0 引言

    海水溫度剖面數(shù)據(jù)是重要的海洋環(huán)境要素之一，該數(shù)據(jù)的獲取對水下聲波傳播速度和路徑變化研究具有重要意義，能夠為海洋科學(xué)研究和軍事應(yīng)用提供重要幫助。投棄式溫度剖面測量儀(Expendable bathythermograph，XBT)是一種是能夠測量和感應(yīng)海水溫度剖面的投棄式設(shè)備，是調(diào)查海洋溫度剖面時重要的測量手段^[1-2]。

    XBT自動投放測量系統(tǒng)可實現(xiàn)12枚探頭自動投放，完成對海水溫度剖面數(shù)據(jù)的快速獲取。它能夠在惡劣海況下完成投放測量任務(wù)，具有投放效率與自動化程度高、操作簡便等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工投放的不足之處。系統(tǒng)的投放過程主要靠步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和伺服電機(jī)等多種裝置的組合運(yùn)動完成，電機(jī)控制單元是系統(tǒng)電子控制的核心，在自動投放過程中發(fā)揮了重要的作用。

1 電機(jī)控制單元總體設(shè)計

    電機(jī)控制單元主要由主控芯片、電源模塊、串口擴(kuò)展芯片、伺服、步進(jìn)、直流電機(jī)驅(qū)動器接口電路等部分組成，其硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)投放過程包含以下運(yùn)動模式：投放桶旋轉(zhuǎn)、釋放裝置運(yùn)動、數(shù)據(jù)采集裝置運(yùn)動，通過對上述運(yùn)動模式的合理設(shè)計完成探頭投放與測量數(shù)據(jù)采集。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片選型

    考慮到開發(fā)難度及研發(fā)周期，對比選型后選用Silicon Laboratories公司的C8051F020微控制器作為主控芯片。它是完整的混合信號片上系統(tǒng)SoC芯片，具有64 KB可在系統(tǒng)編程Flash和4 532 B SRAM，70%的指令執(zhí)行時間為1-2個時鐘周期，具有22個中斷源等特點(diǎn)，以上性能滿足電機(jī)控制單元的設(shè)計需求。

2.2 電源管理模塊

    控制單元的電源輸入為12 V和24 V，選用National Semiconductor公司生產(chǎn)的LM2575和LM2937電源芯片，分別產(chǎn)生5 V和3.3 V電壓。前者用于步進(jìn)電機(jī)控制信號及直流電機(jī)驅(qū)動芯片供電，后者用于主控芯片及數(shù)字器件供電，24 V電源用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及伺服驅(qū)動器剎車裝置供電。

2.3 通信接口模塊

    為實現(xiàn)對系統(tǒng)中各類電機(jī)的控制，電機(jī)控制單元需要與伺服驅(qū)動器^[3]、上位機(jī)及手動控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其通信接口均使用RS232方式。由于單片機(jī)只有兩個UART串口，需要對其數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展。常用的擴(kuò)展方法可通過軟件設(shè)計實現(xiàn)^[4]，也可由硬件芯片^[5]完成。由于軟件虛擬串口的方法具有可靠性和穩(wěn)定性方面的不足，因此采用專用硬件芯片的方式。選用EXAR公司生產(chǎn)的XR16L784專用串口擴(kuò)展芯片，通過合理搭建外圍電路并編寫配置程序，實現(xiàn)多路串口擴(kuò)展功能。

2.4 電機(jī)驅(qū)動接口

2.4.1 伺服電機(jī)驅(qū)動器接口

    接口電路主要由RS232電平轉(zhuǎn)換和投放筒位置反饋輸入兩部分組成。電機(jī)控制單元與伺服驅(qū)動器的通信方式為RS232通信，波特率為9 600 b/s。選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3232芯片完成單片機(jī)TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換。伺服驅(qū)動器采用Modbus通信^[6]協(xié)議，使用RTU模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信格式中每幀數(shù)據(jù)包含1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，2個停止位。為與該格式匹配，將單片機(jī)UART0串口設(shè)置為模式2，每幀數(shù)據(jù)包含11 bit，其第9數(shù)據(jù)位可通過編程進(jìn)行設(shè)定，設(shè)計時將其設(shè)定為與停止位相同的數(shù)值。每開始一輪投放任務(wù)前，投放桶都需要進(jìn)行位置歸零，以保證投放點(diǎn)位置的精確性。使用光電開關(guān)作為檢測傳感器，通過檢測安裝在投放桶固定位置處的遮光板實現(xiàn)歸零操作。

