船用平台罗经模拟器的设计

罗飞仁，沈括，汪铭东

（中国人民解放军92932部队，广东湛江524016）

摘要：为了在船用设备修理过程中提供可用的平台罗经信号，介绍了使用于某设备的平台罗经模拟器实现过程，该方案以单片机+FPGA+DSC模块为核心，单片机实现人机交互，FPGA实现系统逻辑控制，DSC模块生成平台罗经信号。实测表明，该方法设计简单，满足船载设备的要求，可以实现转速比为1∶36的粗精双通道罗经信号模拟。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词：FPGA；DSC；罗经；伺服系统

中图分类号：TN802?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）15?0060?03

收稿日期：2015?02?12

0 引言

由于舰船航行中，受到海浪影响，造成船体摆动，使雷达等设备平台无法相对大地平面静止，为保证使用精度，稳定雷达天线平台，雷达必须使用平台罗经数据，消除舰船摇摆的影响。

在船上，使用罗经数据需要协调多个部门，严重影响设备修理进度与修理、调试质量。为解决这一矛盾，本文针对某型号雷达特点，研制了适用于该雷达的平台罗经模拟器。

1 原理

1.1 雷达稳定平台原理

该型雷达使用粗精双通道平台罗经信号，进行船摇信号的隔离，伺服系统的原理图如图1所示。

伺服系统工作时，船摇RDC 模块将平台罗经送来的横摇、纵摇信号转换为数字信号，送至中心机。同时，天线的俯仰角旋转变压器检测天线当前的俯仰角度，并将该信号送到天线SDC模块，转换为数字信号后送至中心机。中心机接收到RDC 模块和SDC 模块数据后，对该数据进行比对、解算，计算出俯仰角度误差，送至误差DAC芯片输出，用于驱动天线俯仰电机，向减小这种误差的方向运动，克服船摇对天线的影响，保证天线平台的稳定。

1.2 粗精机构测角原理

在单通道转换器的测角系统中，转换器的分辨力最终要受到测角元件制造误差的限制。在许多测角精度要求较高的场合，这种转换器难以胜任[1]，而粗精双通道测角由于采用了精通道数据进行校正，其测角精度是单通道测角系统的N 倍[2 ?3]。粗精机构组合原理如图2所示。

粗精机构组合的含义是粗示机构轴角转过1圈时，精示机构轴角则转过n 圈[4]，即由粗示确定轴角的粗略，由精示确定轴角的精确位置，粗精角组合得到真实的机械轴角[5]。

2 系统设计

2.1 设计指标

为了实现对舰船航行姿态的逼真模拟，完成与该设备的对接，特提出以下设计指标：

（1）测角通道：粗精双通道；

（2）转速比：1∶36；

（3）功能：转动、指定角度定位功能；

（4）天线角度连续变化规律：横摇、纵摇角度呈正弦规律变化；

（5）最大变化角度：横摇：-25°~25°；纵摇：-15°~15°。

2.2 硬件设计

当前，模拟罗经的主要实现方式如表1所示。

在本设计中，由于需要实现横摇、纵摇粗精通道的角度计算，同时使用的DSC为14位数字输入，并且需要实现较好的人机交互，只使用单片机、DSP或者FPGA，虽然能完成该设计，但程序设计难度较大。所以为降低难度，简化设计，本系统提出了单片机+FPGA+DSC模块的硬件实现方案，系统原理图如图3所示。

系统设计中，利用单片机编程简单，容易实现与液晶显示器互连的特点，使用单片机作为控制中心，用于接收用户设定的罗经运行数据，并且实现与FPGA的互连，实现当前横摇、纵摇信息的实时显示。利用FPGA强大的逻辑控制能力和大量的I/O管脚的特点，将FPGA作为系统的逻辑控制中心，用于实现对角度的计算，同时完成对角度粗精通道的分解，并将数据送至DSC 模块，实现角度的传送。

2.3 FPGA程序设计

FPGA作为系统的逻辑控制中心，实现各个芯片之间的协同工作，并实现角度的正弦变化，因此FPGA 是整个系统的核心部分，FPGA 程序直接影响系统性能。FPGA程序逻辑图如图4所示。

接收模块：接收从单片机发送来的用户设定信息，包括船摇摆动方式（连续、定位），船摇最大角度（Am）船摇周期（Tc），并将上述参数送至状态逻辑模块。

状态逻辑模块：用于控制船摇的工作状态。尤其在用户设定船摇角度变化时，为防止输出角度出现大的角度跳变，该模块只允许在当前角度为0°时，将设定的最大角度值写入乘法模块，同时，根据用户输入的船摇周期，控制对ROM表的查询速度。

正弦数据表：根据设计需求，角度需要呈正弦变化，因此在FPGA 中需要实现正弦计算。但对于FPGA 而言，要实现正弦计算，需要进行单独的算法设计，难度较大。基于正弦值的对称性，将第一区间的正弦值存储于ROM 中采用查表法，通过读写顺序的变化，获取正弦值。该模块采用状态机实现，如图5所示。

State1 和State3 为正序读取ROM 表，State1 实现第一象限值，State3 将读取值进行反相实现第三象限值；State2 和State4 逆序读取ROM 表，State2 实现第二象限值，State4将数据反相后实现第四象限值。

乘法模块：将用户设定的最大船摇角度和查询得到的正弦值相乘，实现a(t) = Am × sin(2π × Δt)，其中，a(t) 为计算得到的当前值。

粗精通道解算模块：将乘法模块计算得到的角度值，根据1∶36的转速比，转换为对应的粗精双通道角度数据。

数字角度分解模块：由于使用的DSC 模块为14 位数字角度输入，因此该模块将粗精通道的角度数据分解成14位的数字角度值送到DSC模块。

3 结论

本文采用单片机+FPGA+DSC模块的设计方案，以FPGA 为控制核心，使用查表法实现正弦值计算，实现了粗精双通道，转速比为1∶36的罗经模拟器设计。经过实际测试，该系统满足设计要求。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

[1] 梁海波，张庆，高延滨.基于ARM7微控制器的双速轴角/数字处理器的设计[J].应用科技，2008，35（3）：46?49．

[2] 杨波.适用于粗/精同步机高精度测量系统双速处理器的研制[J].佛山科学技术学院学报：自然科学版，2003，21（2）：29?31．

[3] 徐大林，高文政.基于FPGA的多极旋转变压器粗、精数据组合双速处理器的设计与实现[J].测控技术，2006，25（5）：42?45．

[4] 王星民，郭盛杰.多极旋转变压器测角原理及实现方法[J].山西电子技术，2011（6）：24?25．

[5] 张莉松，胡祐得，徐立新.伺服系统原理与设计[M].北京：北京理工大学出版社，2008．

[6] 任鹏会，郑刚，麻红梅.双通道伺服系统的数字化实现[J].现代电子技术，2005，28（18）：116?117.

[7] 欧全梅.基于ARM核嵌入式微处理器的以太网应用[J].现代电子技术，2006，29（15）：34?36.