本發(fā)明屬于航向自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的帆船航向控制器。

背景技術(shù)：

帆船航向控制系統(tǒng)作為帆船自動(dòng)化的重要組成部分，其研究與應(yīng)用在近幾十年來(lái)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。由于帆船航向控制方式方法與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)船不同，使得其在舵角設(shè)定過(guò)程中不僅需要考慮航向偏差，還需要對(duì)當(dāng)前風(fēng)速、風(fēng)向等信息進(jìn)行采集，這也增加了帆船航向控制的難度。目前比較常見(jiàn)的航向控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、航向控制器、舵伺服系統(tǒng)等部分組成。其中上位機(jī)作為數(shù)據(jù)參數(shù)的發(fā)送端，主要實(shí)現(xiàn)帆船航向的設(shè)定，并依據(jù)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能控制算法運(yùn)算并最終輸出控制舵角；航向控制器則需要采集當(dāng)前帆船所處環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)向、GPS定位信息等數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)依據(jù)上位機(jī)的輸出舵角信息對(duì)舵伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制；最后由舵伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制及當(dāng)前舵角反饋，以此實(shí)現(xiàn)帆船航向智能控制。故可知帆船航向控制器的硬件核心為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。由于航行帆船受到風(fēng)、浪、流干擾而時(shí)刻處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故須在航行過(guò)程中進(jìn)行航向適當(dāng)?shù)男Ｕc調(diào)節(jié)。如何對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及快速運(yùn)算成為設(shè)計(jì)帆船航向控制器所應(yīng)著重考慮的問(wèn)題。

目前在核心期刊與專利查詢中均未發(fā)現(xiàn)與此發(fā)明類似的設(shè)備介紹。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)傳統(tǒng)航向控制器很難實(shí)現(xiàn)帆船航向精確采集及數(shù)據(jù)處理等難題，提供一種基于FPGA的帆船航向控制器。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于FPGA的帆船航向控制器，包括：

(1)由TLC2552 12位雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的采集、采用GPS-OEM實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的采集并由舵伺服系統(tǒng)回饋舵角信息；

(2)通過(guò)FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理；

(3)通過(guò)TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和MAX3160多協(xié)議收發(fā)器來(lái)完成與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)航向的智能控制。

由所述的TLC2552 12位雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向的采集、采用GPS-OEM進(jìn)行GPS信號(hào)的采集并由舵伺服系統(tǒng)回饋舵角信息。

通過(guò)FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速處理。

通過(guò)TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和MAX3160多協(xié)議收發(fā)器來(lái)完成與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行航向的智能控制；TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和MAX3160多協(xié)議收發(fā)器使得航向控制器滿足雙通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明的有益效果在于：

將FPGA和由TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和MAX3160多協(xié)議收發(fā)器組成的數(shù)據(jù)傳輸模塊引入帆船航向控制之中。將GPS-OEM板作為GPS數(shù)據(jù)的采集模塊引入帆船航向控制之中。本系統(tǒng)硬件選用TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和MAX3160多協(xié)議收發(fā)器使得航向控制器滿足雙通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸，也因此具有更強(qiáng)的適用性，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低廉。

附圖說(shuō)明

圖1為帆船航向控制器結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為帆船航向控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為帆船航向控制器系統(tǒng)硬件原理圖；

圖4為帆船航向控制器控程序流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明專利做更詳細(xì)地描述：

本發(fā)明的提供的是一種FPGA的帆船航向控制裝置。帆船控制裝置是由FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和MAX3160多協(xié)議收發(fā)器等組成。并采用RS232或RS485傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)處理器與上位機(jī)及GPS-OEM板之間的數(shù)據(jù)通信，旨在解決帆船航行過(guò)程中由于各種干擾處于不穩(wěn)定的狀態(tài)而導(dǎo)致帆船實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精確采集困難的問(wèn)題，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理，以實(shí)現(xiàn)帆船航向的智能控制。

結(jié)合圖1，圖1所體現(xiàn)的是本發(fā)明方法中帆船航向控制器結(jié)構(gòu)示意圖，其中航向控制器作為帆船航向控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送核心，通過(guò)實(shí)時(shí)采集當(dāng)前風(fēng)速、風(fēng)向與帆船航速航向等信息，并將其發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行算法運(yùn)算，并將上位機(jī)的舵角控制指進(jìn)行處理并將帆船舵控制指令傳遞至舵伺服系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)采集當(dāng)前舵角值實(shí)現(xiàn)舵伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤控制。

