基于ARM的雙軸電磁計程儀技術(shù)研究

畢 彥 張德會

（1.駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海200136；2.中船航?？萍加邢挢?zé)任公司 水聲導(dǎo)航室 上海200136）

基于ARM的雙軸電磁計程儀技術(shù)研究

畢 彥1張德會2

（1.駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海200136；2.中船航海科技有限責(zé)任公司 水聲導(dǎo)航室 上海200136）

為提升電磁計程儀綜合測速性能，設(shè)計了一種基于ARM控制器的利用電磁感應(yīng)定律獲得船舶兩維航行速度的測速系統(tǒng)。以ARM控制器及其外圍電路為控制和速度解算核心，配以專用自檢模塊、信號放大模塊、低通濾波模塊、調(diào)相模塊、相敏解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊、顯控模塊、激磁模塊以及電源模塊。通過軟件，利用曲線逼近法進行誤差校正，系統(tǒng)穩(wěn)定且操作方便。

相敏解調(diào)；雙軸；信號放大；調(diào)相

引 言

計程儀的主要作用是為艦船提供航行速度，保障航行安全。隨著艦船技術(shù)的發(fā)展，其他導(dǎo)航設(shè)備也需要計程儀的速度信息參與計算并改進性能。電磁計程儀通過傳感器末端的電極采集艦船相對水流的感應(yīng)電動勢速度信息，基于電磁感應(yīng)定律進行解算，從而獲得艦船相對水流航速，并通過計算機算得航行里程信息。

傳統(tǒng)電磁計程儀多為單軸測速，僅能測量艦船首尾向速度，無法獲得艦船橫向速度。并且，以往單軸電磁計程儀集成化程度較低，多為模擬電路設(shè)計，接口擴展比較困難，故無法滿足日益發(fā)展的艦船導(dǎo)航要求［1］。

基于ARM的雙軸電磁計程儀以成本較低的ARM為主控芯片，配以高精度數(shù)據(jù)采集電路、PWM脈沖發(fā)射電路、模擬信號放大濾波電路等，集成度高；系統(tǒng)具有串口通信、以太網(wǎng)通信、以及CAN網(wǎng)通信功能，可擴展性強，充分滿足各種艦船需求；傳感器［5］采用雙軸設(shè)計，雙軸電磁傳感器兩對電極分別測量艦船的首尾方向以及左右方向速度信號，同時獲得艦船兩維速度，而單軸電磁傳感器僅有一對電極，只能測量艦船首尾方向速度信號；基于Linux操作系統(tǒng)進行軟件設(shè)計，滿足數(shù)據(jù)計算實時性要求，人機界面美觀，采用多屏復(fù)用、多種顯示形式，操作方便；系統(tǒng)平臺成本可控，并可根據(jù)功能裁剪，方便市場推廣。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)傳感器采集信號走向以及功能進行劃分，系統(tǒng)可分為電路自檢模塊、信號放大模塊、低通濾波模塊、調(diào)相模塊、相敏解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊、顯控模塊、激磁模塊以及電源模塊。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)上電后，電源模塊啟動對各模塊進行供電，電磁傳感器從激磁模塊獲取激磁電壓，同時敏感兩維速度信號，系統(tǒng)電路自檢通過后，速度信號經(jīng)由信號放大模塊、低通濾波模塊、調(diào)相模塊、相敏解調(diào)模塊前處理后，由數(shù)據(jù)采集模塊通過數(shù)據(jù)總線傳輸給ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊進行數(shù)據(jù)處理，并進行數(shù)據(jù)發(fā)送以及與顯控模塊的人機交互。

自檢模塊主要是模擬傳感器信號，對電路部分進行自檢，方便進行電路故障的排查和定位。進入自檢狀態(tài)可由顯控單元進行操作，自檢結(jié)果在人機交互界面中顯示。

信號放大模塊接收電磁傳感器感應(yīng)的兩維速度信號，頻率為50 Hz，由于速度信號為微伏級小信號，首先對其進行放大處理，然后通過低通濾波［4］濾除高頻干擾，并對速度信號進行相位調(diào)整，使其與基準信號同相，進行相敏解調(diào)處理，得出速度信號的方向信息。

