基于ARM的航標(biāo)終端設(shè)計(jì)方案

航標(biāo)是航行標(biāo)志的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指示航道方向、界限與礙航物的標(biāo)志，為船舶的安全航行提供了基本保障。航標(biāo)終端通過(guò)測(cè)量航標(biāo)燈的工作狀態(tài)（電壓、電流、可用燈泡數(shù)、閃光周期、位置信息等參數(shù)），再將這些狀態(tài)信息以數(shù)據(jù)報(bào)的形式在CPU的控制下通過(guò)公共通訊網(wǎng)發(fā)送回航標(biāo)監(jiān)控中心。同時(shí)，監(jiān)控中心也可以對(duì)航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。這樣，就能使得當(dāng)代的航道建設(shè)趨于數(shù)字化、信息化。以下是一種基于ARM的航標(biāo)終端設(shè)計(jì)方案。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

航標(biāo)終端是一個(gè)電源適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、集成模數(shù)轉(zhuǎn)換的SOC（System On Chip）系統(tǒng)。為了使其更加靈活高效，本方案采用了雙CPU架構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主控制器負(fù)責(zé)主要的數(shù)據(jù)處理和通信任務(wù)，而從控制器則負(fù)責(zé)一些輔助參數(shù)的檢測(cè)和接口預(yù)留。

1. 主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

主控制器采用NXP（恩智浦）公司的32位Cortex-M3內(nèi)核嵌入式微處理器LPC1769。LPC1769是一款高性能的ARM微控制器，具有豐富的外設(shè)接口和強(qiáng)大的處理能力，非常適合用于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

• 型號(hào)：LPC1769

• 作用：

• 負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心的GPRS/GSM通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

• 讀取GPS信號(hào)并進(jìn)行前差分處理，獲取航標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息。

• 本地?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用于保存航標(biāo)燈的運(yùn)行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)。

• RS-232/485擴(kuò)展通信，提供與其他外設(shè)的通信接口。

• 模擬量檢測(cè)，包括電壓、電流等參數(shù)的測(cè)量。

• 與從CPU通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)。

從控制器采用NXP公司的32位Cortex-M0內(nèi)核嵌入式微處理器LPC1114。LPC1114是一款低功耗、高性能的微控制器，適用于對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

• 型號(hào)：LPC1114

• 作用：

• 負(fù)責(zé)燈質(zhì)、傾角/撞擊和環(huán)境溫度等參數(shù)的檢測(cè)，提供航標(biāo)燈的詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)信息。

• 預(yù)留其他通信接口，方便后續(xù)的功能擴(kuò)展。

2. 其他關(guān)鍵組件

• A/D轉(zhuǎn)換器：用于檢測(cè)電壓和電流，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。

• 64K E2PROM：保存配置數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，確保數(shù)據(jù)的持久性。

• 串口：串口0用于系統(tǒng)升級(jí)和調(diào)試，串口2用于GPRS/GSM模塊通信，串口3用于GPS數(shù)據(jù)通信，串口1提供RS-232/485接口，與其他外設(shè)通信。

• 電源管理：采用3片高效率、低壓差的線性穩(wěn)壓電源（LDO）分時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源的高效管理。其中，監(jiān)控主系統(tǒng)和GPS各采用一片TPS77533供電，將航標(biāo)燈電池上6.4V的電壓降到監(jiān)控系統(tǒng)所需的3.3V電壓。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用一片大功率的線性穩(wěn)壓電源NCP630對(duì)GPRS模塊單獨(dú)供電。

二、硬件設(shè)計(jì)

1. 模擬量測(cè)量電路

模擬量測(cè)量包括航標(biāo)燈、電池、太陽(yáng)能板等的電壓、電流測(cè)量。電壓直接通過(guò)濾波電路送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，電流的測(cè)量則通過(guò)電流傳感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓量并濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器。

2. 電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)采用3片高效率、低壓差的線性穩(wěn)壓電源（LDO）分時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源的高效管理。其中，TPS77533是一款高效率、低壓差線性穩(wěn)壓集成電路，具有外圍電路簡(jiǎn)單、電壓轉(zhuǎn)換效率高（最高可達(dá)92%）、輸入電壓范圍寬、使用穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，適用于絕大多數(shù)工作電壓范圍的航標(biāo)燈使用。由于通信模塊在GPRS發(fā)射時(shí)的瞬間電流可高達(dá)2A/3.8V，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用一片大功率的線性穩(wěn)壓電源NCP630對(duì)GPRS模塊單獨(dú)供電，配合大電容蓄能濾波電路，給GPRS提供充足的能量。

