栾厚斌， 王 平

（1.海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室， 辽宁 大连 116005；2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所， 山东 青岛 216600）

引言

计程仪为航海行程中对船舶运行速度和航程统计的主要仪器，该仪器的精度和品质对于保证船舶的安全运行具有重要意义。从某种程度上说，计程仪所提供的精准速度和航程信息对于其位置的准确定位具有重要意义，可从根本上提升船舶惯性导航系统的定位精度和航向精度[1]。本文重点对计程仪进行设计，并对其导航定位系统的功能进行验证。

1 计程仪概述

根据计程仪测量时所参考坐标系的不同，可将其分为相对计程仪和绝对计程仪。其中，相对计程仪只能够获取船舶相对于水流的速度并在此基础上完成航程的换算，具有代表性的相对计程仪包括水压式计程仪、电磁式计程仪，其中以电磁式计程仪的应用较为广泛。电磁式计程仪具有线性速度测量好、测量范围广等优势，其测量精度较高[2]。我国以往所装配的电磁式计程仪比例高达80%。但是，在实际应用中发现，电磁式计程仪所测量的数据容易受到水流和水压的干扰。电磁式计程仪的结构如图1 所示。

图1 电磁式计程仪结构

绝对式计程仪测量时的参考坐标系为地，其根本原理为多普勒效应。该类计程仪的测量精度较相对计程仪高，且其速度的测量门限值较低。鉴于此，目前我国船舶上装备的计程仪已经由传统的电磁式计程仪替代为绝对式计程仪。

本文以超声多普勒计程仪为例开展研究，基于多普勒效应的原理，该计程仪在实际应用中测量精度容易受到周围环境、发射倾角、波速宽度、测频算法的影响。因此，在对计程仪设计时需重点考虑上述影响因素的问题。

2 计程仪的设计

本小节将完成多普勒超声计程仪的硬件设计和软件设计内容。

2.1 多普勒超声计程仪的硬件设计

对船舶运行速度测量的依据为超声波回波信号的变化频率。结合影响多普勒超声计程仪精度的因素，多普勒超声计程仪需具备超声波的发射与接收、环境温度的测量、回波信号频率测量及计算及其结构显示等功能。基于此，所设计的多普勒超声计程仪的总体结构如图2 所示。

图2 多普勒超声计程仪结构

超声波发射模块由微控制器发出PWM 的脉冲信号，在功率放大电路和阻抗匹配网络的基础上转换为超声波。本方案所设计超声波的频率为40 Hz。本方案中超声波信号发生模块中包含了发射换能器和接收换能器。一般情况下，系统所接受的回波信号为窄带信号，其中含有大量的噪声。为保证所采集回波信号的质量，应在接收回路中增加带通滤波器。

微控制器为多普勒超声计程仪的核心，为解决传统微型控制器功能局限及数字信号处理能力差的问题，本系统采用Kinetis ARM Cortex 微型控制，具体系列为K60 微型控制器。

2.1.1 发射电路的设计

多普勒超声计程仪发射电路包括光电耦合器件、功率放大电路及阻抗匹配网络。

光电耦合器件的主要功能是提升发射电路的安全性，减少接收电路对发射电路的干扰。光电耦合器件能够将前端与负载隔离开，本方案所选用光电耦合器件为TLP521-2，其连接位置位于微型控制器与功率放大电路中间[3]。

功率放大电路可分为A、B、C、D 四类。对于四种功率放大电路，其中以D 类功率放大电路的效率最高，最大效率可达90%。因此，本方案选用D 类推挽放大电路为功率放大电路，对应的电路如图3 所示。

图3 D 类功率放大电路

D 类功率放大电路选用BUZ10 型NMOS 管，对应的最大电压值为50 V，最大电流值为23 A；对应的NMOS 管驱动电路采用延时启动方式，其中开通的延迟启动时间为50 ns，关闭的延迟启动时间为150 ns；所匹配变压器的功率频率与超声波的频率一致，均为40 kHz，最大输出功率为2 W，对应的磁芯材料为EE 性铁氧体磁芯。

发射电路阻抗匹配的任务是调谐和变阻。其中，调谐的主要目的是将回路中的阻抗变为0；变阻的主要目的是实现内阻与负载的平衡，保证负载的功率达到最大值。本方案采用互感耦合谐振电路，该电路的失真较小[4]。

2.1.2 接收电路的设计

接收电路包括保护电路、放大电路和带通滤波器。

保护电路是避免发射电路的输出高压对接收电路造成干扰，为此设计保护电路实现收发电路的隔离。本方案以二极管为基础设计钳位保护电路，对应的电路如图4 所示。

图4 基于二极管的钳位保护电路

一般情况下，系统所接收到的回波信号量值减小仅为3 mV。为保证对回波信号的准确处理，采用PGA202 放大器对回波信号进行放大，可供选择的增益有1、10、100、1 000 四种。本方案所选择的增益为1 000。

带通滤波器的主要作用是将窄带回波信号中的噪声进行去除处理。本方案选用基于MFBP 电路的带通滤波器。

2.2 计程仪的软件设计

从理论上将，计程仪为嵌入式系统，该系统为在硬件的基础上设计合理的软件，从而保证其功能的实现。本系统选用C 语言进行编译。系统中对应的内核时钟频率为100 MHz，总线的时钟频率为50 MHz，FlexBus 对应的时钟频率为25 MHz，Flash 对应的时钟频率也为25 MHz。

本小节根据计程仪硬件的功能及其应用需求，设计如图5 所示的主程序流程图。

图5 计程仪主程序流程

3 计程仪的系统验证

为保证所设计的计程仪实装至船体的性能，将其在实验室进行试验对其性能进行验证。系统验证前需对计程仪的最小系统、超声波发射与接收系统及回波信号的ADC 进行调试。

针对最小系统，主要对其中的电源模块、CPU 及GPIO 模块进行分别调试。

针对超声波发射系统，对其发射频率和幅值进行调试，经调试后超声波发射系统输出超声波的频率为40 kHz，幅值为12 V。

针对超声波接收系统和回波信号，对其经过功率放大电路后的幅值进行调试，保证其幅值浮动在-300～300 mV[5]。

系统调试结束后对其不同信噪比下的测频误差进行仿真分析，仿真结果如下页图6 所示。

由下页图6 可知，当系统信噪比控制在16 dB以上时，对应系统的频率误差小于5 Hz，对应所测量船舶的速度效率为0.041 m/s。上述测频误差满足船舶的测速精度要求。

图6 不同信噪比下系统的测频误差仿真分析

4 结语

多普勒超声波计程仪为船舶航行中必不可少的仪器，其主要功能是对船舶运行速度和实时位置进行确定。为了保证船舶运行的安全性，需保证多普勒超声波计程仪的测速及定位精度满足要求，本文重点对计程仪进行设计，并对该系统的性能进行验证，具体总结如下：

1）本系统以K60 微型控制器为核心，重点完成了发射电路、接收电路的设计，并重点对其中的带通滤波器和光电耦合器件进行选型。

2）结合计程仪的实际工作需求，完成了系统的主程序控制流程的设计。

3）对系统完成调试后，所设计计程仪的测量精度满足要求。