某型電磁計(jì)程儀模擬器硬件設(shè)計(jì)

姜 旭 周愛軍 馬海瑞

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系 大連 116011）

1 引言

電磁計(jì)程儀是艦船主要導(dǎo)航儀器之一，也是各種形式的組合導(dǎo)航系統(tǒng)不可缺少的組成部分［1］。在航海相關(guān)課程教學(xué)過程中，由于計(jì)程儀本身模塊多，操作繁瑣，且在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下缺少水體環(huán)境，整個教學(xué)過程存在一定不足，效率不高。針對此問題，設(shè)計(jì)開發(fā)電磁計(jì)程儀模擬器，該模擬器可以全功能模擬實(shí)裝電磁計(jì)程儀，同時突出教學(xué)需求，增加某些教學(xué)專用功能模塊，模擬器還可以作為更大型的綜合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的單元模塊。本文主要對該模擬器系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，使整個硬件電路滿足性能要求，從而為整個系統(tǒng)的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

2 硬件設(shè)計(jì)任務(wù)和模塊劃分

2.1 硬件設(shè)計(jì)任務(wù)

模擬器系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而硬件設(shè)計(jì)是單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，如果在這個環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤或缺陷，對整個工作將產(chǎn)生不良影響［2］。從技術(shù)角度出發(fā)，硬件設(shè)計(jì)可分為以下幾個方面：

1）最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)：微處理器和存儲器的選擇、總線驅(qū)動、復(fù)位電路的設(shè)計(jì)等。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用內(nèi)部含有20KBFlashROM的STC89C55型單片機(jī)，存儲器采用AT24C32型號的4KB串行電可擦除的可編程存儲器，用以存儲各類設(shè)置參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對它們進(jìn)行掉電保護(hù)。處理器和存儲器采用串行I2C總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2）I/O通道設(shè)計(jì)：接口電路，模擬量I/O通道中A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇等。為節(jié)省單片機(jī)I/O口資源，系統(tǒng)模擬量輸入環(huán)節(jié)采用帶串行I2C總線接口的PCF8591轉(zhuǎn)換芯片，LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動采用MAX7219顯示驅(qū)動器。

3）人機(jī)界面設(shè)計(jì)：鍵盤、顯示（液晶或數(shù)碼管）及接口設(shè)計(jì)等。本系統(tǒng)的鍵盤采用4×4矩陣鍵盤和一個獨(dú)立鍵盤，滿足實(shí)裝按鍵需求。并增設(shè)鍵盤編碼器芯片74C922以節(jié)省單片機(jī)I/O口資源并提高效率。顯示模塊是由LC1602液晶屏和7SEGMPX6-CC六位七段數(shù)碼管共同組成。

4）資源分配：資源分配是對RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、中斷源、異步串行口、并行I/O口等內(nèi)部資源及擴(kuò)展資源分析其用途、工作方式、起止時間和限定條件，并分配端口地址。合理地進(jìn)行資源分配，一方面減少資源浪費(fèi)，另一方面若發(fā)現(xiàn)資源不足，能及時修正原理設(shè)計(jì)中的潛在問題。

5）可靠性設(shè)計(jì)：為使系統(tǒng)能夠正?？煽康剡\(yùn)行，在串口電路設(shè)計(jì)中加入末端電阻，對于大功率器件要考慮系統(tǒng)的驅(qū)動能力，相應(yīng)增設(shè)驅(qū)動模塊。

2.2 硬件模塊劃分

整個電磁計(jì)程儀模擬器系統(tǒng)的硬件模塊劃分如圖1所示，核心是STC89C55型單片機(jī)，擴(kuò)展了眾多外圍模塊。主要包括存儲器模塊、RS4-22A串口通信模塊、A/D輸入模塊、鍵盤模塊、顯示與模擬量輸出模塊。

單片機(jī)選型方面考慮使用STC89C55單片機(jī)，相較于其他型號單片機(jī)，它的應(yīng)用廣泛，內(nèi)部具有20KB的程序存儲器，且具有ISP在線可編程功能，程序可以直接下載到單片機(jī)中，維護(hù)升級方便，可以很好地滿足使用需要［3］。串行通信模塊采用RS-422A協(xié)議，利用一塊MAX487芯片完成電平轉(zhuǎn)換。

圖1 模擬器系統(tǒng)硬件框圖

3 系統(tǒng)各模塊硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

單片機(jī)系統(tǒng)模塊主要包括一塊STC89C52型單片機(jī)及其最簡系統(tǒng)、AT24C32型號的E2PROM構(gòu)成［4］。最簡系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路和晶振電路。其中，晶振頻率設(shè)置為11.0592MHZ。

存儲模塊由一片AT24C32型號的具有I2C總線接口的E2PROM構(gòu)成，可編程地址選擇位A0，A1，A2和寫保護(hù)輸入端WP接地，串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端SDA及串行時鐘輸入端SCL分別接單片機(jī)P2.0及P2.1口，用作控制數(shù)據(jù)讀寫。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

