基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统，包括主控机、采集模块、操纵台控制器、推进器。主控机、采集模块和操纵台控制器通过第一网络相互连接，操纵台控制器还连接至第二网络，操纵台控制器和推进器通过第二网络相互连接。采集模块将传感器数据和推进器数据传输给主控机，主控机根据传感器数据计算船舶位置，并根据推进器数据计算推进量。操纵台控制器读取操纵台上的实际操纵信息和推进器的推进量，读取推进器的状态并反馈至主控机。本发明专利技术的系统包含丰富的硬件接口和工业总线协议，可满足节点冗余和组网冗余的要求，通信效率高、系统响应速度快。

Ship dynamic positioning control system based on ARM and FPGA

The invention discloses a ship power positioning control system based on ARM and FPGA, which comprises a main controller, an acquisition module, a console, a controller and a propeller. The main controller, the acquisition module and the console controller are connected with each other through the first network, and the controller is also connected to the second network, and the console, the controller and the propeller are connected with each other through the second network. The acquisition module transmits the sensor data and thruster data to the main controller. The master calculates the position of the ship according to the sensor data and calculates the propulsion according to the thruster data. The console controller reads the actual operation information of the console and the propulsion of the thruster, reads the state of the propeller and feed back to the main control unit. The system of the invention comprises a rich hardware interface and an industrial bus protocol, and can meet the requirements of node redundancy and network redundancy, and the communication efficiency is high and the response speed of the system is fast.

