航跡儀是艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中的主要配套設(shè)備之一，它能根據(jù)陀螺羅經(jīng)、計程儀提供的航向航程信息或其他導(dǎo)航設(shè)備提供的定位信息，在海圖上自動連續(xù)地繪制出船舶航行的航跡與標記。航跡儀具備的繪制航線導(dǎo)航功能，可使航海人員非常直觀的了解到己船位置、偏航程度及未來海域的安全程度。
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，智能化航跡儀的發(fā)展趨勢是進一步拓寬功能、縮小體積、降低功耗、減少成本、提高可靠性，而傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)不完全具備上述功能，存在局限性。
1 航跡儀工作原理
航跡儀的工作過程是在計算機控制下進行的。首先，使鍵盤處于開放狀態(tài)，通過移筆鍵和自檢鍵簡單檢查繪圖功能；然后，由綜導(dǎo)顯控臺裝海圖并向航跡儀發(fā)出裝海圖命令，由此航跡儀自動進入跟蹤狀態(tài)。船舶航跡的實時標繪是通過實時接收由綜導(dǎo)顯控臺發(fā)送的緯度、經(jīng)度值及各種繪圖命令，通過數(shù)學模型的解算及直線插補運算后，產(chǎn)生步進電機的控制脈沖序列，經(jīng)功放電路驅(qū)動電動機執(zhí)行，再經(jīng)機械轉(zhuǎn)換變成繪筆在圖面上運動。
傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)有一定的局限性，存在有待改進之處：(1)傳統(tǒng)的航跡儀系統(tǒng)的接口、控制、傳動等部分采用分立式設(shè)計，占用了大量的空間，且價格較貴。(2)隨著導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息化程度的提高，設(shè)備間的通訊越發(fā)頻繁，信息量亦隨之增大，使用單一的串行口通訊已不能滿足系統(tǒng)要求。(3)航跡儀與綜導(dǎo)臺使用同一操作界面，缺少獨立的人機交互系統(tǒng)。(4)傳統(tǒng)的航跡儀為開環(huán)系統(tǒng)，無檢測反饋裝置，影響了走筆的精度。(5)接口板的設(shè)計動態(tài)初始化要求嚴格，不能完全滿足實時性要求。另外，傳統(tǒng)航跡儀傳動部分的振動及噪音較大，從另一方面影響了繪筆的精度。新型智能化航跡儀的設(shè)計對以上問題給出了解決方案。
2 航跡儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 硬件系統(tǒng)的總體構(gòu)成
航跡儀微機控制系統(tǒng)是以ARM處理器S3C44B0X模塊為中心的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由以下幾部分組成：基于ARM處理器S3C44B0X的開發(fā)板， STN 型320像素X240行LCD彩色液晶觸摸屏，基于FPGA元件XC2S50的接口板，步進電機驅(qū)動及控制電路，步進電動機，數(shù)字化板。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2 S3C44B0X主板
傳統(tǒng)的航跡儀采用嵌入式PC/104模塊為核心控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的接口、控制、傳動等部分采用分立式設(shè)計，占用的空間較大，且價格昂貴。因此在改進設(shè)計中使用基于Samsung公司生產(chǎn)的ARM處理器S3C44B0X芯片。由于使用基于芯片開發(fā)的主板提高設(shè)計開發(fā)的靈活性，為本系統(tǒng)所專用，因此所用接口、外設(shè)均為自主設(shè)計的電路，節(jié)省了不必要的開銷。這種設(shè)計提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了成本。另外，S3C44B0X自帶LCD控制器，能夠保證改進設(shè)計中觸摸屏顯示部分的順利實現(xiàn)。
S3C44B0X主板主要包括CPU模塊及其輔助電路、存儲器系統(tǒng)模塊、通信模塊、系統(tǒng)調(diào)試模塊、人機接口模塊及擴展總線部分。
主板外接CAN總線控制器及總線驅(qū)動器等設(shè)備，接收CAN總線上由綜合導(dǎo)航顯控臺發(fā)送的實時位置、航向信息；通過人機接口接收到的觸摸屏發(fā)送的控制信息，經(jīng)處理后將控制命令（主要是控制脈沖頻率、脈沖個數(shù)、開始停止等命令）通過擴展I/O口發(fā)送給接口板，另外，將顯示信息發(fā)送給LCD觸摸顯示屏。
2.3 XC2S50接口板
