PCI - 6221 型采集卡在船舶操纵模拟器中的应用

张芊，赵柯



PCI - 6221 型采集卡在船舶操纵模拟器中的应用

张芊，赵柯

（镇江船艇学院，江苏镇江 212003）

介绍AMPCI-9110型数据采集卡在船舶操纵模拟器中的应用，重点是对模拟随动舵和模拟罗经的控制和数据采集，该方案对船艇操纵模拟器的研究具有一定的指导意义。

数据采集卡 模拟随动舵 模拟罗经

0 引言

船舶操纵模拟器是为了适应现代航海教育的需求，在充分考虑了船舶模拟训练功能的完善与实用的基础上，开发出的多单元仿真训练系统。一台船舶操纵模拟器模拟一条船，前面板上用一台液晶显示器模拟视景，操作台上则分布着操纵设备。模拟器内置一台计算机，实时采集左、右车的行车状态和舵轮的舵角等各种数据来操纵船舶航行，采集的数据经过处理、分析后，软件自动将船舶的运行参数和航向数据等如实传送到显示器上。操作台上的操纵设备，包括操舵装置（随动舵、应急舵）、罗经、车钟、声号控制、视景切换等均采用半实物仿真，利用安装在计算机内部的数据采集卡来完成对这些操纵设备状态的采集，如图1所示。

1 数据采集卡简介

数据采集卡是硬件信号采集与计算机软件处理的纽带桥梁。NI公司的PCI-6221数据采集卡是一款PCI总线通用采集控制板，可直接插入具备PCI插槽的计算机，构成模拟量电压信号、数字量电压信号采集、监视输入和模拟量电压信号输出、数字量电压信号输出及计数定时系统。PCI-6221型数据采集卡为用户提供了16个模拟输入通道；2个分辨率为16位的模拟输出通道；双向24位数字I/O通道；2个24位的计数器。它功能强大，能满足本系统工作的需求，且价格相对较低，具有很高的性价比。

2 模拟随动舵的数据采集

船舶模拟随动舵的设计目的就是仿真实际航海舵，自动、连续、精确地反映船舶航向的方向信号。在操纵驾驶的过程中，由于随动舵在不停转动，这就要求模拟训练系统能够实时地检测出舵轮的转动方向和角度，从而做出正确的操纵响应。模拟随动舵由舵轮和舵角指示器两部分构成。舵轮是一个可以左右无限旋转的圆形轮盘，将一个旋转编码器用连轴器与舵轮同轴连接，舵轮往复旋转时带动编码器同步旋转，其旋转时将产生一组正交脉冲输出，利用数据采集卡的计数器对编码器提供的脉冲进行采集并计算，即可得到舵轮的转向和转动角度。舵角指示器由一块电压表构成，利用数据采集卡的模拟量输出功能可驱动舵角指示器相应的转动。其工作原理如图2所示。

当舵轮转动时，旋转编码器随之同步转动。此处采用增量式旋转编码器，增量式编码器是在每次位置变动之后生成两组脉冲信号分别输出，这两通道的波形除了相位相差90°外，其他完全相同。例如，当码盘顺时针旋转时，通道A超前通道B 90°；反之，码盘以逆时针旋转时，通道B超前通道A 90°。其输出波形如图3所示。另外，这两通道的脉冲数和编码器转过的角度成正比。因此，通过监控通道A、B信号之间的相对相位信息和任一通道脉冲的数目，就可以同时获得随动舵旋转的方向和位置信息。增量编码器每转通常分为100到6000个扇区。这就表明，100个扇区的编码器可以提供3.6°的精度，而6000个扇区的编码器则可以提供0.06度的精度。考虑到真实的船舶模型中，大概是随动舵旋转一周，舵角指示器转动10°左右。故采用每圈输出1024个脉冲的编码器，其输出舵角的精度大概是10°/1024≈0.01°。能够满足航海模拟训练系统中对模拟随动舵的精度要求。

利用PCI-6221数据采集卡中的计数器来对旋转编码器转动中产生的脉冲进行测量计数，该计数器有三个相互关联的输入——门限（GATE）、触发源（SOURCE）和升/降选择（UP-DOWN），当门限为高电平时，计数器开始工作，记录触发源输入的脉冲数目，并且根据升/降选择的状态判断是进行加计数还是减计数。如果升/降状态位为高电平，计数器就进行加计数；反之，如果升/降状态位为低电平，计数器就进行减计数。图4显示的是一个简化的计数器框图。

为了能够准确判断出船舶模拟随动舵的转动方向以及转动角度，将旋转编码器的通道A接到上述采集卡中计数器的触发源接线端，对其信号中的脉冲进行计数，将通道B连接到升/降选择端口上。这样，当舵轮顺时针转动时，由于通道A的输出脉冲超前通道B的输出脉冲90°，在计数器对通道A的每个下降沿计数时，通道B都为高电平，所以计数器是进行累加计数。当舵轮逆时针转动时，通道A的输出脉冲滞后通道B的输出脉冲90°，故计数器对通道A的每个下降沿计数时，通道B已为低电平，所以计数器是进行递减计数。这样计数器中的数值大小就反映了舵的转动角度，而该数值的正负就体现了舵的转动方向，如为正数，表示右舵，为负数，则表示左舵。