【技术实现步骤摘要】
基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统
本专利技术涉及嵌入式控制和船舶动力定位系统，更具体地说，涉及一种基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统。
技术介绍
随着海洋资源的勘探和利用，以及航海科学技术和船舶海洋工程的发展，人类的步伐逐步由浅海迈进深海领域，这对船舶动力定位系统的要求越来越高，同时也促进了动力定位的相关技术快速发展。船舶动力定位系统，目的是用来保持船舶的位置和航向，系统不借助于锚泊系统，根据实时的风浪流的方向，利用自身的推进器产生推动力和力矩抵消去抵抗外界环境的干扰，自动地调节船舶的艏向到最优的期望位置。动力定位系统相比锚泊系统，具有部署容易、定位精度高、安全性高、成本不会随水深增加而增加等优点，因此得到了广泛研究、推广和应用。随着微电子技术、计算机科学技术和传感器技术的不断进步，以及先进控制算法和策略的不断涌现，使得动力定位系统的体系结构日益复杂。同时，动力定位系统的稳定性和可靠性提出了更为苛刻的要求，如船级社定义的DP-3等级将逐渐成为主流。船舶动力定位控制系统安全性要求非常高，一旦出现故障，将带来巨大的经济损失和安全问题。所以对控制器中的数据采集通信的精确度和可靠性以及系统的容错能力提出了极高的要求。传统的定位系统所用的控制器，往往使用PLC或工控机，采用分立的采集模块或功能卡，集成度不高、运算能力不强，不利于应用如多传感器数据融合、分布式计算等技术，限制了控制器的适应性和高性能化。此外，PLC和工控机的架构，平台依赖性强、软硬件接口封闭、操作系统实时性不强，安全性和可靠性很难达到高冗余等级的设计级别，难以满足强电磁干扰、高振动、高湿温度的船舶应用环境。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统，解决现有的定位系统软硬件接口封闭、安全性和可靠性未达到高冗余等级设计的问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统，包括主控机、采集模块、操纵台控制器、推进器。主控机、采集模块和操纵台控制器通过第一网络相互连接，操纵台控制器还连接至第二网络，操纵台控制器和推进器通过第二网络相互连接。采集模块将传感器数据和推进器数据传输给主控机，主控机根据传感器数据计算船舶位置，并根据推进器数据计算推进量。操纵台控制器读取操纵台上的实际操纵信息和推进器的推进量，读取推进器的状态并反馈至主控机。进一步地，第一网络和第二网络均为POWERLINK网络，且第一网络和第二网络分别为双网冗余网络。主控机包括第一主控机和第二主控机，第一主控机和第二主控机均作为POWERLINK网络的主站并形成主站冗余。进一步地，主控机以ARM处理器为主处理器、FPGA为协处理器，主处理器和协处理器之间通过GPMC高速接口和SPI低速接口的组合方式连接。进一步地，GPMC工作在独立的地址总线和数据总线线的同步模式，采用8位数据总线、10根地址线、FPGA连接到ARM的片选GPMC_CS2和GPMC_CS3上，使得FPGA作为ARM的外扩存储空间，在ARM端地址范围为0x10000000-0x100003FF，0x10000400-0x100007FF。进一步地，ARM芯片的外围连接64MSPIFlash、两路RS232、RS422和RS485接口，两路CAN接口，两路以太网接口，10路DI和DO接口。进一步地，FPGA芯片的外围连接10路RS422、RS485串行接口，2路Profibus、3路POWERLINK，10路AD和DA接口。相对于现有技术，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提出的基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统包含丰富的硬件接口和工业总线协议，可灵活地接入各种接口形式的传感器或设备。控制器从设计上可满足节点冗余和组网冗余的要求，整体架构可符合船级社的DP-3等级，拓展能力强、可靠性好。(2)本专利技术采用ARM和FPGA的双处理器结构，ARM主处理器负责控制相关的计算任务，FPGA协处理器用作协议网关转换和数据采集转换的功能，两者分工明确、通信效率高、系统响应速度快。(3)本专利技术的处理器架构中，将FPGA协处理器设计为ARM主处理器的外设，使用内存映射到ARM的地址空间中，这样减少了处理器间交换数据而产生的额外开销。此外，ARM与FPGA之间还留有SPI的接口，用作频繁的小数据交换，进一步提高两者间的通信效率。(4)本专利技术的FPGA中，集成了常用的工业总线Profibus和POWERLINK协议，采用模块化硬核的设计思想，层次分明，可按需配置成主站或从站模式。在ADC和DAC模块中，采取FIFO和状态机的模式进行，工作效率较高。附图说明图1是本专利技术的船舶动力定位控制器的应用示意图；图2是本专利技术的船舶动力定位控制器的硬件架构示意图；图3是本专利技术的主处理器ARM和协处理器FPGA间的互联示意图；图4是本专利技术的协处理器FPGA内部拓扑示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步说明本专利技术的技术方案。参照图1，本专利技术公开一种基于ARM和FPGA(Field－ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列)的船舶动力定位控制系统，其主要包括主控机、采集模块、操纵台控制器、推进器。主控机、采集模块和操纵台控制器通过第一网络相互连接，操纵台控制器还连接至第二网络，操纵台控制器和推进器通过第二网络相互连接。采集模块将传感器数据和推进器数据传输给主控机，主控机根据传感器数据计算船舶位置，并根据推进器数据计算推进量。操纵台控制器读取操纵台上的实际操纵信息和推进器的推进量，读取推进器的状态并反馈至主控机。在本专利技术中，第一网络和第二网络均为POWERLINK网络，且第一网络和第二网络分别为双网冗余网络。主控机包括第一主控机和第二主控机，第一主控机和第二主控机均作为POWERLINK网络的主站并形成主站冗余。具体来说，系统中有两个主控制器和一个备用的控制站。备用控制站的位置与主控制系统之间采用A-60级标准分舱隔离，有独立的位置参考系统和传感器系统，并独立于主控制系统回路。控制器与数据采集器之间采用冗余的POWERLINK组网，控制器与上层的显控平台采用双冗余以太网组网，推进器在主控回路和备用控制器回路分别进行POWERLINK通信。这样的设计可确保系统在任何单个故障不会导致整个动力定位系统的崩溃引起的停止运行，保障了系统的可靠性。继续参照图1，整个船舶动力定位控制系统的网络主要分为四部分：第一部分是显控平台与主控机之间的网络，即以太网-A和以太网-B，组成双网冗余以太网网络；第二部分是以主控机和采集模块为主的数据采集控制部分，采集模块和采集器分别将传感器数据和推进器数据给主控机，主控机根据船舶位置及运行情况计算推进量。主控机、采集模块和操纵台控制器之间的网络，即POWERLINK-A和POWERLINK-B，组成多主双网冗余网络。主控机1和主控机2均是POWERLINK主站，正常状态下主控机1处于活动工作状态，主控机2处于监听状态，若主控机1发生故障时，主控机2自动接管主控机1的状态，从而完成主站冗余功能；第三部分是操纵台控制器与推进器连接的网络，即POWERLINK-C。操纵台控制器获取用户实际操作操纵台的信息，而且通过网络获取推进器的控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统，其特征在于，包括：主控机、采集模块、操纵台控制器、推进器；所述主控机、采集模块和操纵台控制器通过第一网络相互连接，所述操纵台控制器还连接至第二网络，操纵台控制器和推进器通过第二网络相互连接；所述采集模块将传感器数据和推进器数据传输给所述主控机，所述主控机根据传感器数据计算船舶位置，并根据推进器数据计算推进量；所述操纵台控制器读取操纵台上的实际操纵信息和推进器的推进量，读取推进器的状态并反馈至所述主控机。

【技术特征摘要】
1.一种基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统，其特征在于，包括：主控机、采集模块、操纵台控制器、推进器；所述主控机、采集模块和操纵台控制器通过第一网络相互连接，所述操纵台控制器还连接至第二网络，操纵台控制器和推进器通过第二网络相互连接；所述采集模块将传感器数据和推进器数据传输给所述主控机，所述主控机根据传感器数据计算船舶位置，并根据推进器数据计算推进量；所述操纵台控制器读取操纵台上的实际操纵信息和推进器的推进量，读取推进器的状态并反馈至所述主控机。2.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统，其特征在于：所述第一网络和第二网络均为POWERLINK网络，且第一网络和第二网络分别为双网冗余网络；所述主控机包括第一主控机和第二主控机，第一主控机和第二主控机均作为POWERLINK网络的主站并形成主站冗余。3.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的船舶动力定位控制系统，其特征在于：所述主控机以ARM处理器为主处理器、FPGA为协处理器，所述主处...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海然，万沈文，吴忠兵，闫渠成，张科昌，方立，
申请(专利权)人：上海振华重工电气有限公司，上海振华重工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31