2.4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口

    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器具有多種細(xì)分模式，根據(jù)系統(tǒng)需求將其設(shè)定為3 200。驅(qū)動器的控制信號包括電機(jī)使能、旋轉(zhuǎn)方向及步數(shù)，其中旋轉(zhuǎn)步數(shù)由輸入脈沖個數(shù)決定，使用單片機(jī)可編程計數(shù)器陣列（PCA）功能實現(xiàn)脈沖的精確輸出。單片機(jī)的控制信號經(jīng)光電隔離器件與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相連。為滿足系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)數(shù)量的擴(kuò)展需求，在硬件實現(xiàn)時采用了2個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口的設(shè)計方案。

2.4.3 直流電機(jī)驅(qū)動接口

    對XBT探頭數(shù)據(jù)的獲取通過測量裝置來完成，該裝置通過直流電機(jī)實現(xiàn)與探頭的連接和斷開。選用ST公司的L298P芯片^[7]作為驅(qū)動芯片，該芯片供電電壓為5 V，引腳Vs為待驅(qū)動設(shè)備工作電壓，根據(jù)選用的直流電機(jī)工作參數(shù)將其設(shè)定為24 V?？刂菩盘枮闃?biāo)準(zhǔn)TTL電平，芯片最大驅(qū)動電流為2 A。使用單片機(jī)兩個IO口輸出控制信號，同時使用或邏輯門的輸出作為L298P使能信號，當(dāng)控制信號1為高電平、控制信號2為低電平時，芯片驅(qū)動直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。反之，則直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。其原理圖見圖2。

3 軟件設(shè)計

    在程序編寫時采用模塊化編程思想進(jìn)行設(shè)計，選用Keil μVision4作為編程開發(fā)環(huán)境，編程語言以C語言為主，使用少量匯編語言完成MCU寄存器初始化。程序執(zhí)行后首先對時鐘、UART、PCA等相應(yīng)寄存器進(jìn)行初始化，串口通信采用中斷方式^[8]以提高效率。使用單片機(jī)片上外設(shè)PCA以一定頻率向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送脈沖，由于步進(jìn)電機(jī)行程固定，因此采用定時器控制其運(yùn)動時間。軟件流程圖見圖3。

    系統(tǒng)初始化完畢后，通過位置傳感器確認(rèn)各電機(jī)是否處于原點(diǎn)，若不在則自動完成位置歸零。在確認(rèn)伺服驅(qū)動器工作狀態(tài)正常后進(jìn)入自動投放模式，過程如下：伺服電機(jī)帶動投放桶旋轉(zhuǎn)30°，直流電機(jī)前進(jìn)至與探頭相連，步進(jìn)電機(jī)通過往復(fù)運(yùn)動完成XBT釋放過程，探頭落入海水后對溫度剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，待數(shù)據(jù)采集完成后直流電機(jī)后退至原點(diǎn)，完成一次投放過程。當(dāng)12枚探頭均投放成功后，即可裝入新探頭以備下一輪次投放。為在電機(jī)出現(xiàn)異常時能對其人工調(diào)整，在程序設(shè)計時加入了手動控制模式，該功能不對用戶開放，僅在調(diào)試時使用。

    電機(jī)控制單元與上位機(jī)的通信采用問詢、應(yīng)答方式，問詢由上位機(jī)發(fā)起，控制單元收到后將相應(yīng)動作的命令和子函數(shù)標(biāo)志位賦相應(yīng)值，通過在主函數(shù)中查詢標(biāo)志位執(zhí)行對應(yīng)電機(jī)動作，執(zhí)行完成后清除標(biāo)志位，當(dāng)查詢到子函數(shù)標(biāo)志位清零后向上位機(jī)回復(fù)。其命令交互流程見圖4。

    命令交互時采用的通信格式為：

    上位機(jī)：$XX,AA*KK\r\n

    電機(jī)控制單元：$XX,AA,BB*KK\r\n

    其中，XX表示命令種類，AA表示控制字標(biāo)號，BB表示電機(jī)控制單元執(zhí)行結(jié)果，KK表示累加和校驗。例如，需要投放筒逆時針旋轉(zhuǎn)30°，則上位機(jī)發(fā)出指令$05，02*F3\r\n，電機(jī)控制單元通過串口收到該命令后，對命令進(jìn)行分類，主函數(shù)中檢測到該命令對應(yīng)的標(biāo)志位后將控制電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動作，完成后則返回$05，02，00*7F\r\n。

