传感网式罗经航向数字复示与方位测量系统设计
冯爱国++昊炜
摘要：为降低能耗及制造成本，提高便携性和驾驶台集成度，通过对船用陀螺罗经信号转化、IEC61162（船用仪器数字接口IEC标准）和角位移数字测量方法的研究，提出利用陀螺罗经数字输出与以角度传感器为基础的数字化舷角测量终端相结合的航向复示与方位测量系统.该系统给出利用串口通信采集罗经航向数据的方法，滑阻式角度传感器数据输出方法，航向及电子方位线虚拟仪表设计方法、误差补偿与标定方法以及数据有线及无线网络共享方法，样机实测结果与传统机电分罗经测量结果比对，精度高于直接测读结果；该方案对数字化罗经工程实现具有一定的参考价值，
关键词：陀螺罗经；角度传感器；串口通信；虚拟仪器；方位测量
中图分类号：U666.1
文献标志码：A
0 引言
目前，船用陀螺罗经伺服随动、航向复示以及以此为基础的自动舵设备的硬件，大多采用电气和模拟量直接控制装置，虽然已有罗经航向数值的显示装置，但数字化的分罗经在驾驶台两翼不能满足实船应用（方位测量）的需求，方位分罗经系统目前还需要以机电式（自整角机、步进电机）罗经表盘实现.角位移传感器是一种将机械角度的变化转化为电信号输出的测量装置，电信号通过微处理器转换并以数字测角信号输出，是发展前途非常好的计算机测量手段之一，利用串行通信方式采集船用陀螺罗经的IEC 61162标准航向报文，利用角度传感器设计相应的机械观瞄装置及PCB采集电路并输出数字舷角，在工控上位机上通过C#GUI+（图形用户接口）编程技术实现数据融合并给出能与传统机电式航海仪器等效的虚拟仪器可视化表达结果，并通过有线或无线网络实现数字及仿真仪表的多终端便携共享，是本文研究的重要内容.
1 系统设计方案与总体结构
本系统所述角度传感网式移动数字分罗经及方位测量系统包括舷角采集板模块、陀螺罗经航向采集模块、工业级上位机模块和网络显示终端模块.舷角采集板模块与工业级上位机模块连接，用于输出舷角数据，并结合罗经航向采集，实现舷角测站的航向、方位LED数字显示；陀螺罗经航向采集模块用于采集并向工业级上位机及舷角采集板模块发送航向信息；工业级上位机模块用于接收并处理舷角、航向的信息，计算真方位，实时显示数值及虚拟仪表盘，同时向网络显示终端发送航向、方位测站地址及方位测量结果；网络显示终端模块与工业级上位机模块通过有线网络与WiFi连接，用于实现数字航向及方位数值及虚拟仪表盘显示.
系统以安许茨STD22型陀螺罗经NMEA0183数字航向（HDT-Heading true）及转向角速率（ROT-Rate of turn）输出为基础，可从罗经可主控PCB的RS422端口直接引出Tx+/-，或从外部串口集线器采集，两者互为备用.舷角信号采用以增强型51内核单片机STC12C5A60S2为核心的电子测量与控制系统，选用专业滑阻电位器式角度传感器WDS35D4，通过底层调理电路与STC12C5A60S单片机共地实现一体化设计.STC12C5A60S单片机集成有8路10位高速模数转换器（ADC），速度可达250kHz，能实现多路角度（电压DC：O～+5V）信号数字化.10位模数转换可使角度测量精度达到0.351度，采用100次高速采样均值滤波及野值剔除法等，使测控系统更具有鲁棒性.
2 系统各部件硬软件设计及多终端共享方案
2.1 航向的数字化处理与采集方法
传统陀螺罗经采用同步电机和步进电机等复示航向，其信号可利用CDI-2等模块实现模数转换.现代陀螺罗经已嵌入数字输出模组，不但可以实现RS232-422-485类通信、CAN通信等输出，还可以采集GPS船位、航迹向、对地速度等用以自动补偿纬度误差、速度与冲击误差等读数误差.因此，陀螺罗经航向可以由机电分罗经数字化模块或新型罗经数字化输出接口采集.以RS485串口通信方式采集罗经航向见图2和3.
