采用双传感器组合和微处理机技术实现航海计程仪系统的设计

在航海系统中，采用计程仪连续测量运动中船舶的速度并计算出船舶的累计航程。本文所设计的计程仪系统采用双传感器组合结构，并结合微处理机技术（选用了MCS-51系列单片机及与之配套的专用接口芯片），组成了计程仪专用计算机系统。仪器结构简单，体积小，精度高，操作调整方便。它能方便地进行数字通讯；根据实际需要，也能发送速度的模拟信息，接口灵活，适应了船舶控制与操作自动化的需求。

1、计程仪硬件设计

该计程仪系统由主仪器、电磁传感器、压差式传感器、船底阀、导压杆、可由用户扩充的分显示器和一套开关分配器等部分组成（图1）。本系统的突出特点是采用了双传感器组合结构：分别利用电磁传感器和压差式传感器（利用贝努利方程原理）来测量船舶与水之间的相对运动速度，并由其计算与记录船舶的航程。

1.1 技术性能

（1）测速范围：-10节～+40节（量程更改可由程序设定）；（2）航速精度（测速场精度）：±0.20节；（3）航速发送形式：RS-485；（4）单次航程范围：0～9999.99海里；（5）累计航程范围：0～999999海里；（6）工作时间累计范围：0～99999小时；（7）航程解算精度：±0.1％（负速度不计航程）。

1.2 主仪器工作原理

主仪器是一个以MCS-51单片微计算机为核心的专用微机系统，如图2所示。它包括：直流电源装置，键盘输入与显示装置，及由CPU、EPROM、EEPROM及专用接口电路组成的单片机装置。主仪器是计程仪的核心部分，其面板上装有各种操作按钮，用以控制整个仪器的运行，完成测速校正操作。

主仪器采用中断方式实现双传感器的数据采集控制，其中定时器周期性地产生中断信号申请中断，中断服务程序接收电磁传感器和压差传感器输出的电信号，然后A/D转换装置和I/F转换器将它转换成数字量后送至微机系统；按一定的计算公式进行数椐处理，并按调整后的曲线进行修正，以得到船舶的速度，再根据时间间隔的大小进行数值积分来求得航程。计算机将求得的航速信息以适当的形式通过各相应的接口电路送到各用户和分显示器，完成航速航程的显示。计算机系统中的EEPROM可以永久性地保存诸如累计航程、累计工作时间、速度调整参数等结果。

1.3 主要芯片及其系统功能简介

本系统中主要采用了AT89C55、ICL7109和AD652等芯片，简介如下：

1.3.1 AT89C55

AT89C55芯片是由ATMEL公司推出的51系列8位单片机。片内主要有20KFlash存储器、256字节片内RAM，4个8位的双向可寻址I/O口，1个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行接口、3个16位的定时器/计数器、多个优先级的嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路。本系统中利用了AT89C55丰富的20K闪存资源永久保存测量中累计航程、累计工作时间等关键结果，并利用了其定时器计数器及中断嵌套结构实现双传感器的数据采集。

在本系统中，T0、T1均工作在计数方式，T0产生1s计数中断，T1完成压差传感器转换的频率计数。INT0被用于按键中断处理，TXD串行发送计程仪的速度信息，波特率为4800。X1、X2外接8MHz的石英晶体。P1口各位分别完成发送显示码、测速/航行判断等功能，P2口部分参与地址译码，同时P0口分时输出数据/地址低8位。

1.3.2 ICL7109

ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位模/数变换器。该芯片由模拟电路和数字电路两部分组成，其中模拟电路由模拟信号输入、振荡电路、积分、比较电路和基准电压源组成。数字电路由时钟振荡器、异步通信握手逻辑、转换控制逻辑、计数器、锁存器、三态门组成。

ICL7109工作电压为双电源±5V，GND为公共端，外接6MHz的晶振，基准电压为外部分压输入的2.8V；接口方式为直接输出方式，数据输出为12位二进制数和一位极性，12位A/D转换通过控制高低字节使能端实现，分时读出低8位和高4位。

1.3.3 AD652

AD652是一种高速、高精度、同步I/F转换器；用外接时钟脉冲决定满量程频率，并允许电压或电流输入。本系统中AD652的功能是将压差传感器的4～20mA的电信号转换成频率信号输出给CPU，CPU再根据AD652的工作时钟解算出当前速度值。AD65

工作电压为双电源±15V，工作时钟由单片机的晶振输出经54LS393分频获得，AD652输出脉冲由AT89C55的T1计数，计数时间间隔为1s。

1.3.4 8155

8155除有三个I/O端口（A口、B口、C口）外，还带有一个256字节的静态随机存贮器和一个14位定时/计数器。具有一块芯片多种功能的特点。另外，8155和单片机的连接十分简单，甚至不需要8D锁存器。本系统利用8155构成键盘显示电路。

2、计程仪软件设计

在软件设计中，采用了数值逼近及多种滤波算法，并在充分利用CPU功能的前提下，尽量减少硬件数量。除合理选择硬件外，软件上采取抗干扰陷阱与冗余处理，提高了系统的稳定性和可靠性。

计程仪的工作程序用汇编语言编写，采用模块化结构的程序设计方法，便于使用维护与扩展。计程仪软件主要分为自检模块、管理模块、航速航程解算模块和测速校正等模块，各模块主要以中断方式调用。计程仪的基本工作程序框图如图3所示。当电源开关闭合后，仪器的专用计算机系统开始自检，主仪器及分显示器上将显示自检的结果；自检完毕后便开始对计算机系统进行初始化设置；初始化设置完毕后，定时器并未开始计时，而必须等到启动中断后才开始计时工作。此时计算机系统处于一种等待状态，等待定时或按钮所产生的中断发生。中断部分完成航速航程计算和发送，流程图如图3所示。

3、结束语

本航星计程仪系统采用了双传感器结构实现船舶航速的连续测量并按一定的软件算法计算航程；具有硬件电路简单、可靠性高、工作稳定和性价比较高等特点，适应现代化舰船的需求。由于使用了AT89C55单片机等，使得该系统具有一定的可再开发性。目前该计程仪已批量生产，并安装于多种船舶上。

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