3. 數(shù)據(jù)采集電路

航標(biāo)遙測(cè)遙控終端上電后，由終端的數(shù)據(jù)采集電路開(kāi)始工作，采集航標(biāo)燈的各個(gè)工作狀態(tài)，包括電源的動(dòng)態(tài)電壓、靜態(tài)電壓、充電電壓、動(dòng)態(tài)電流、充電電流、運(yùn)行燈質(zhì)等。為降低RTU系統(tǒng)的功耗，采集電路以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行工作（可設(shè)置），每次每個(gè)參數(shù)測(cè)量至少10次，然后取平均值作為本時(shí)刻的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的中心設(shè)置參數(shù)（閥值）進(jìn)行比較，判斷航標(biāo)燈是否出現(xiàn)異常情況，如果異常，則由ARM主系統(tǒng)申請(qǐng)進(jìn)行報(bào)警處理。

三、軟件設(shè)計(jì)

1. 嵌入式軟件結(jié)構(gòu)

終端嵌入式軟件分為核心總控模塊、通信模塊、定位模塊、A/D檢測(cè)模塊、燈質(zhì)和姿態(tài)撞擊測(cè)量等獨(dú)立模塊以及電源管理模塊。總控模塊與電源模塊協(xié)同工作，自帶看門(mén)狗，能自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)重啟，其他模塊出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并且可獨(dú)立工作，出現(xiàn)故障時(shí)不影響其他模塊工作。

2. 數(shù)據(jù)傳輸與通信協(xié)議

在ARM主系統(tǒng)得到航標(biāo)運(yùn)行參數(shù)和航標(biāo)位置參數(shù)后，按照規(guī)定的數(shù)據(jù)協(xié)議和GSM協(xié)議、GPRS協(xié)議，進(jìn)行消息編碼，由GSM/GPRS模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。系統(tǒng)采用GPRS實(shí)時(shí)傳輸（主）和SMS短消息（輔）兩種通信方式，主輔通信方式通過(guò)科學(xué)組合、自動(dòng)適應(yīng)、自動(dòng)切換，采用抗干擾和過(guò)濾設(shè)計(jì)。傳送數(shù)據(jù)時(shí)采用無(wú)應(yīng)答時(shí)重發(fā)，GPRS不成功轉(zhuǎn)為短消息傳送，短消息不成功重啟通信模塊重新發(fā)送，在限時(shí)內(nèi)不成功自動(dòng)保存，等待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)補(bǔ)發(fā)。

3. 報(bào)警處理與異常檢測(cè)

采集電路采集到的數(shù)據(jù)會(huì)與存儲(chǔ)的中心設(shè)置參數(shù)（閥值）進(jìn)行比較，判斷航標(biāo)燈是否出現(xiàn)異常情況。如果異常，則由ARM主系統(tǒng)申請(qǐng)進(jìn)行報(bào)警處理。當(dāng)GPS模塊沒(méi)有關(guān)機(jī)時(shí)，可對(duì)浮標(biāo)的位置持續(xù)測(cè)量及報(bào)警判斷；當(dāng)GSM模塊沒(méi)有關(guān)機(jī)時(shí)，監(jiān)控中心可以隨時(shí)查詢(xún)其實(shí)時(shí)狀態(tài)。

四、功能實(shí)現(xiàn)

在航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)的控制下，以低功耗的條件實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)燈燈質(zhì)的檢測(cè)、碰撞檢測(cè)、差分定位、遠(yuǎn)程控制等功能。

1. 燈質(zhì)檢測(cè)

通過(guò)從CPU（LPC1114）對(duì)航標(biāo)燈的燈質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，包括閃光周期、亮度等參數(shù)，確保航標(biāo)燈的正常工作。

2. 碰撞檢測(cè)

通過(guò)從CPU（LPC1114）對(duì)航標(biāo)的傾角/撞擊進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)航標(biāo)受到撞擊時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，確保航標(biāo)的安全。

3. 差分定位

通過(guò)讀取GPS信號(hào)并進(jìn)行前差分處理，獲取航標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)的差分定位。

4. 遠(yuǎn)程控制

監(jiān)控中心可以通過(guò)GPRS/GSM通信對(duì)航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，包括調(diào)整航標(biāo)燈的閃光周期、亮度等參數(shù)，以及接收航標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

五、總結(jié)

本方案采用基于ARM的雙CPU架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)終端的遙測(cè)遙控功能。通過(guò)測(cè)量和控制航標(biāo)燈的工作狀態(tài)參數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信，為船舶的安全航行提供了基本保障。同時(shí)，本方案還具有電源適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適用于現(xiàn)代數(shù)字航道系統(tǒng)的建設(shè)。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，航標(biāo)終端的功能和性能將得到進(jìn)一步提升，為航道建設(shè)和管理提供更加可靠的技術(shù)支持。