数字化罗经或通用机电分罗经数字转换装置输出的航向信号遵守IEC 61162通信协议，其通信方式为异步串口通信（UART），为延长通信距离，采用差分技术将RS232转变为RS422/485，波特率4800b/s，语句包含“HDT-Heading true”和“ROT-Rate of tum”两种，分别表达“真航向”和“转向速率”，如“HEHDT，039.6，T*23”表示真航向为039.6度，其中“*”后数值为CRC校验值.航向串口采集合并舷角板卡串口采集流程见图4.
2.2 基于滑阻式角度（位移）传感器的舷角测量
调理电路与数字处理
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，8路10位A/D转换，转换速度可达250kHz（每秒钟25万次）；通用全双工异步串行口（UART），可用定时器或PCA软件实现多串口；通过多路10位精度ADC的A/D转换，精度可达360度/1024，即0.3515625度，满足航海方位测量精度要求，多路A/D转换口，满足多个方位测站一体化设计需求，
角度传感器常见的形式有滑阻式、磁敏式、光电编码式等，光电编码式角度传感器以直接输出数字信号见长，但制造工艺要求高，成本略大，滑阻式和磁敏式角度传感器均将机械转动转化为标准电信号输出，磁敏式角度传感器能全量程无触点测量转动的角度变化，且线性度更高.使用滑阻式角度传感器进行样机设计，技术路线一致，以专业滑阻电位器式角度传感器WDS35D4及STC12C5A60S2设计的舷角采集板卡见图5.
图5中：STC12C5A60S的8路10位A/D转换可实现多路角度（电压DC：O～+5V）信号数字化，采用P1.6，P1.7通道保证驾驶台两翼观测目标方位，调理电路中传感器模块实现0-360度测角与1-+5VDC的线性映射，运用Keil uVision编程巡检式输出多路传感器0-1024工位数，对应测角由上位机解算.
摘要：为降低能耗及制造成本，提高便携性和驾驶台集成度，通过对船用陀螺罗经信号转化、IEC61162（船用仪器数字接口IEC标准）和角位移数字测量方法的研究，提出利用陀螺罗经数字输出与以角度传感器为基础的数字化舷角测量终端相结合的航向复示与方位测量系统.该系统给出利用串口通信采集罗经航向数据的方法，滑阻式角度传感器数据输出方法，航向及电子方位线虚拟仪表设计方法、误差补偿与标定方法以及数据有线及无线网络共享方法，样机实测结果与传统机电分罗经测量结果比对，精度高于直接测读结果；该方案对数字化罗经工程实现具有一定的参考价值，
关键词：陀螺罗经；角度传感器；串口通信；虚拟仪器；方位测量
中图分类号：U666.1
文献标志码：A
0 引言
目前，船用陀螺罗经伺服随动、航向复示以及以此为基础的自动舵设备的硬件，大多采用电气和模拟量直接控制装置，虽然已有罗经航向数值的显示装置，但数字化的分罗经在驾驶台两翼不能满足实船应用（方位测量）的需求，方位分罗经系统目前还需要以机电式（自整角机、步进电机）罗经表盘实现.角位移传感器是一种将机械角度的变化转化为电信号输出的测量装置，电信号通过微处理器转换并以数字测角信号输出，是发展前途非常好的计算机测量手段之一，利用串行通信方式采集船用陀螺罗经的IEC 61162标准航向报文，利用角度传感器设计相应的机械观瞄装置及PCB采集电路并输出数字舷角，在工控上位机上通过C#GUI+（图形用户接口）编程技术实现数据融合并给出能与传统机电式航海仪器等效的虚拟仪器可视化表达结果，并通过有线或无线网络实现数字及仿真仪表的多终端便携共享，是本文研究的重要内容.