結(jié)合圖2，圖2所體現(xiàn)的是該帆船航向控制器的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)采用雙串口通信以實(shí)現(xiàn)航向控制器對(duì)GPS信號(hào)的采集和與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。采用以FPGA為核心的處理芯片實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。其中，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的采集、采用GPS-OEM實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的采集。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)航向控制器的正常數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算，該系統(tǒng)還應(yīng)包括可提供3.3V、1.5V直流電壓的電源模塊及能實(shí)現(xiàn)Watch Dog功能的復(fù)位電路以及能產(chǎn)生較高工頻的時(shí)鐘模塊。

結(jié)合圖3，如圖3所示為該帆船航向控制器系統(tǒng)硬件原理圖。帆船航向控制器采用以FPGA作為核心處理器，由于其內(nèi)部集成化較高，在電路設(shè)計(jì)上可進(jìn)行很大程度的簡(jiǎn)化。為實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，系統(tǒng)采用SST39VF1601FLASH芯片作為外存儲(chǔ)芯片，以實(shí)現(xiàn)該存儲(chǔ)器的引導(dǎo)與裝載。在復(fù)位芯片的選擇上系統(tǒng)采用MAX706實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位功能。在電源模塊的設(shè)計(jì)上由于FPGA處理器的特殊構(gòu)造，故在電源設(shè)計(jì)上應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙電源供電及合理的上電順序配置。即滿足3.3VI/O口供電及1.5V內(nèi)核供電，同時(shí)應(yīng)保證內(nèi)核電源率先供電。為此電源模塊采用TPS75733電源轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生3.3V電壓、采用TPS54310穩(wěn)壓降壓器芯片實(shí)現(xiàn)1.5V內(nèi)核電壓供給。當(dāng)TPS54310產(chǎn)生1.5V電壓時(shí)，三極管T1B集產(chǎn)生導(dǎo)通電流致使三極管導(dǎo)通。為此與三極管E集相連的TPS75733使能端電位降低，產(chǎn)生3.3V電壓以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的電源電壓級(jí)其合理的上電順序

由于常見(jiàn)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器的輸出量為0-2V的模擬量，故系統(tǒng)采用TLC2552 12位雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)采用MAX6325 2.5V基準(zhǔn)電壓源作為參考電壓。

由于帆船航向控制器在工作過(guò)程中須與上位機(jī)及GPS-OEM板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，故在數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)上須設(shè)置兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道。同時(shí)為了增強(qiáng)航向控制器的適用性，其通信協(xié)議需滿足當(dāng)前常見(jiàn)GPS-OEM系統(tǒng)板的配置?；谏鲜鲈蛟摂?shù)據(jù)通信模塊采用支持雙串口通信的TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和能滿足RS232/RS485雙串口通信的MAX3160多協(xié)議收發(fā)器相配合設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

目前常見(jiàn)的舵伺服系統(tǒng)一般采用PWM信號(hào)的改變實(shí)現(xiàn)控制舵角的轉(zhuǎn)變，故可通過(guò)改變FPGA相關(guān)連接引腳的電位變化實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合圖4，本發(fā)明程序流程包括以下步驟：

1、初始化及接收設(shè)定航行位置信息階段：采集上位機(jī)所設(shè)定的經(jīng)度、緯度及地面航向等信息；

2、當(dāng)前帆船環(huán)境信息采集及發(fā)送階段：首先通過(guò)設(shè)定及采集GPS-OEM板的數(shù)據(jù)信息確定當(dāng)前帆船所處的經(jīng)度、緯度及地面航向等信息，然后采集當(dāng)前風(fēng)速風(fēng)向信息，并將上述信息發(fā)送至上位機(jī)以供其進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。

3、舵角控制信息采集及舵伺服系統(tǒng)控制階段：通過(guò)對(duì)上位機(jī)傳輸?shù)目刂贫娼沁M(jìn)行采集并依此控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆的轉(zhuǎn)向并最終實(shí)現(xiàn)帆船航向的控制。