一种基于ARM及FPGA的新型智能化航迹仪的设计

    本部分中还包括海图坐标转换程序，其主要功能：主板接收装海图命令的同时，会读取CAN总线上由综导台发送的海图信息，包括海图类型（墨卡托或高斯海图）、大小、比例等。程序根据这些信息，将海图上的经纬度值折算成XY轴坐标，以便于底层的直线差补程序将XY坐标量转换成步进电机的走步脉冲数。
3.1.3 底层部分
    底层包括所有的画线、写标记符等绘笔执行动作的程序，及与硬件有关的I/O操作子程序、中断服务程序。下面介绍几个主要的程序。
   (1)直线差补程序
   线段是航迹仪绘制的基本图形，其他各种曲线都是以线段逼近的。设线段终点到起点坐标长度分量分别为Δx、Δy。令X、Y向步进电动机同时起动，同时停止，分别以均匀速度V_x、V_y运动。这样 ，即 。其中T代表电机运行时间，V_x、V_y分别为X、Y向电机速度，f_x、f_y分别为运转频率，k为步进电机脉冲当量。
 程序设计中，已知X、Y向的增量?驻x、?驻y，选增量大的方向的走步频率为最大走步频率f₁=f_M，另一方向频率即为f₂=f_M×Δy/Δx。已知两个方向的走步频率，由接口板计数器的初始频率12MHz可计算出X、Y向的分频值；已知的脉冲当量可求出X、Y向各自需要的走步脉冲数。将分频值、脉冲数及开始/停止等控制信息传送给接口板，使其产生相应频率的脉冲信号，以控制步进电机，即可实现航迹仪的直线差补功能。
    (2)CAN总线通讯任务模块
    设计中采用PHILIPS公司的CAN总线控制器SJA1000，CAN总线驱动器选用82C250。
    综导台将导航数据通过CAN总线发送给航迹仪。通讯模块主要实现对航迹仪数据报文接收、解析等。当有CAN报文到达，SJA1000产生中断释放信号量。设备工作任务中轮询等待信号量接收CAN报文。对接收的CAN报文，首先存入CAN接收数据结构，解析后读入航迹仪数据结构。CAN接收数据结构在接收CAN报文时临时分配。在报文解析过程中，接收的报文通常为BCD码，因此要将其还原为ASCII码。解析过程中，若出现格式错误，则置错误状态标志。
    (3)LCD屏显示及触摸程序
    本设计采用SHARP公司的144.78mm、LM057QC1T01型STN彩色液晶显示器，其显示格式为320像素(×3)×240行，即显示屏每行有320个像素点，共240行，每个像素点由RGB（红、绿、篮）三种颜色组成。
    LCD触摸屏程序主要分为显示任务FsceShow，触摸屏查询任务TouchCheck，触摸屏状态查询任务TouchStateCheck。TouchCheck入口函数Touch_check( )查询触摸屏中断，TouchStateCheckt( )查询触摸屏状态改变，FaceShow执行响应，显示图形。程序框图如图4所示。

                                 

    (4)位置补偿模块
    如前文所述，在步进电机运行完一次由运行到静止的过程后，把目标位置与从数字化板发送的实际位置做差比较得到的位置差量Δd作为一次操作补偿。其特点是在一次绘图过程中有两次电机的开始和停止，补偿速度慢，但所绘的是近似真实的图形。程序框图如图5所示。

                                            
3.2 XC2S50接口板部分的软件设计
    XC2S50接口板软件部分采用VHDL语言编写。编译后通过JTAG口烧写入配置芯片18V01中。软件部分主要包括顶层模块jkb_top、接口模块jiekou、脉冲发生模块pulse_generate、速度控制模块speed_CTR、脉冲计数模块counter、方波发生器counter32等。其结构框图如图6所示。

                  

                                                  

    在脉冲发生模块pulse_generate中，速度控制模块speed_ctr的主要功能是：通过查询发送、剩余脉冲数，计算出响应的速度控制级别（可分为4种模式），将速度控制信息传送给脉冲计数模块counter。两个脉冲计数模块counter分别控制X、Y两个步进电机的走步步数。它们分别以X、Y向驱动脉冲作为输入时钟信号，纪录两向脉冲数，发出使能信号以控制counter32，其原理如图7所示。两个方波发生模块counter32分别对X向、Y向步进电机驱动器输出方波，其输出波形的频率即为步进电机的走步频率，如图8所示。接口模块jiekou接收来自主板发送的X、Y向分频值、脉冲数数据信息，以及运行方向、开始终止、抬落笔、报警等控制信息，并将数据信息发送给pulse_generate模块，将控制信息发送给驱动板。所有的软件模块封装在顶层模块jkb_top中。

                                       

                                       

    新型智能化航迹仪设计，针对传统航迹仪系统的诸多问题，给出了有效的改造方案。改造方案降低了成本，增强了功能的针对性，节省了系统资源。数字化板的使用，为原开环系统增加了闭环反馈，提高了标绘精度。使用FPGA器件代替原CDT800接口板，保证系统的时事性与稳定性，提高了集成度。CAN总线通讯的采用，增大了信息的承载量，提高了实时性。LCD触摸显示屏的使用，增强了人机交互性。使用带有细分功能的电机驱动器，及对传统航迹仪步进电机部分的优化改造，降低了工作的振动与噪音，提高了工作稳定性。

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