4 電機(jī)控制單元測試結(jié)果及故障分析

    在海上投放過程中，由于每枚XBT探頭的投放是由以上三種電機(jī)按照一定邏輯順序運(yùn)動完成的，如果某個電機(jī)動作出現(xiàn)異常將直接導(dǎo)致投放失敗，因此對電機(jī)控制單元的功能、性能從多種角度進(jìn)行測試十分必要。為保證其工作的可靠性，分別從功能、拷機(jī)和批量測試三方面進(jìn)行測試。其中，前兩項試驗是對單一電路板的測試，批量測試則是對隨機(jī)抽取的10塊電路板進(jìn)行驗證。

4.1 功能性測試

    為測試電機(jī)控制單元的功能，將其與工控計算機(jī)通過RS232方式相連，同時將電機(jī)控制單元與伺服驅(qū)動器的串口發(fā)送引腳與地線分別引出并連接到工控計算機(jī)的兩個串口上，實時監(jiān)測兩者間通信狀態(tài)?？刂茊卧谧詣油斗拍Ｊ较聲凑赵O(shè)定的步驟依次完成投放12枚探頭的動作。

4.1.1 伺服電機(jī)故障及分析

    在監(jiān)測電機(jī)控制單元與伺服驅(qū)動器間通信數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)伺服驅(qū)動器存在數(shù)據(jù)丟幀、出錯、寄存器值未更新等情況，直接導(dǎo)致投放桶不轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動次數(shù)少于設(shè)定值。其原因可能是驅(qū)動器內(nèi)DSP對串行數(shù)據(jù)的處理響應(yīng)速度及可靠性不足、外部電磁干擾等，這些異常情況會導(dǎo)致伺服電機(jī)無法對電機(jī)控制單元的指令及時做出響應(yīng)。

    為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，單片機(jī)在每次發(fā)送控制指令后再發(fā)送一條讀取指令，檢查伺服驅(qū)動器內(nèi)相關(guān)寄存器中的數(shù)據(jù)是否被成功寫入，若未成功更新則重新發(fā)送控制指令。同時，建立誤碼識別機(jī)制并記錄誤碼出現(xiàn)次數(shù)，當(dāng)累計次數(shù)超過設(shè)定閾值時啟動報警，人為排查故障。

4.1.2 步進(jìn)電機(jī)故障及分析

    在測試過程中，步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)了行程不到位的情況，導(dǎo)致投放裝置無法成功取下探頭銷，其原因是外部脈沖頻率設(shè)置過高導(dǎo)致步進(jìn)驅(qū)動器無法及時響應(yīng)從而造成失步^[9]，在設(shè)計時將PCA產(chǎn)生的脈沖頻率降低至2.4 kHz，該頻率下步進(jìn)電機(jī)無失步現(xiàn)象，運(yùn)動行程穩(wěn)定。

4.1.3 直流電機(jī)故障及分析

    在測試直流電機(jī)工作時使用外部穩(wěn)壓源提供24 V直流電壓，當(dāng)電機(jī)連續(xù)工作一段時間后發(fā)現(xiàn)其會出現(xiàn)異常停止現(xiàn)象，同時驅(qū)動芯片L298P異常發(fā)熱，穩(wěn)壓源過流保護(hù)。經(jīng)分析可知，由于直流電機(jī)在啟動和停止瞬間會產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動勢，若該電壓直接作用在OUT1和OUT2引腳將直接導(dǎo)致芯片燒毀。因此，在這兩個引腳上加入截止電壓為24 V的雙向TVS管，將直流電機(jī)啟停時產(chǎn)生的瞬間高電壓以電流形式直接釋放到電路的地平面，保證L298P芯片不會受到電機(jī)瞬時較高的感應(yīng)電動勢影響。

4.2 拷機(jī)測試

    為驗證電機(jī)控制單元對上位機(jī)命令響應(yīng)的可靠性，使用串口調(diào)試助手周期性發(fā)送控制指令，通過觀察電機(jī)運(yùn)動執(zhí)行情況來判斷其響應(yīng)結(jié)果。測試時間為24個小時，發(fā)送周期為4 s一次。測試中發(fā)現(xiàn)，直流電機(jī)在工作一段時間后停止運(yùn)動，無法對外部命令做出響應(yīng)，但每組試驗中電機(jī)停止運(yùn)動的時間卻不相同。在確認(rèn)驅(qū)動芯片L298P工作正常后，從程序設(shè)計角度對故障進(jìn)行分析。

