姜 旭 周愛軍 馬海瑞

（海軍大連艦艇學院航海系 大連 116011）

1 引言

電磁計程儀是艦船主要導航儀器之一，也是各種形式的組合導航系統(tǒng)不可缺少的組成部分［1］。在航海相關課程教學過程中，由于計程儀本身模塊多，操作繁瑣，且在實驗室環(huán)境下缺少水體環(huán)境，整個教學過程存在一定不足，效率不高。針對此問題，設計開發(fā)電磁計程儀模擬器，該模擬器可以全功能模擬實裝電磁計程儀，同時突出教學需求，增加某些教學專用功能模塊，模擬器還可以作為更大型的綜合模擬訓練系統(tǒng)的單元模塊。本文主要對該模擬器系統(tǒng)的硬件部分進行規(guī)劃設計，使整個硬件電路滿足性能要求，從而為整個系統(tǒng)的開發(fā)打下基礎。

2 硬件設計任務和模塊劃分

2.1 硬件設計任務

模擬器系統(tǒng)是以單片機為核心進行設計的，而硬件設計是單片機產(chǎn)品開發(fā)的基礎，如果在這個環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤或缺陷，對整個工作將產(chǎn)生不良影響［2］。從技術角度出發(fā)，硬件設計可分為以下幾個方面：

1）最小應用系統(tǒng)設計：微處理器和存儲器的選擇、總線驅動、復位電路的設計等。在本系統(tǒng)設計中，采用內部含有20KBFlashROM的STC89C55型單片機，存儲器采用AT24C32型號的4KB串行電可擦除的可編程存儲器，用以存儲各類設置參數(shù)和運行數(shù)據(jù)，并對它們進行掉電保護。處理器和存儲器采用串行I2C總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

2）I/O通道設計：接口電路，模擬量I/O通道中A/D轉換芯片的選擇等。為節(jié)省單片機I/O口資源，系統(tǒng)模擬量輸入環(huán)節(jié)采用帶串行I2C總線接口的PCF8591轉換芯片，LED數(shù)碼管顯示驅動采用MAX7219顯示驅動器。

3）人機界面設計：鍵盤、顯示（液晶或數(shù)碼管）及接口設計等。本系統(tǒng)的鍵盤采用4×4矩陣鍵盤和一個獨立鍵盤，滿足實裝按鍵需求。并增設鍵盤編碼器芯片74C922以節(jié)省單片機I/O口資源并提高效率。顯示模塊是由LC1602液晶屏和7SEGMPX6-CC六位七段數(shù)碼管共同組成。

4）資源分配：資源分配是對RAM、定時器/計數(shù)器、中斷源、異步串行口、并行I/O口等內部資源及擴展資源分析其用途、工作方式、起止時間和限定條件，并分配端口地址。合理地進行資源分配，一方面減少資源浪費，另一方面若發(fā)現(xiàn)資源不足，能及時修正原理設計中的潛在問題。

5）可靠性設計：為使系統(tǒng)能夠正?？煽康剡\行，在串口電路設計中加入末端電阻，對于大功率器件要考慮系統(tǒng)的驅動能力，相應增設驅動模塊。

2.2 硬件模塊劃分

整個電磁計程儀模擬器系統(tǒng)的硬件模塊劃分如圖1所示，核心是STC89C55型單片機，擴展了眾多外圍模塊。主要包括存儲器模塊、RS4-22A串口通信模塊、A/D輸入模塊、鍵盤模塊、顯示與模擬量輸出模塊。

單片機選型方面考慮使用STC89C55單片機，相較于其他型號單片機，它的應用廣泛，內部具有20KB的程序存儲器，且具有ISP在線可編程功能，程序可以直接下載到單片機中，維護升級方便，可以很好地滿足使用需要［3］。串行通信模塊采用RS-422A協(xié)議，利用一塊MAX487芯片完成電平轉換。

圖1 模擬器系統(tǒng)硬件框圖

3 系統(tǒng)各模塊硬件設計

3.1 單片機系統(tǒng)模塊

單片機系統(tǒng)模塊主要包括一塊STC89C52型單片機及其最簡系統(tǒng)、AT24C32型號的E2PROM構成［4］。最簡系統(tǒng)包括單片機、復位電路和晶振電路。其中，晶振頻率設置為11.0592MHZ。

存儲模塊由一片AT24C32型號的具有I2C總線接口的E2PROM構成，可編程地址選擇位A0，A1，A2和寫保護輸入端WP接地，串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端SDA及串行時鐘輸入端SCL分別接單片機P2.0及P2.1口，用作控制數(shù)據(jù)讀寫。