傳統(tǒng)航跡儀使用接口板CDT800，其中包括 Am9513計數(shù)器與μPD71055I/O接口。CDT800為成品接口板，其計數(shù)器Am9513相關(guān)資料相對有限，且動態(tài)初始化要求嚴格，在實際應(yīng)用過程中，對系統(tǒng)資源的占用過大，嚴重影響系統(tǒng)的實時性。在改進設(shè)計中，采用基于Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA元件XC2S50的接口板。這種設(shè)計提高了系統(tǒng)的集成化，保證了實時性，使得硬件的設(shè)計開發(fā)更加簡便。
XC2S50接口板包括FPGA芯片XC2S50、配置芯片18V01、輸出驅(qū)動芯片SN74LS244及外部接口電路。其原理圖見圖2。
接口板的主要功能是：接收S3C44B0X主板通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送的數(shù)據(jù)命令信息(包括：X、Y方向的分頻值、脈沖個數(shù)、運行方向，以及開始/終止運行、抬落筆、報警等），經(jīng)FPGA芯片XC2S50處理后，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率的脈沖信號；再經(jīng)輸出驅(qū)動芯片SN74LS244，通過接口HJY傳遞給X、Y向的步進電機驅(qū)動器。運行程序通過JTAG口或DOWNLOAD口燒寫入配置芯片18V01中。
2.4 步進電機及其驅(qū)動器
對于航跡儀系統(tǒng)，標繪精度是極其重要的一項技術(shù)指標，而電機及傳動機構(gòu)的精度則對其產(chǎn)生直接影響。
航跡儀控制系統(tǒng)對快速性及定位精度均有很高的要求�？紤]到系統(tǒng)是針對數(shù)字量及位移的控制系統(tǒng)，因此選用步進電機作為其執(zhí)行元件。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電機元件，當外加一個脈沖信號于電機的控制裝置時，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個固定的角度（步距角），即前進了一步。
系統(tǒng)要求繪筆繪制大量細小折線，這就要求電機工作在低頻區(qū)且需要頻繁地執(zhí)行起動、停止、調(diào)速等操作。因此步進電機極易出現(xiàn)低頻振蕩，產(chǎn)生工作噪音，影響繪筆的穩(wěn)定性及標繪精度。因此，改進方案采用了先進的細分驅(qū)動器，大大降低了低頻振蕩。
本設(shè)計選用RORZE公司生產(chǎn)的5相混合式步進電機M56853D及相應(yīng)的5相細分步步進電機驅(qū)動器RD－0534M。
步進電機M56853D各技術(shù)參數(shù)：
最大靜轉(zhuǎn)矩Mk=8.0kg·cm；電流I=3.5A/相；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jr=0.240g·cm·S2；步距角（整步時）θb= = 0.72°；容許徑向負載10.5kg；容許軸向負載1.5kg；轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr=100。
細分驅(qū)動器RD－0534M各技術(shù)參數(shù)：
供電電壓 DC18V～40V；細分數(shù)選用m＝80；最大響應(yīng)頻率fMAX=500kpps，則可獲得最大轉(zhuǎn)速nMAX=60000/m=750r/min
改進后航跡儀系統(tǒng)電機步距角變?yōu)樵到y(tǒng)的1/80，步距分辨率及控制脈沖頻率均得到提高。提高后的控制脈沖頻率大大超過了自由振動頻率f0，從而避免了系統(tǒng)的低頻振蕩。
2.5 電磁感應(yīng)式數(shù)字化板
傳統(tǒng)的航跡儀為開環(huán)系統(tǒng)，無檢測反饋裝置。改進設(shè)計中增添了數(shù)字化板。這一反饋模塊，構(gòu)成了一套完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，增強了穩(wěn)定性，降低了誤差。
數(shù)字化板的工作原理：在標繪儀的繪圖平板上布上導(dǎo)線形成格柵，把電磁發(fā)射線圈安裝到繪筆上，此時把線圈圓心和繪筆圓心標定在同一直線上；繪筆在平板上繪圖，而線圈不斷發(fā)射磁場脈沖，導(dǎo)線切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過接收電路和信號處理電路得到繪筆在繪圖平臺上的相對位置（繪筆位置）。把電磁感應(yīng)定位得到的位置作為繪筆當前真實位置，此位置通過UART口反饋給S3C44B0X控制器。目標位置與該位置進行比較，得到需要的位置差量，計算后作出響應(yīng)的位置補償調(diào)整。數(shù)字化板工作原理如圖3所示。
