航迹航向自动操舵仪的硬件及驱动程序设计

摘要

船舶操纵的自动舵是船舶系统中不可缺少的重要设备，随着航行安全及营运需求业务的增长，人们对自动舵的要求也日益提高。特别是GPS等先进导航设备在船舶上装备，人们开始不局限于设计精确的航向控制自动舵，还要设计出将船舶控制在给定计划航线上的自动舵。国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品，但控制方法大多为比较成熟的自适应控制，近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用处于方案可行性论证阶段。国内的研究成果基本上都处于理论仿真阶段，还没有形成过硬的产品。导致这种现象的出现是由于在船舶航行的恶劣环境下，航迹航向自动舵可靠性上一直存在的问题没有解决。 本课题的提出就是为了解决航海过程中航迹航向自动操舵的问题。为了提高自动舵系统的可靠性，本设计在硬件上采用了三机表决的设计方案。通过硬件的冗余，使其最大限度解决由于环境因素造成的计算机系统不能可靠运行的问题。 本文详细介绍了航迹航向自动舵系统的硬件及驱动程序的设计过程，其中包括主控制模板的设计与实现，根据需求，用单片机89C51完成系统的整体控制；通信模板设计，实现与主控制板和其它航海设备(VDR、GPS、计程仪、气象仪、组合导航、电罗经)之间的通信；开关量输入板设计，完成对外部信号(报警信号、航行条件选择及算法选择)的接收；开关量输出板的设计，通过表决结果实现对舵机的控制以及报警信号的输出；面板控制板的设计，主要完成人际交互界面的设计，其中有航海参数的显示、各设备状态的显示以及航行条件和算法选择的显示。A/D板的设计，实现对舵机信号和磁罗经信号的接收。 本文接下来还简要介绍了各个模板的PCB设计。包括PCB设计的一般原则，一般步骤，注意事项。在PCB设计中主要强调了硬件可靠性的设计。 本文最后介绍了系统驱动程序以及测试程序的设计。系统的各个模板的3D效果图和测试结果在论文最后的附录中有相应介绍。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究目的

1.2船舶操纵控制技术国内外的现状和发展

1.3本课题的意义

1.4技术特点和创新

1.4.1三机系统提高系统的可靠性

1.4.2采用单元模板，功能清晰，组合灵活

1.4.3实现多信息源在同一模板输入

1.5论文的所做的工作

第2章航迹航向自动操舵仪设计需求分析

2.1航向自动舵

2.2航迹自动舵

2.3航迹航向自动操舵仪系统功能需求分析

第3章航迹航向自动操舵仪的整体设计方案

3.1船舶航迹航向自动操舵仪设计方案

3.2航迹航向自动操舵仪工作流程

第4章航迹航向自动操舵仪的硬件设计

4.1系统总线设计

4.2主机板设计

4.2.1主机板功能介绍

4.2.2主机硬件资源分配

4.2.3主机所有地址译码电路的逻辑关系

4.3通信模板设计

4.3.1通信模板功能介绍

4.3.2通信模板内部逻辑关系及通信过程

4.3.3通信模板内部资源分配

4.4表决及开关量输出板设计

4.4.1表决部分

4.4.2选择伺服系统逻辑输入部分

4.5开关量输入(部分)报警输入板设计

4.5.1开关量输入部分

4.5.2报警逻辑输入部分

4.6面板设计

4.6.1面板硬件资源分配

4.6.2航迹航向舵信息显示示意图

4.6.3显示驱动

4.6.4面板内部资源分配

4.7模拟量输入模板设计

4.8电路板的PCB设计

4.8.1 PCB设计一般原则

4.8.2设计印制电路板的一般步骤

4.8.3电路板布局与视图

第5章驱动程序设计及系统测试

5.1主板驱动程序设计及测试

5.1.1主板CPU与板内存储芯片之间的程序设计

5.1.2主板CPU与其它模板之间的程序设计

5.2通信板驱动程序设计及测试

5.3开关量输入板测试程序设计

5.4开关量输出板测试程序

5.5面板控制板驱动程序设计及测试

5.6模板内部GAL的编程设计

结论

参考文献

附录

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历