3.2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

人機(jī)交互部分主要包括顯示模塊和鍵盤電路模塊。如圖3所示，顯示模塊主要包括兩塊7SEG-MPX6-CC六位七段數(shù)碼管和一塊LC1602液晶屏，兩塊數(shù)碼管進(jìn)行航速航程顯示以及實(shí)裝電磁計(jì)程儀各項(xiàng)參數(shù)顯示，液晶面向教學(xué)人員，完成對各項(xiàng)教學(xué)功能的設(shè)置顯示。對數(shù)碼管的驅(qū)動選擇上，常規(guī)的74HC573鎖存器進(jìn)行驅(qū)動會占用單片機(jī)較多I/O口，且動態(tài)掃描程序占用單片機(jī)資源。若用串入并出器件74HC595驅(qū)動，只需要三個接口，但動態(tài)掃描的軟件工作量依然很大。為克服這兩個缺陷，不使顯示模塊占用單片機(jī)太多資源，考慮使用max7219可編程共陰極LED數(shù)碼管驅(qū)動芯片，它集BCD譯碼器、多路掃描器、段驅(qū)動和位驅(qū)動電路于一體。其外圍接口電路簡單，僅需三根I/O口線便可驅(qū)動多塊LED進(jìn)行動態(tài)顯示，在簡化硬件電路同時大大減少軟件的工作量。本系統(tǒng)內(nèi)，使用兩片MAX7219進(jìn)行級聯(lián)，對兩塊六位數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動。

LC1602液晶屏顯示單元方面，數(shù)據(jù)輸入端接單片機(jī)P0口，數(shù)據(jù)/命令選擇端RS、讀寫選擇端R/W、使能信號端E分別接單片機(jī)P3.2到P3.4口［5］。

鍵盤輸入模塊主要包括4×4矩陣鍵盤和一個控制模擬電位器輸入的獨(dú)立鍵盤，共有17個按鍵，滿足實(shí)際計(jì)程儀的按鍵需求。為節(jié)省單片機(jī)I/O口資源，并降低單片機(jī)負(fù)擔(dān)，提升工作效率，在設(shè)計(jì)矩陣鍵盤時使用鍵盤編碼器芯片74C922［6］。該芯片能夠獨(dú)立地進(jìn)行鍵盤檢測和消抖，掃描程序也更為簡捷，同時，獨(dú)立鍵盤也添加了電容消抖設(shè)計(jì)［7］。74C922的鍵盤接口X1—X4，Y1—Y4分別與4×4鍵盤的列與行相連，輸出DOUTA—DOUTD與單片機(jī)P1.0—P1.3口相連，信號端DA接單片機(jī)P3.5口。設(shè)計(jì)情況如圖4所示。

3.3 接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的接口電路主要包括AD輸入，轉(zhuǎn)角信號輸出和串行口輸出。AD輸入環(huán)節(jié)，為節(jié)省單片機(jī)I/O口資源，使用串行口PCF8591轉(zhuǎn)換芯片，它是一個單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bitCMOS數(shù)據(jù)獲取器件，具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2可用于硬件地址編程，從而和系統(tǒng)內(nèi)其他I2C器件進(jìn)行區(qū)分［8～10］。

圖3 數(shù)碼管及液晶顯示模塊

圖4 鍵盤輸入模塊

模擬量輸出環(huán)節(jié)，系統(tǒng)需將航速數(shù)字量通過自整角機(jī)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角形式的模擬量后對外發(fā)送。自整角機(jī)是由步進(jìn)電機(jī)來帶動旋轉(zhuǎn)的。系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)電機(jī)工作方式為四相八拍，對其轉(zhuǎn)值要求為55Kn/r，即步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈代表航速為55節(jié)。由于步進(jìn)電機(jī)功率較大，不能直接由單片機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，需由功率驅(qū)動電路來擴(kuò)展輸出電流，以滿足控制需求［11］。本設(shè)計(jì)是采用ULN2003高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的，其具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)［12］。使用單片機(jī)驅(qū)動ULN2003時，需要注意將I/O口利用2K上拉電阻上拉到電源，脈沖輸入由單片機(jī)P2.4-P2.7口控制。整個模擬量輸入輸出模塊電路圖如圖5所示。

串口輸出方面，采用RS-422A通訊接口，相較于RS-232C，它的傳送距離更遠(yuǎn)，速率更高。系統(tǒng)使用MAX487轉(zhuǎn)換芯片完成TTL電平到RS-422A電平的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動器輸出使能端DE接單片機(jī)P1.4口，驅(qū)動器輸出端、接收器輸出端分別接單片機(jī)串行輸出（TXD）輸入（RXD）口。為增強(qiáng)抗干擾能力，在MAX487信號輸出端增加終端電阻，吸收網(wǎng)絡(luò)上的反射波，有效地增強(qiáng)信號強(qiáng)度［13］。電路圖如圖6所示。

圖5 模擬量輸入輸出模塊

圖6 串口通信模塊

4 結(jié)語

本文主要對某型電磁計(jì)程儀模擬器硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為主體，根據(jù)模擬器的各項(xiàng)功能對硬件模塊進(jìn)行選擇，在充分考慮性能需求和系統(tǒng)適配性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上完成了對單片機(jī)系統(tǒng)、接口電路、顯示模塊、鍵盤模塊的硬件設(shè)計(jì)。為模擬器各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)和各類信號的輸出提供了硬件支撐。