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船用数字磁航向系统的设计与实现

陈学力  
【摘要】: 航向角是载体运行中一个非常重要的参数,尤其是船舶航行时,能否实时、准确地获得航向信息是实现安全航行的关键。鉴于航向系统在航海领域地广泛应用,本文设计了一种基于磁阻传感器的船用数字磁航向系统,实现了载体航向角的测量和显示等功能。该系统由磁罗经感应模块和罗经显示模块构成,其中磁罗经感应模块主要采用ATMEL公司的AVR系列单片机作为控制器,Honeywell公司的HMC1022作为磁性传感器;罗经显示模块采用ATMEL公司的AVR系列单片机作为控制器,LED点阵块作为显示元件。系统工作时,由安装在磁罗经表面的磁罗经感应模块直接感应磁罗经的磁场,并将感应到的磁信号进行放大、A/D转换、滤波处理等操作。同时,为了使数学运算便于在硬件电路上实现,系统采用了CORDIC循环迭代算法对航向角进行解算,并将此航向信息通过串行通信接口以NMEA 0183标准航海数据格式输出。最后由罗经显示模块将载体的航向角信息显示在LED点阵显示屏上。整个系统不仅实现了载体航向角的测量(二维空间0°~360°范围内测量出的航向角误差均能控制在1°以下)和显示功能,还实现了人机交互功能,通过按键可以手动调节显示屏的亮度和设置航向偏差值,同时系统预留的串行通信接口还可以为AIS、自动舵、船用雷达等需要船首信息的船用设备提供基本的航向信息,实现船舶自动导航。 本系统经历了一个从算法研究、系统设计、硬件配置、软件编程到系统调试的完整过程,主要应用了微电子技术、微传感器技术、显示技术和数据通信技术等多方面的专业知识。通过对系统的测试,样机达到了体积小、成本低、性能可靠稳定的设计要求。 本论文主要介绍了磁航向系统的发展背景、磁阻传感器的原理、CORDIC算法的基本原理、系统硬件电路的设计、系统软件程序的设计和系统整体调试等内容。


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