船用平台罗经模拟器的设计

  • 投稿郝完
  • 更新时间2015-09-11
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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。

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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。

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作者简介:罗飞仁(1968—),男,福建莆田人,高级工程师。研究方向为电子装备保障。

沈括(1987—),男,四川眉山人,硕士研究生,工程师。研究方向为电子装备保障。

汪铭东(1976—),男,江西贵溪人,硕士研究生,高级工程师。研究方向为电子装备保障。