數(shù)據(jù)采集模塊對自檢后的模擬信號、放大濾波預(yù)處理后的速度感應(yīng)電動勢信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將采集的信號通過數(shù)據(jù)總線實時傳輸給ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊接收數(shù)據(jù)采集信息，進行速度解算和航程積分計算，并將解算后的速度和航程信息進行對外發(fā)送。同時，ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊與顯控模塊通過串口進行通信，接收顯控模塊的控制指令，并將解算信息以及狀態(tài)信息發(fā)送至顯控模塊界面顯示。

顯控模塊接收ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊的數(shù)據(jù)信息，并將操作人員的控制指令通過串口發(fā)送給ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊。顯控模塊同時具有對外向用戶發(fā)送速度信息的能力。顯控模塊采用ARM處理板與液晶顯示屏組合方式進行設(shè)計，系統(tǒng)運行Linux操作系統(tǒng)，進行人機界面設(shè)計，操作簡單。

激磁模塊為電磁傳感器提供穩(wěn)定激磁電壓，保障電磁傳感器激磁信號的穩(wěn)定可靠。電源模塊為各個模塊提供直流電源，保障系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)整體由雙軸電磁傳感器及其水門閥組件、信號處理機箱、顯控單元這三個主要部分組成。雙軸電磁傳感器示意圖見圖2。

圖2 雙軸傳感器示意圖

該傳感器外徑75 mm，配備標(biāo)準內(nèi)徑80 mm的球閥或者閘閥。信號處理機箱含有電路自檢模塊、信號放大模塊、低通濾波模塊、調(diào)相模塊、相敏解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊、激磁模塊以及電源模塊，顯控單元含有顯控模塊以及電源模塊。系統(tǒng)組成框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

自檢模塊由一塊標(biāo)準3U自檢電路板組成。自檢模塊主要包括信號模擬電路、信號切換電路。信號模擬電路完成模擬電磁傳感器速度信號的功能，在電磁傳感器未接入或排查故障時，模擬傳感器信號，對電路進行檢查，確認電路是否正常。信號切換電路完成自檢信號與電磁傳感器信號之間的切換，切換指令有顯控模塊發(fā)出。

信號放大模塊、低通濾波模塊、調(diào)相模塊和相敏解調(diào)模塊由一塊前處理電路板完成所有模塊功能。在一套雙軸電磁計程儀系統(tǒng)中包含兩塊該前處理板，分別進行艦船首尾方向和左右方向的速度信號放大、濾波、調(diào)相、解調(diào)等處理。該電路板主要包括高精度差分放大電路、高階低通濾波電路、電壓跟隨電路、調(diào)相電路、相敏解調(diào)電路。差分放大電路放大倍數(shù)為500倍，低通濾波電路截止頻率為150 Hz，調(diào)相電路分為粗調(diào)電路和微調(diào)電路，相敏解調(diào)電路采用精密高速解調(diào)芯片，保證解調(diào)實時性。

數(shù)據(jù)采集模塊與ARM數(shù)據(jù)處理與控制模塊進行一體化設(shè)計，數(shù)據(jù)采集模塊具有6路差分同步采集功能，采樣精度為16位，且采樣頻率軟件可調(diào)，最高可達200 kHz采樣頻率。主控芯片采用Cortex-A9雙核芯片，運行頻率可達1.2 GHz，具有雙網(wǎng)口、雙串口、PWM輸入輸出等功能，充分滿足系統(tǒng)需求。

顯控模塊主要由一塊7 in液晶顯示屏和顯示控制板組成。通過RS422串口同ARM數(shù)據(jù)處理與控制模塊相連，實現(xiàn)操作控制與顯示功能。顯示控制板具有擴展接口功能，可對外進行串口與CAN口的擴展發(fā)送功能。

激磁模塊實現(xiàn)對電磁傳感器的穩(wěn)定激磁，以提供穩(wěn)定的交變磁場敏感速度信號。主要由電源轉(zhuǎn)換、帶通濾波、低通濾波等電路組成。電源模塊主要由電源模塊和外圍電路組成，包括交流-直流電源轉(zhuǎn)換電路、直流-直流電源轉(zhuǎn)換電路，為激磁模塊和系統(tǒng)其他電路供電。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包含兩部分，運行于ARM數(shù)據(jù)處理及控制模塊中的系統(tǒng)主程序，以及運行于顯控單元的顯控程序。