1 系统设计方案与总体结构
本系统所述角度传感网式移动数字分罗经及方位测量系统包括舷角采集板模块、陀螺罗经航向采集模块、工业级上位机模块和网络显示终端模块.舷角采集板模块与工业级上位机模块连接，用于输出舷角数据，并结合罗经航向采集，实现舷角测站的航向、方位LED数字显示；陀螺罗经航向采集模块用于采集并向工业级上位机及舷角采集板模块发送航向信息；工业级上位机模块用于接收并处理舷角、航向的信息，计算真方位，实时显示数值及虚拟仪表盘，同时向网络显示终端发送航向、方位测站地址及方位测量结果；网络显示终端模块与工业级上位机模块通过有线网络与WiFi连接，用于实现数字航向及方位数值及虚拟仪表盘显示.
系统以安许茨STD22型陀螺罗经NMEA0183数字航向（HDT-Heading true）及转向角速率（ROT-Rate of turn）输出为基础，可从罗经可主控PCB的RS422端口直接引出Tx+/-，或从外部串口集线器采集，两者互为备用.舷角信号采用以增强型51内核单片机STC12C5A60S2为核心的电子测量与控制系统，选用专业滑阻电位器式角度传感器WDS35D4，通过底层调理电路与STC12C5A60S单片机共地实现一体化设计.STC12C5A60S单片机集成有8路10位高速模数转换器（ADC），速度可达250kHz，能实现多路角度（电压DC：O～+5V）信号数字化.10位模数转换可使角度测量精度达到0.351度，采用100次高速采样均值滤波及野值剔除法等，使测控系统更具有鲁棒性.
2 系统各部件硬软件设计及多终端共享方案
2.1 航向的数字化处理与采集方法
传统陀螺罗经采用同步电机和步进电机等复示航向，其信号可利用CDI-2等模块实现模数转换.现代陀螺罗经已嵌入数字输出模组，不但可以实现RS232-422-485类通信、CAN通信等输出，还可以采集GPS船位、航迹向、对地速度等用以自动补偿纬度误差、速度与冲击误差等读数误差.因此，陀螺罗经航向可以由机电分罗经数字化模块或新型罗经数字化输出接口采集.以RS485串口通信方式采集罗经航向见图2和3.
数字化罗经或通用机电分罗经数字转换装置输出的航向信号遵守IEC 61162通信协议，其通信方式为异步串口通信（UART），为延长通信距离，采用差分技术将RS232转变为RS422/485，波特率4800b/s，语句包含“HDT-Heading true”和“ROT-Rate of tum”两种，分别表达“真航向”和“转向速率”，如“HEHDT，039.6，T*23”表示真航向为039.6度，其中“*”后数值为CRC校验值.航向串口采集合并舷角板卡串口采集流程见图4.
2.2 基于滑阻式角度（位移）传感器的舷角测量
调理电路与数字处理
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，8路10位A/D转换，转换速度可达250kHz（每秒钟25万次）；通用全双工异步串行口（UART），可用定时器或PCA软件实现多串口；通过多路10位精度ADC的A/D转换，精度可达360度/1024，即0.3515625度，满足航海方位测量精度要求，多路A/D转换口，满足多个方位测站一体化设计需求，
角度传感器常见的形式有滑阻式、磁敏式、光电编码式等，光电编码式角度传感器以直接输出数字信号见长，但制造工艺要求高，成本略大，滑阻式和磁敏式角度传感器均将机械转动转化为标准电信号输出，磁敏式角度传感器能全量程无触点测量转动的角度变化，且线性度更高.使用滑阻式角度传感器进行样机设计，技术路线一致，以专业滑阻电位器式角度传感器WDS35D4及STC12C5A60S2设计的舷角采集板卡见图5.
图5中：STC12C5A60S的8路10位A/D转换可实现多路角度（电压DC：O～+5V）信号数字化，采用P1.6，P1.7通道保证驾驶台两翼观测目标方位，调理电路中传感器模块实现0-360度测角与1-+5VDC的线性映射，运用Keil uVision编程巡检式输出多路传感器0-1024工位数，对应测角由上位机解算.