舵角指示器由一块电压表构成，其输入范围为-5 ～+5 V，即根据在舵角指示器两引脚之间输入的-5 ～+5 V的任意电压指针指向不同的位置。利用PCI-6221型数据采集卡的模拟量输出功能来驱动舵角指示器的转动。PCI-6221型数据采集卡有2个分辨率为16位的模拟输出通道，任意选择一路与舵角指示器的一个引脚“+”相连，而舵角指示器的另一个引脚“-”接GND。这样，当数据采集卡输出在0 ～-5 V之间时舵角指示器左偏，输出在0 ～+5 V之间时舵角指示器右偏，输出为0 V时舵角指示器不偏转。舵角指示器的刻度为-40°～+40°，如果要求舵角指示器转动角度N，只要使数据采集卡的输出模拟电压值为216×（N+40）/80即可。利用数据采集卡的模拟

量输出功能驱动舵角指示器的精度约为（+40°-（-40°））/216≈0.001°，远远超过航海模拟训练系统中对舵角指示器的精度要求。

3 模拟罗经的数据采集

模拟罗经由仪表盘、步进电机和绝对式旋转编码器构成。其中，步进电机作为执行元件，用来驱动仪表盘的转动。由于模拟罗经用来显示船舶的实际方向，在操舵过程中其转动的方向和快慢取决于由当前舵角的大小、船型装载大小、水深以及海况等综合判断后船舶的实际转向速度，因此驱动模拟罗经的步进电机转向和转速都不是固定值，而是变化的。绝对式旋转编码器则和仪表盘同轴固定，当仪表盘转动时，旋转编码器将同步转动，这样仪表盘的转动角度可通过绝对式旋转编码器传出。航海模拟罗经的控制其实就是对步进电机的转向、转速控制以及对绝对值旋转编码器的数据采集。

模拟罗经中步进电机的控制可由PCI-6221型数据采集卡为核心外加少量外围电路构成，外围电路由移位寄存器CD4015等元器件搭建而成，由数据采集卡的数字量输出通道产生方波信号作为移位寄存器CD4015的时钟信号，而CD4015所产生的环形脉冲即可作为驱动步进电机的信号源，从而使模拟罗经转动。最后，利用数据采集卡的数字量输入功能对绝对式旋转编码器的输出信号采集并转码，可得到模拟罗经的实际转动角度，如果实际转动角度和要求转动的角度不一致，可再次驱动模拟罗经转动，直至实际转动角度和要求的转动角度吻合。整个模拟罗经的控制仅仅使用一块数据采集卡加少量外围电路就能完成，并且是一个闭环控制系统，可靠性很高。

绝对式旋转编码器因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。绝对式旋转编码器内部是一个圆形码盘，码盘上沿径向有若干同心码道，每一条码道代表二进制数码的一位，码道由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系。这种编码器的特点是不要累积计数器，在转轴的任意位置都可以读出一个固定的与位置相对应的编码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有n位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n条码道。

模拟罗经中所安装的绝对式旋转编码器分辨率为12位（4096）；精度为±5％；输出信号方式为并行输出；TTL电平。将AMPCI-9110型数据采集卡的数字量通道DI0～DI11与绝对式旋转编码器的12位输出一一对应后相连，这样当模拟罗经转动时，与其同轴联结的旋转编码器也随之转动，并且和模拟罗经的转动角度一致，而这个角度就通过旋转编码器输出给数据采集卡，利用软件对采集得到二进制码进行解码，就可以得到模拟罗经的实际转动角度。如果模拟罗经实际转动的角度和计算机视景中所要求的角度不一样，可以再次利用前面讲过的驱动电路驱动模拟罗经转动，直到和要求的角度一致。模拟罗经的一圈为360°，旋转编码器的输出位数为12位（精度为±5％），经过计算可得知在该控制方式下，模拟罗经的读数误差在0.1°以内，完全符合船舶操纵模拟器的设计要求。

4 结束语

本文着重介绍基于PCI-6221型数据采集卡的模拟随动舵和模拟罗经的控制。其它操纵设备，如车钟，声号控制，视景切换等由于控制原理类似不再赘述。以PCI-6221型数据采集卡为硬件核心的小型半实物全视景多功能船舶操纵模拟器已经在二十多家船艇部队推广应用，因其造价低，使用成本也较低，利用率较高，加上功能齐全，运用灵活，受到师生们的一致欢迎。

[1] 胡定军，石红梅，张芊. 一种新型模拟航海罗经控制[J]. 舰船科学技术，2009，31(1)：104—106.

[2] 张芊，赵柯. 基于AMPCI-9110型数据采集卡的步进电机接口电路[J]. 机电设备，2011，（3）：37-39.

[3] 胡定军，张芊，窦金生.航海模拟器中模拟罗经的功能[J]. 船舶，2006，(6)：30-33.

[4] 张芊，胡定军.基于LabVIEW的模拟船舶随动舵的设计[J]. 船海工程，2010，39(2)：139—141.

Application of Ship Handling Simulator Based on PCI-6221 Data Acquisition Card

Zhang Qian, Zhao Ke

（Zhenjiang Watercraft College，Zhenjiang 212003，Jiangsu ,China）

TP273

A

1003-4862（2013）01-0008-03

2012-04-16

张芊（1979-），女，讲师。研究方向：电气自动化。