传感网式罗经航向数字复示与方位测量系统设计摘要：为降低能耗及制造成本，提高便携性和驾驶台集成度，通过对船用陀螺罗经信号转化、IEC61162（船用仪器数字接口IEC标准）和角位移数字测量方法的研究，提出利用陀螺罗经数字输出与以角度传感器为基础的数字化舷角测量终端相结合的航向复示与方位测量系统.该系统给出利用串口通信采集罗经航向数据的方法，滑阻式角度传感器数据输出方法，航向及电子方位线虚拟仪表设计方法、误差补偿与标定方法以及数据有线及无线网络共享方法，样机实测结果与传统机电分罗经测量结果比对，精度高于直接测读结果；该方案对数字化罗经工程实现具有一定的参考价值，关键词：陀螺罗经；角度传感器；串口通信；虚拟仪器；方位测量：U666.1文献标志码：A0引言目前，船用陀螺罗经伺服随动、航向复示以及以此为基础的自动舵设备的硬件，大多采用电气和模拟量直接控制装置，虽然已有罗经航向数值的显示装置，但数字化的分罗经在驾驶台两翼不能满足实船应用（方位测量）的需求，方位分罗经系统目前还需要以机电式（自整角机、步进电机）罗经表盘实现.角位移传感器是一种将机械角度的变化转化为电信号输出的测量装置，电信号通过微处理器转换并以数字测角信号输出，是发展前途非常好的计算机测量手段之一，利用串行通信方式采集船用陀螺罗经的IEC61162标准航向报文，利用角度传感器设计相应的机械观瞄装置及PCB采集电路并输出数字舷角，在工控上位机上通过C#GUI+（图形用户接口）编程技术实现数据融合并给出能与传统机电式航海仪器等效的虚拟仪器可视化表达结果，并通过有线或无线网络实现数字及仿真仪表的多终端便携共享，是本文研究的重要内容.1系统设计方案与总体结构本系统所述角度传感网式移动数字分罗经及方位测量系统包括舷角采集板模块、陀螺罗经航向采集模块、工业级上位机模块和网络显示终端模块.舷角采集板模块与工业级上位机模块连接，用于输出舷角数据，并结合罗经航向采集，实现舷角测站的航向、方位LED数字显示；陀螺罗经航向采集模块用于采集并向工业级上位机及舷角采集板模块发送航向信息；工业级上位机模块用于接收并处理舷角、航向的信息，计算真方位，实时显示数值及虚拟仪表盘，同时向网络显示终端发送航向、方位测站地址及方位测量结果；网络显示终端模块与工业级上位机模块通过有线网络与WiFi连接，用于实现数字航向及方位数值及虚拟仪表盘显示.系统以安许茨STD22型陀螺罗经NMEA0183数字航向（HDT-Headingtrue）及转向角速率（ROT-Rateofturn）输出为基础，可从罗经可主控PCB的RS422端口直接引出Tx+/-，或从外部串口集线器采集，两者互为备用.舷角信号采用以增强型51内核单片机STC12C5A60S2为核心的电子测量与控制系统，选用专业滑阻电位器式角度传感器WDS35D4，通过底层调理电路与STC12C5A60S单片机共地实现一体化设计.STC12C5A60S单片机集成有8路10位高速模数转换器（ADC），速度可达250kHz，能实现多路角度（电压DC：O～+5V）信号数字化.10位模数转换可使角度测量精度达到0.351度，采用100次高速采样均值滤波及野值剔除法等，使测控系统更具有鲁棒性.2系统各部件硬软件设计及多终端共享方案2.1航向的数字化处理与采集方法传统陀螺罗经采用同步电机和步进电机等复示航向，其信号可利用CDI-2等模块实现模数转换.现代陀螺罗经已嵌入数字输出模组，不但可以实现RS232-422-485类通信、CAN通信等输出，还可以采集GPS船位、航迹向、对地速度等用以自动补偿纬度误差、速度与冲击误差等读数误差.因此，陀螺罗经航向可以由机电分罗经数字化模块或新型罗经数字化输出接口采集.以RS485串口通信方式采集罗经航向见图2和3.数字化罗经或通用机电分罗经数字转换装置输出的航向信号遵守IEC61162通信协议，其通信方式为异步串口通信（UART），为延长通信距离，采用差分技术将RS232转变为RS422/485，波特率4800b/s，语句包含“HDT-Headingtrue”和“ROT-Rateoftum”两种，分别表达“真航向”和“转向速率”，如“HEHDT，039.6，T*23”表示真航向为039.6度，其中“*”后数值为CRC校验值.航向串口采集合并舷角板卡串口采集流程见图4.2.2基于滑阻式角度（位...