一种基于FPGA的帆船航向控制器的制作方法

本发明属于航向自动控制领域，具体涉及一种基于FPGA的帆船航向控制器。

背景技术：

帆船航向控制系统作为帆船自动化的重要组成部分，其研究与应用在近几十年来取得了长足进步。由于帆船航向控制方式方法与传统螺旋桨推进船不同，使得其在舵角设定过程中不仅需要考虑航向偏差，还需要对当前风速、风向等信息进行采集，这也增加了帆船航向控制的难度。目前比较常见的航向控制系统主要由上位机、航向控制器、舵伺服系统等部分组成。其中上位机作为数据参数的发送端，主要实现帆船航向的设定，并依据采集到的相关数据进行智能控制算法运算并最终输出控制舵角；航向控制器则需要采集当前帆船所处环境的风速、风向、GPS定位信息等数据并将其发送给上位机，同时依据上位机的输出舵角信息对舵伺服系统进行控制；最后由舵伺服系统实现舵机控制及当前舵角反馈，以此实现帆船航向智能控制。故可知帆船航向控制器的硬件核心为数据采集模块和数据传输模块。由于航行帆船受到风、浪、流干扰而时刻处于不稳定状态，故须在航行过程中进行航向适当的校正与调节。如何对相关数据进行实时采集及快速运算成为设计帆船航向控制器所应着重考虑的问题。

目前在核心期刊与专利查询中均未发现与此发明类似的设备介绍。

技术实现要素：

本发明的目的是针对传统航向控制器很难实现帆船航向精确采集及数据处理等难题，提供一种基于FPGA的帆船航向控制器。

本发明是这样实现的：

一种基于FPGA的帆船航向控制器，包括：

(1)由TLC2552 12位双通道模数转换器实现风速风向的采集、采用GPS-OEM实现GPS信号的采集并由舵伺服系统回馈舵角信息；

(2)通过FPGA现场可编程门阵列实现数据的快速处理；

(3)通过TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器来完成与上位机之间的数据通信，实现航向的智能控制。

由所述的TLC2552 12位双通道模数转换器进行风速、风向的采集、采用GPS-OEM进行GPS信号的采集并由舵伺服系统回馈舵角信息。

通过FPGA现场可编程门阵列进行数据的快速处理。

通过TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器来完成与上位机之间的数据通信，进行航向的智能控制；TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器使得航向控制器满足双通信协议数据传输。

本发明的有益效果在于：

将FPGA和由TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器组成的数据传输模块引入帆船航向控制之中。将GPS-OEM板作为GPS数据的采集模块引入帆船航向控制之中。本系统硬件选用TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器使得航向控制器满足双通信协议数据传输，也因此具有更强的适用性，同时系统结构简单造价低廉。

附图说明

图1为帆船航向控制器结构框图；

图2为帆船航向控制器系统结构框图；

图3为帆船航向控制器系统硬件原理图；

图4为帆船航向控制器控程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明专利做更详细地描述：

本发明的提供的是一种FPGA的帆船航向控制装置。帆船控制装置是由FPGA现场可编程门阵列、TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器等组成。并采用RS232或RS485传输协议进行数据处理器与上位机及GPS-OEM板之间的数据通信，旨在解决帆船航行过程中由于各种干扰处于不稳定的状态而导致帆船实时数据精确采集困难的问题，并完成对数据的快速处理，以实现帆船航向的智能控制。

结合图1，图1所体现的是本发明方法中帆船航向控制器结构示意图，其中航向控制器作为帆船航向控制系统的数据采集及发送核心，通过实时采集当前风速、风向与帆船航速航向等信息，并将其发送至上位机进行算法运算，并将上位机的舵角控制指进行处理并将帆船舵控制指令传递至舵伺服系统，同时通过采集当前舵角值实现舵伺服系统的动态跟踪控制。

结合图2，图2所体现的是该帆船航向控制器的结构框图。该系统采用双串口通信以实现航向控制器对GPS信号的采集和与上位机的数据通信。采用以FPGA为核心的处理芯片实现相关数据的采集。其中，采用模数转换器实现风速风向的采集、采用GPS-OEM实现GPS信号的采集。同时，为实现航向控制器的正常数据处理与运算，该系统还应包括可提供3.3V、1.5V直流电压的电源模块及能实现Watch Dog功能的复位电路以及能产生较高工频的时钟模块。

结合图3，如图3所示为该帆船航向控制器系统硬件原理图。帆船航向控制器采用以FPGA作为核心处理器，由于其内部集成化较高，在电路设计上可进行很大程度的简化。为实现程序和数据的存储，系统采用SST39VF1601FLASH芯片作为外存储芯片，以实现该存储器的引导与装载。在复位芯片的选择上系统采用MAX706实现系统复位功能。在电源模块的设计上由于FPGA处理器的特殊构造，故在电源设计上应实现双电源供电及合理的上电顺序配置。即满足3.3VI/O口供电及1.5V内核供电，同时应保证内核电源率先供电。为此电源模块采用TPS75733电源转换芯片产生3.3V电压、采用TPS54310稳压降压器芯片实现1.5V内核电压供给。当TPS54310产生1.5V电压时，三极管T1B集产生导通电流致使三极管导通。为此与三极管E集相连的TPS75733使能端电位降低，产生3.3V电压以此实现系统所需的电源电压级其合理的上电顺序

由于常见的风速风向传感器的输出量为0-2V的模拟量，故系统采用TLC2552 12位双通道模数转换器实现相关数据的采集，同时采用MAX6325 2.5V基准电压源作为参考电压。

由于帆船航向控制器在工作过程中须与上位机及GPS-OEM板进行数据通信，故在数据通信模块的设计上须设置两个数据传输通道。同时为了增强航向控制器的适用性，其通信协议需满足当前常见GPS-OEM系统板的配置。基于上述原因该数据通信模块采用支持双串口通信的TL16C752B异步串行通信协议芯片和能满足RS232/RS485双串口通信的MAX3160多协议收发器相配合设计以实现设计要求。

目前常见的舵伺服系统一般采用PWM信号的改变实现控制舵角的转变，故可通过改变FPGA相关连接引脚的电位变化实现。

结合图4，本发明程序流程包括以下步骤：

1、初始化及接收设定航行位置信息阶段：采集上位机所设定的经度、纬度及地面航向等信息；

2、当前帆船环境信息采集及发送阶段：首先通过设定及采集GPS-OEM板的数据信息确定当前帆船所处的经度、纬度及地面航向等信息，然后采集当前风速风向信息，并将上述信息发送至上位机以供其进行数据运算。

3、舵角控制信息采集及舵伺服系统控制阶段：通过对上位机传输的控制舵角进行采集并依此控制舵机转动以实现风帆的转向并最终实现帆船航向的控制。