系統(tǒng)主程序基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能需要對Linux操作系統(tǒng)進行裁剪，進行最小化配置，保證算法實時性的實現(xiàn)。軟件采用C語言進行編制，實現(xiàn)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理算法、以及通信等功能，系統(tǒng)流程框圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程框圖

系統(tǒng)上電之后，軟件即開始運行。首先進行系統(tǒng)初始化，讀取配置文件等；初始化之后即開始系統(tǒng)自檢工作，檢查系統(tǒng)電路是否工作正常；自檢通過后即開始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理工作，并根據(jù)系統(tǒng)默認控制流程或人工操作指令進入相應(yīng)工作模式（如人工裝訂模式或校正模式）。系統(tǒng)軟件每50 ms完成一個計算周期，完成計算功能后即進入空閑等待狀態(tài)。通信模塊負責(zé)將計程儀解算的速度信息發(fā)送給顯控模塊，進行對外信息發(fā)送，并可接收外部信息源速度信息，用于數(shù)據(jù)融合或速度校正。

顯控程序運行于顯控單元，主要實現(xiàn)速度信息顯示、人機操作、與下位機以及其他設(shè)備通信等功能。人機界面示意圖見圖5，采用基于Linux操作系統(tǒng)的串口屏實現(xiàn)顯示功能。該方案利用串口通信即可便捷實現(xiàn)界面顯示以及人機操作功能，成本可控且工作較穩(wěn)定。

圖5 人機界面示意圖

2 誤差校正方法

誤差校正方法是保證測速精度滿足指標(biāo)的重要手段。在實際測量過程中，由于傳感器附近磁場環(huán)境不同以及受其本身制造工藝的影響，使得傳感器相對水層速度與其感應(yīng)電動勢之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系（見圖6）。

圖6 傳感器輸入-輸出特性曲線

為校正電磁計程儀系統(tǒng)誤差，并消除安裝環(huán)境以及傳感器非線性誤差，電磁計程儀在裝船后必須進行測速標(biāo)定試驗，以確定在特定安裝環(huán)境下，其速度感應(yīng)信號輸出特性曲線的大致形狀，并根據(jù)傳感器特性，用計算機可實現(xiàn)的方法逼近實際特性，求得實際輸出特性的（滿足精度要求）近似計算模型，以消除理論曲線和實際曲線不同產(chǎn)生的誤差。在圖6中，BCD三點即為低、中、高三點速度；而在AB、BC、CD、DE段根據(jù)需要設(shè)立微調(diào)點，如圖4中A′、B′、C′、D′，可進一步調(diào)整速度曲線，向?qū)嶋H特性曲線逼近。校正時，系統(tǒng)需進入誤差校正工作模式，通過在測速場進行順-逆-順航行試驗，獲得低、中、高三點計程儀對水測速的真速度，并將參數(shù)裝訂入系統(tǒng)，完成誤差校正功能。

在動態(tài)性能試驗中，對試驗船只首尾方向速度進行三點校正，橫向速度進行零位校正，然后對合速度進行考核，以判定系統(tǒng)精度是否滿足要求。在空泡水筒試驗中，分別對縱橫向速度進行誤差校正，并進行復(fù)測考核。

誤差校正利用校正軟件實現(xiàn)，通過顯控單元人機界面操作，進入誤差校正工作模式后，進行三點校正，分別對計程儀低、中、高三個速度進行順-逆-順航行試驗，分別獲得艦船的低、中、高計程儀速度和真速度，在人機界面中將速度值輸入，即可對計程儀進行三點校正。有時為了縮短海上作業(yè)時間，在測速精度要求不是太高的情況下，也可以根據(jù)測速經(jīng)驗以及傳感器的水筒試驗數(shù)據(jù)，進行單點測速和兩點測速校正。校正真速度的獲取可以通過兩種方式：一種是通過DGPS實時獲得船舶航行絕對速度，并通過順-逆-順間接獲得船舶航行對水真速度；另一種是通過在測速場通過順-逆-順的方式測量一定距離迭標(biāo)通過時間的方法獲得對水真速度。近年來，隨著DGPS技術(shù)的發(fā)展，基本淘汰了測速場迭標(biāo)獲得對水真速度的方案。誤差校正流程框圖見圖7。