    由于控制單元在輸出電機(jī)動作的指令后，需保證該動作執(zhí)行期間其他電機(jī)無運(yùn)動，因此在主程序中使用了while循環(huán)方式進(jìn)行等待。但控制單元需要實時響應(yīng)來自上位機(jī)的串口命令，因此將查詢串口緩存及命令狀態(tài)判斷等語句放在了每10 ms執(zhí)行一次的定時器0中斷函數(shù)中。UART波特率為9 600 b/s，當(dāng)單片機(jī)串口通信數(shù)據(jù)幀格式設(shè)置為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位時，每幀數(shù)據(jù)傳輸時間為1.04 ms。程序中使用了定時器0和UART0中斷，前者中斷優(yōu)先級高于后者，由于并未對中斷優(yōu)先級（IP）寄存器進(jìn)行設(shè)置，因此當(dāng)定時器0和UART0中斷同時到來時，單片機(jī)優(yōu)先執(zhí)行定時器0中斷服務(wù)程序；而當(dāng)UART0中斷程序執(zhí)行過程中定時器0中斷到來時，不會發(fā)生中斷嵌套。

    電機(jī)控制單元的晶振頻率是3.686 4 MHz，在1.04 ms的時間內(nèi)包含3 837個時鐘周期。C8051F系列單片機(jī)一條匯編指令的執(zhí)行時間為1～2個時鐘周期，而一條C語言語句對應(yīng)多條匯編語句。上位機(jī)發(fā)送的控制命令包含11個字節(jié)，由于原設(shè)計中在定時器0中斷函數(shù)中添加了大量查詢串口緩存及狀態(tài)判斷語句，導(dǎo)致要執(zhí)行的語句過多，在某些條件下執(zhí)行時間超過了1.04 ms，造成保存在SBUF0中的串口接收數(shù)據(jù)還沒被讀入單片機(jī)內(nèi)存就被下一個數(shù)據(jù)覆蓋，導(dǎo)致控制字丟失。

    將主程序中使用while的程序部分用switch-case結(jié)構(gòu)改寫，使程序不會停在某一位置持續(xù)等待，這樣可以將查詢串口緩存及狀態(tài)判斷的語句寫入主函數(shù)中，使其對外部命令的響應(yīng)不依賴于定時器。改寫后的定時器中斷函數(shù)中的語句數(shù)量大幅減少，其執(zhí)行時間遠(yuǎn)小于1.04 ms，可保證SBUF0中的數(shù)據(jù)均能被及時讀入內(nèi)存。調(diào)整后的電機(jī)控制單元在拷機(jī)實驗中對上位機(jī)命令均及時響應(yīng)，無數(shù)據(jù)丟失。

4.3 批量測試

    在該項測試中發(fā)現(xiàn)有2塊電機(jī)控制單元出現(xiàn)了投放筒旋轉(zhuǎn)次數(shù)明顯多于設(shè)定值的情況。在程序設(shè)計時，為保證伺服電機(jī)能可靠執(zhí)行轉(zhuǎn)動指令，在每次運(yùn)動前后由上位機(jī)分別讀取伺服驅(qū)動器中字長為4字節(jié)的軸位置信息并比較，若其差值小于設(shè)定閾值則判定電機(jī)未轉(zhuǎn)動，上位機(jī)會再次發(fā)送旋轉(zhuǎn)指令。由于旋轉(zhuǎn)30°對應(yīng)的軸位置數(shù)據(jù)偏移量已知，經(jīng)對返回數(shù)據(jù)核查得知，該故障是因軸位置數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常所致。

    在對程序設(shè)計核查確認(rèn)無誤后，將導(dǎo)致該故障的原因定位在程序的編譯模式上。系統(tǒng)開發(fā)使用的Keil μVision4軟件,其變量編譯包括Small、Compact、Large三種模式^[10]。在Small模式下，未指明存儲類型的變量，均將分配在單片機(jī)的內(nèi)部存儲器上，其存儲空間較小，如果變量數(shù)量超過其范圍將會編譯報錯。由于電機(jī)控制單元需要使用變量較多，超過了內(nèi)部存儲器的范圍，軟件編譯不能通過，因此不選擇該模式。在Compact模式下，未強(qiáng)制使用_at_指定地址的變量被分配在分頁尋址的片外內(nèi)存中，每頁大小為256 B，變量的高8位地址由P2口數(shù)據(jù)決定，如果使用的變量總數(shù)超過1頁時，編譯器不會自動更新P2數(shù)據(jù)進(jìn)行頁切換，也不會編譯報錯；在程序執(zhí)行時，會造成變量的跨頁錯誤，即訪問變量跨頁時，由于未對高8位地址進(jìn)行切換，仍然訪問以前的頁，造成變量訪問混亂。在Large模式下，未指明存儲類型的變量和XDATA變量都分配到片外數(shù)據(jù)存儲器中，最大可達(dá)64 KB，使用指針DPTR間接訪問。

