三軸搖擺臺進(jìn)行搖擺試驗(yàn),以搖擺臺輸出姿態(tài)為基準(zhǔn),根據(jù)式(1)姿態(tài)解算模型計(jì)算各姿態(tài)角誤差,2個小時的誤差數(shù)據(jù)如圖5所示。顯然,在2個小時解算時間內(nèi),橫、縱搖角誤差均小于0.1°,可以滿足橫搖指示器短期精度解算要求。

圖5　姿態(tài)角解算誤差曲線

4.3搖擺周期計(jì)算模塊

系統(tǒng)主要檢測艦船的橫搖周期,周期解算采用頻域計(jì)算法[7,10]。頻域方法需要對連續(xù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行截取即開設(shè)時間窗。不同艦船類型的搖擺周期存在一定差異,水面艦艇的搖擺周期在6s~10s,客船一般在8s~12s[1]。為了更全面地分析有限數(shù)據(jù)的頻域信息,系統(tǒng)選取20s時間數(shù)據(jù)作為頻域解算的時間窗長度。系統(tǒng)解算周期為0.01,因此,需要一次性存儲2000個橫搖角數(shù)據(jù)點(diǎn)作為分析解算的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)截取后,采用快速傅里葉算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后利用求極值算法得到主頻率值,該值對應(yīng)的周期即為艦船瞬時橫搖周期。

5結(jié)語

本文介紹了一種以ARM Cortex-M3微控制器為核心,基于多傳感器同步采集與實(shí)時姿態(tài)、周期解算的低成本、低功耗電子橫搖指示記錄設(shè)備。該設(shè)備可實(shí)時解算艦船橫搖角度、橫搖周期、搖擺幅度,角度測量精度可達(dá)0.1°,周期指示精度可達(dá)0.1s,可為船舶駕駛?cè)藛T實(shí)時掌握船舶浮態(tài)與穩(wěn)性指標(biāo)提供可靠、準(zhǔn)確的信息支撐。同時,系統(tǒng)具備信息存儲功能,利用存儲的橫搖信息,事后可對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、頻域及時間序列分析[8~9],為開展船舶搖擺運(yùn)動建模與預(yù)報等相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持,具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號TU976.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.011

作者簡介:鄭振宇,男,博士,工程師,研究方向:MEMs捷聯(lián)航姿系統(tǒng)開發(fā)。張榆,女,研究方向:艦船穩(wěn)性計(jì)算。朱世杰,男,研究方向:單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號:51309059);海軍大連艦艇學(xué)院2110三期學(xué)術(shù)課題項(xiàng)目資助。

收稿日期:2015年9月1日,修回日期:2015年10月22日