一種基于ARM的航標(biāo)終端設(shè)計方案

0 引言

航標(biāo)是航行標(biāo)志的簡稱，是指示航道方向、界限與礙航物的標(biāo)志，為船舶的安全航行提供了基本保障。航標(biāo)終端通過測量航標(biāo)燈工作狀態(tài)(電壓、電流、可用燈泡數(shù)、閃光周期、位置信息等參數(shù))，再將這些狀態(tài)信息以數(shù)據(jù)報的形式在CPU的控制下通過公共通訊網(wǎng)發(fā)送回航標(biāo)監(jiān)控中心。同時，監(jiān)控中心也可以對航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。這樣，就能使得當(dāng)代的航道建設(shè)趨于數(shù)字化、信息化。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計

航標(biāo)終端需要測量和控制的對象參數(shù)主要有電壓、電流、燈質(zhì)、日光值等，既有模擬量又有數(shù)字量。終端必須是一個電源適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、集成模數(shù)轉(zhuǎn)換的SOC(System On Chip)系統(tǒng)。本航標(biāo)終端采用主、從雙CPU結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主控制器采用NXP(恩智浦)公司的32位Cortex-M3內(nèi)核嵌入式微處理器LPC1769,負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心的GPRS/GSM通信、GPS信號的讀取與前差分處理、本地數(shù)據(jù)的存儲、RS-232/485擴(kuò)展通信、模擬量檢測、與從CPU通信及系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級等工作，并預(yù)留其他通信接口;從CPU采用NXP公司的32位Cortex-M0內(nèi)核嵌入式微處理器LPC1114,負(fù)責(zé)燈質(zhì)、傾角/撞擊和環(huán)境溫度等參數(shù)的檢測并預(yù)留其他通信接口。基于ARM的航標(biāo)終端系統(tǒng)框架如圖1示。

圖1中，A/D用于檢測電壓和電流;從CPU負(fù)責(zé)燈質(zhì)、傾角/撞擊、溫度的測量及預(yù)留接口;64K E2PROM保存配置數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等;串口0用于在系統(tǒng)升級和調(diào)試，串口2用于GPRS/GSM模塊通訊，串口3用于GPS數(shù)據(jù)的通訊，串口1用于提供一個RS-232/485接口，和其他外設(shè)通訊。

2.主要模塊硬件電路設(shè)計

2.1 A/D測量電路

模擬量測量包括航標(biāo)燈、電池、太陽能板等的電壓、電流。電壓直接通過濾波電路送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。電流的測量則通過電流傳感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓量并濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器。電路如圖2所示。

2.2 電源控制

電源設(shè)計上采用3片高效率、低壓差的線性穩(wěn)壓電源(LDO)分時工作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源的高效管理。其中，監(jiān)控主系統(tǒng)和GPS各采用一片TPS77533供電，把航標(biāo)燈電池上6.4V的電壓降到監(jiān)控系統(tǒng)所需要的3.3V電壓。TPS77533是美國TI公司生產(chǎn)的一款高效率、低壓差線性穩(wěn)壓集成電路，具有外圍電路簡單、電壓轉(zhuǎn)換效率高(最高可達(dá)92%)、輸入電壓范圍寬、使用穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，適用于絕大多數(shù)工作電壓范圍的航標(biāo)燈的使用。由于通信模塊在GPRS發(fā)射時的瞬間電流可高達(dá)2A/3.8V,因此，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止各模塊之間的影響和干擾，本系統(tǒng)采用一片大功率的線性穩(wěn)壓電源NCP630對GPRS模塊單獨(dú)供電，配合大電容蓄能濾波電路(多個電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn))方式，給GPRS提供充足的能量。NCP630是安森美公司的一款大電流、高效率、低壓差線性穩(wěn)壓集成電路，其最大輸出電流可達(dá)3A,最高電壓轉(zhuǎn)換效率90%,配合多個大電容的并聯(lián)，可以給GPRS模塊提供充足的能量，保證在GPRS的發(fā)射瞬間不會因電流過大而拉低模塊電壓，導(dǎo)致GPRS工作不穩(wěn)定。電源控制電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.航標(biāo)遙測

航標(biāo)遙測遙控終端上電后，由終端的數(shù)據(jù)采集電路開始工作，采集航標(biāo)燈的各個工作狀態(tài)，包括電源的動態(tài)電壓、靜態(tài)電壓、充電電壓、動態(tài)電流、充電電流、運(yùn)行燈質(zhì)等等。

為降低RTU系統(tǒng)的功耗，采集電路是以一定的時間間隔進(jìn)行工作(可設(shè)置)，每次每個參數(shù)測量至少10次，然后取平均值作為本時刻的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)和存儲的中心設(shè)置參數(shù)(閥值)進(jìn)行比較，判斷航標(biāo)燈是否出現(xiàn)異常情況，如果異常，則由ARM主系統(tǒng)申請進(jìn)行報警處理。在ARM主系統(tǒng)得到航標(biāo)運(yùn)行參數(shù)和航標(biāo)位置參數(shù)后，按照規(guī)定的數(shù)據(jù)協(xié)議和GSM協(xié)議、GPRS協(xié)議，進(jìn)行消息編碼，由GSM/GPRS模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。系統(tǒng)采用GPRS實(shí)時傳輸(主)和SMS短消息(輔)兩種通信方式，主輔通信方式通過科學(xué)組合、自動適應(yīng)、自動切換，采用抗干擾和過濾設(shè)計。傳送數(shù)據(jù)時采用無應(yīng)答時重發(fā)，GPRS不成功轉(zhuǎn)為短消息傳送，短消息不成功重啟通信模塊重新發(fā)送，在限時內(nèi)不成功自動保存，等待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時補(bǔ)發(fā)。

對于處理較為復(fù)雜和實(shí)時性要求高的閃光燈燈質(zhì)測量、加速度撞擊測量時，先由從CPU(LPC1114)先進(jìn)行預(yù)處理后再交由主CPU(LPC1769)，這樣可以保證當(dāng)高性能的主CPU處于低頻省電休眠時也不會降低航標(biāo)終端監(jiān)測的實(shí)時性和報警的及時性，保證在終端處于休眠時也能在線監(jiān)測航標(biāo)燈的狀態(tài)、工作參數(shù)、撞擊情況、充電和電池情況，出現(xiàn)異常和超限時馬上觸發(fā)報警處理。當(dāng)GPS模塊沒有關(guān)機(jī)時可對浮標(biāo)的位置持續(xù)測量及報警判斷;當(dāng)GSM模塊沒有關(guān)機(jī)時，監(jiān)控中心可以隨時查詢其實(shí)時狀態(tài)。

4.嵌入式軟件設(shè)計

終端嵌入式軟件分為核心總控模塊、通信模塊、定位模塊、A/D檢測模塊、燈質(zhì)和姿態(tài)撞擊測量等獨(dú)立模塊以及電源管理模塊。總控模塊與電源模塊協(xié)同工作，自帶看門狗，能自動檢測、自動重啟，其它模塊出現(xiàn)異常時會自動報警，并且可獨(dú)立工作，出現(xiàn)故障時不影響別的模塊工作。主程序流程如圖4所示。

5.結(jié)束語

本文提出了一種基于ARM的航標(biāo)終端設(shè)計方案，為了使終端更加靈活高效的工作，本方案采用了雙CPU架構(gòu)設(shè)計。在航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)的控制下，以低功耗的條件實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)燈燈質(zhì)的檢測、碰撞檢測、差分定位、遠(yuǎn)程控制等功能，對于建設(shè)現(xiàn)代數(shù)字航道系統(tǒng)具有重要的作用。