圖2 單片機系統(tǒng)模塊

3.2 人機交互設計

人機交互部分主要包括顯示模塊和鍵盤電路模塊。如圖3所示，顯示模塊主要包括兩塊7SEG-MPX6-CC六位七段數(shù)碼管和一塊LC1602液晶屏，兩塊數(shù)碼管進行航速航程顯示以及實裝電磁計程儀各項參數(shù)顯示，液晶面向教學人員，完成對各項教學功能的設置顯示。對數(shù)碼管的驅動選擇上，常規(guī)的74HC573鎖存器進行驅動會占用單片機較多I/O口，且動態(tài)掃描程序占用單片機資源。若用串入并出器件74HC595驅動，只需要三個接口，但動態(tài)掃描的軟件工作量依然很大。為克服這兩個缺陷，不使顯示模塊占用單片機太多資源，考慮使用max7219可編程共陰極LED數(shù)碼管驅動芯片，它集BCD譯碼器、多路掃描器、段驅動和位驅動電路于一體。其外圍接口電路簡單，僅需三根I/O口線便可驅動多塊LED進行動態(tài)顯示，在簡化硬件電路同時大大減少軟件的工作量。本系統(tǒng)內，使用兩片MAX7219進行級聯(lián)，對兩塊六位數(shù)碼管進行驅動。

LC1602液晶屏顯示單元方面，數(shù)據(jù)輸入端接單片機P0口，數(shù)據(jù)/命令選擇端RS、讀寫選擇端R/W、使能信號端E分別接單片機P3.2到P3.4口［5］。

鍵盤輸入模塊主要包括4×4矩陣鍵盤和一個控制模擬電位器輸入的獨立鍵盤，共有17個按鍵，滿足實際計程儀的按鍵需求。為節(jié)省單片機I/O口資源，并降低單片機負擔，提升工作效率，在設計矩陣鍵盤時使用鍵盤編碼器芯片74C922［6］。該芯片能夠獨立地進行鍵盤檢測和消抖，掃描程序也更為簡捷，同時，獨立鍵盤也添加了電容消抖設計［7］。74C922的鍵盤接口X1—X4，Y1—Y4分別與4×4鍵盤的列與行相連，輸出DOUTA—DOUTD與單片機P1.0—P1.3口相連，信號端DA接單片機P3.5口。設計情況如圖4所示。

3.3 接口電路設計

本系統(tǒng)的接口電路主要包括AD輸入，轉角信號輸出和串行口輸出。AD輸入環(huán)節(jié)，為節(jié)省單片機I/O口資源，使用串行口PCF8591轉換芯片，它是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bitCMOS數(shù)據(jù)獲取器件，具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2可用于硬件地址編程，從而和系統(tǒng)內其他I2C器件進行區(qū)分［8～10］。

圖3 數(shù)碼管及液晶顯示模塊

圖4 鍵盤輸入模塊

模擬量輸出環(huán)節(jié)，系統(tǒng)需將航速數(shù)字量通過自整角機轉換成轉角形式的模擬量后對外發(fā)送。自整角機是由步進電機來帶動旋轉的。系統(tǒng)內部進電機工作方式為四相八拍，對其轉值要求為55Kn/r，即步進電機每轉動一圈代表航速為55節(jié)。由于步進電機功率較大，不能直接由單片機進行驅動控制，需由功率驅動電路來擴展輸出電流，以滿足控制需求［11］。本設計是采用ULN2003高壓大電流達林頓晶體管陣列對步進電機進行驅動的，其具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點［12］。使用單片機驅動ULN2003時，需要注意將I/O口利用2K上拉電阻上拉到電源，脈沖輸入由單片機P2.4-P2.7口控制。整個模擬量輸入輸出模塊電路圖如圖5所示。

串口輸出方面，采用RS-422A通訊接口，相較于RS-232C，它的傳送距離更遠，速率更高。系統(tǒng)使用MAX487轉換芯片完成TTL電平到RS-422A電平的轉換，驅動器輸出使能端DE接單片機P1.4口，驅動器輸出端、接收器輸出端分別接單片機串行輸出（TXD）輸入（RXD）口。為增強抗干擾能力，在MAX487信號輸出端增加終端電阻，吸收網(wǎng)絡上的反射波，有效地增強信號強度［13］。電路圖如圖6所示。

圖5 模擬量輸入輸出模塊

圖6 串口通信模塊

4 結語

本文主要對某型電磁計程儀模擬器硬件部分進行設計，設計以單片機為主體，根據(jù)模擬器的各項功能對硬件模塊進行選擇，在充分考慮性能需求和系統(tǒng)適配性、可靠性、經(jīng)濟性的基礎上完成了對單片機系統(tǒng)、接口電路、顯示模塊、鍵盤模塊的硬件設計。為模擬器各項功能的實現(xiàn)和各類信號的輸出提供了硬件支撐。