圖7 誤差校正軟件流程框圖

測速流程開始后，校正軟件實時測量由DGPS計算得出的平均真速度和計程儀測量的平均速度的誤差，并記錄各自測量的平均速度，誤差ΔV計算［3］方法如下：

式中：VJP為電磁計程儀對水平均速度，kn，由順-逆-順三個航次平均計算所得；VZP為艦船對水平均真速度，kn，由順-逆-順三個航次平均計算所得。

3 試驗驗證

原理樣機在某研究所進行空泡水筒試驗，驗證了雙軸傳感器縱橫兩個方向線性度以及誤差校正軟件是否合理。試驗結(jié)果表明：雙軸電磁計程儀系統(tǒng)工作正常，校正后精度能夠滿足要求，縱橫速度校正數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 空泡水筒試驗縱速度校正數(shù)據(jù)

表2 空泡水筒試驗橫速度校正數(shù)據(jù)

之后又進行了千島湖試驗場湖上航行試驗，主要驗證在湖上航行狀態(tài)下，經(jīng)誤差校正后的雙軸電磁計程儀合速度精度能否滿足要求。由于試驗場艦船速度有限，僅進行低速段的速度校正和復(fù)測，試驗結(jié)果良好。試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 千島湖航行試驗數(shù)據(jù)kn

4 結(jié) 論

經(jīng)空泡水筒以及湖上試驗驗證，基于ARM的雙軸電磁計程儀能較好實現(xiàn)速度測量、顯示、通信和校正功能，并且速度校正算法正確，滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)，達到預(yù)期目標(biāo)。

電磁傳感器及其配套電路和軟件進行雙軸設(shè)計，有效解決了傳統(tǒng)電磁計程儀無法測量船舶橫向速度的難點。系統(tǒng)采用低成本的ARM芯片，以集成電路進行控制，采用串口屏進行人機界面設(shè)計，既實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計，也降低了設(shè)備成本，有利于產(chǎn)品推向市場。

下一步的主要工作是進行雙軸電磁傳感器的進一步低成本化設(shè)計以及工程化設(shè)計，從而提升產(chǎn)品競爭力。

［1］ 張德會，金光耀. 基于PC104的電磁計程儀及其誤差校正系統(tǒng)［J］. 船舶，2013 （3）：73-76.

［2］ 鄒洪，向大威，許偉杰，等. 多普勒計程儀速度參照系統(tǒng)的誤差分析［J］.聲學(xué)技術(shù)，2003（3）：162-168.

［3］ 趙仁余. 航海學(xué)［M］. 北京：人民交通出版社，2009.

［4］ 艦船電磁計程儀傳感器的微弱信號檢測［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2013（2）：59-61.

［5］ 船用計程儀極間海水電阻的模擬計算及診斷應(yīng)用［J］.船舶工程，2013（4）：75-77.

On biaxial electromagnetic log based on ARM

BI Yan ZHANG De-hui
(1.Underwater Acoustic Navigation System Army Representative Room in Shanghai,Shanghai 200136, China;2.CSSC Marine Technology Co.,Ltd., Acoustic Navigation Department, Shanghai 200136, China)

A velocity measuring system of the two-dimensional ship speed is designed by using the electromagnetic induction principle based on ARM controller, in order to improve the performance of the electromagnetic log. The ARM controller and its peripheral circuit are the core of the control and the speed calculation with special selfcheck module, signal amplifier module, low pass filter module, phase modulation module, phase demodulation module, data collection module, ARM data processing and control module, display control module, excitation module and power module. The error can be corrected by using the curve approximation method in the software,leading to the steady system with convenient operation.

phase demodulation ; double axis; signal amplify; phase modulation

U665.152

A

1001-9855（2017）06-0067-07

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.067

2017-05-11；

2017-06-26

畢 彥（1976-），男，工程師。研究方向：水聲導(dǎo)航技術(shù)。

張德會（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：水聲導(dǎo)航技術(shù)。