    電機(jī)控制單元程序編譯時使用了Compact模式，由于變量數(shù)量多，占用空間超過256 B，造成變量的訪問混亂，所以造成軸位置變量異常。將編譯模式改為Large后對程序重新編譯，將執(zhí)行代碼寫入單片機(jī)測試，軸位置數(shù)據(jù)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)次數(shù)均正常。此外，不修改變量編譯模式，通過修改程序，將部分變量通過_at_指定地址，使開發(fā)工具軟件自動分配的變量限定到256 B之內(nèi)，也能解決該問題，同樣印證了軸位置的異常是由在Compact編譯模式下變量數(shù)量超過頁范圍引起的。

    軸位置變量出錯現(xiàn)象只在兩個電機(jī)控制單元上出現(xiàn)，而其他單元并未出現(xiàn)。經(jīng)分析其原因如下：每個單片機(jī)程序的執(zhí)行與其時鐘頻率有關(guān)，同一函數(shù)的調(diào)用執(zhí)行時刻在不同電機(jī)控制單元上有細(xì)微差別，導(dǎo)致了函數(shù)的內(nèi)部變量臨時分配的區(qū)域不同，軸位置數(shù)據(jù)異常的控制單元在執(zhí)行該函數(shù)時，內(nèi)部變量跨頁，輸出數(shù)據(jù)異常，而其他單元執(zhí)行該函數(shù)時，內(nèi)部變量不跨頁，輸出數(shù)據(jù)正常，因此導(dǎo)致了相同函數(shù)在同一外部條件下，在不同電機(jī)控制單元上出現(xiàn)了不同的結(jié)果。為驗證該推斷，在不改變變量編譯模式的情況下，在函數(shù)定義前定義一定字節(jié)的空數(shù)組，該數(shù)組用于占用外部數(shù)據(jù)存儲器空間，調(diào)整該數(shù)組的大小使函數(shù)內(nèi)部變量跨頁，在某些條件下，應(yīng)該是所有電機(jī)控制單元都會出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)異常的位置也應(yīng)不限定在電機(jī)軸位置上。通過逐步修改空數(shù)組的大小，在無故障的單元上也出現(xiàn)了電機(jī)異常轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，數(shù)據(jù)異常也不僅限于電機(jī)軸位置一處問題，該實驗結(jié)果與推斷一致。將編譯模式設(shè)置為Large模式，不修改源程序，故障消失。該結(jié)果也驗證了電機(jī)軸位置數(shù)據(jù)異常是由于在Compact模式下變量數(shù)量超過頁范圍引起的。

    通過對以上異常情況的處理，電機(jī)控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)對上述三類電機(jī)的可靠控制。在投放裝置海上試驗測試中系統(tǒng)工作正常，電機(jī)控制單元能夠有效控制投放裝置完成多枚XBT探頭的自動連續(xù)投放，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

    本文提出了XBT自動投放測量系統(tǒng)電機(jī)控制單元的設(shè)計思想，詳細(xì)給出了硬件和軟件實現(xiàn)方案。設(shè)計了三種測試方法，查找出了控制單元在對上位機(jī)命令實時響應(yīng)過程中出現(xiàn)的各類故障，通過全面的機(jī)理分析進(jìn)行了故障定位并改進(jìn)驗證。實驗室和海上試驗的測試結(jié)果表明：電機(jī)控制單元能夠通過對伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)的運(yùn)動控制完成多枚XBT自動投放，保證系統(tǒng)順利完成對海水溫度剖面數(shù)據(jù)的可靠獲取。本設(shè)計對使用單片機(jī)對多種電機(jī)進(jìn)行實時組合控制的方法上具有一定借鑒作用。

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作者信息:

王心鵬，門雅彬，張東亮，董  濤，孔佑迪

(國家海洋技術(shù)中心，天津300112)