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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
中图分类号：U666.1
文献标志码：A
0 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IEC 61162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-Heading true）及转向角速率（ROT-Rate of turn）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IEC 61162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-Heading true”和“ROT-Rate of tum”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（位移）传感器的舷角测量
调理电路与数字处理
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，8路10位A/D转换，转换速度可达250kHz（每秒钟25万次）；通用全双工异步串行口（UART），可用定时器或PCA软件实现多串口；通过多路10位精度ADC的A/D转换，精度可达360度/1024，即0.3515625度，满足航海方位测量精度要求，多路A/D转换口，满足多个方位测站一体化设计需求，
角度传感器常见的形式有滑阻式、磁敏式、光电编码式等，光电编码式角度传感器以直接输出数字信号见长，但制造工艺要求高，成本略大，滑阻式和磁敏式角度传感器均将机械转动转化为标准电信号输出，磁敏式角度传感器能全量程无触点测量转动的角度变化，且线性度更高.使用滑阻式角度传感器进行样机设计，技术路线一致，以专业滑阻电位器式角度传感器WDS35D4及STC12C5A60S2设计的舷角采集板卡见图5.
图5中：STC12C5A60S的8路10位A/D转换可实现多路角度（电压DC：O～+5V）信号数字化，采用P1.6，P1.7通道保证驾驶台两翼观测目标方位，调理电路中传感器模块实现0-360度测角与1-+5VDC的线性映射，运用Keil uVision编程巡检式输出多路传感器0-1024工位数，对应测角由上位机解算. 2.3 总控上位机数据解算、融合及图形化功能设计
航向语句解读、拆分及虚拟罗盘显示：配置端口号、波特率.利用C#SerialPort类接收罗经通过RS422或485送来的语句，经CRC校验由Textbox显示，采集语句通过上位机软件解析获得航向数据，具体流程为：SerialPort类DataReceived事件获取数值，当串口的读缓存有数据到达时则触发DataRe-ceived事件，使用ReadExisting（）将语句型文本从串口逐字节读出并赋值给Cgyro字符串变量，如Cgyro以回车结束则断句；随后利用“Split”拆分并解析Cgyro全句获得航向值句块，置空Cgyro以采集下句，为达到与传统机电式机械刻度盘分罗经等效的表达效果，采用计算机图形技术实时绘制平面仪表图形，实现虚拟仪表VI显示功能.
舷角语句解读、拆分及虚拟罗盘显示：与航向采集方法类似，语句送达上位机后，上位机收取送达语句，参考罗经航向以“，”为分隔符，对句块进行拆分获得测站号、传感器工位并赋值给相关字符串变量，对所得传感器工位由式（1）处理得舷角值，结合航向值由式（2）得真方位.
Q=S×360°/1024-180°（l）
B=Q+C
（2）式中.Q为舷角（左一右+）；S为传感器工位数；C为航向；B为真方位，合成的航向值大于3600减去360°；小于0°加360°.
航向、电子方位线（EBL）的仪表虚拟可视化：对航向数据，利用循环绘制十度刻度线和一度刻度线，将“000”“010”…“350”字串labell（i）控件数组计36个倒序为350，340，…文本，打印在对应屏幕位置，实现虚拟罗经刻度盘显示，同理，真方位绘制成测站EBL.部分典型例程如下：for （int n=0；n<36；n++）
{d1=midx+（CuRadius-35）*Math.Sin（（deg+n*10）*pi/180）；
d2=midy+（CuRadius-35）*Math.Cos（（deg+nZ*10）*pi/180）；
d3=midx+（CuRadius+5）*Math.Sin（（deg+n*10）*pi/180）；
d4=midy+（CuRadius+5）*Math.Cos（（deg+n*10）*pi/180）；
g.DrawLine（myPen，dl，d2，d3，d4）；}
2.4 基于以太网及WiFi的UDP协议数字化复示
首先不管是发送方（总控上位机）还是接收方（显示终端），在C#环境内利用using System.Net和using System.Net.Sockets添加2个命名空间，实现UDP协议的网络通信，以此为基础，程序中声明UD-PClient，即UdpClient uc，并定义uc=new UdpCli-ent（），从而获得一个UdpClient封装类.
然后，发送方（总控上位机）对航向、测站号、方位等数值再组织形成网络报文，由值变（textBox-TextChanged）触发赋值及网络广播事件，
随后，接收方（方位分罗经显示终端）定义报文赋值字符串变量、UdpClient变量、线程变量等，设置IPEndPoint终结点，并将端口号设为与发送方端口号一致，UDP网络收发流程见图6.
3 校调、标定、安装及测试结果验证
样机由RS422串口类型设备、工业以太网及WiFi类型设备组成，具体有罗经航向报文串行发送分频器、LED航向显示的数字分罗经、RS232/RS422485转接器、舷角观瞄传感器、舷角传感器数字化处理与通信模块、总控上位机、以太网及WiFi路由器、移动网络终端等，见图7.
系统安装前线性优化及标定：利用机械刻度盘（0-360°）全程校对，得出滑阻式角度传感器WDS35D4在（O-360°）旋转过程中经STC12C5A60S单片机A/D转换进行Q=S*360°/1024解算后的输出特性，见图8.由输出曲线分析得，在0-5°内，数字输出基本为0，在5-360°内，输出线性较好，但线性梯度明显偏高，输入输出关系近似为（5-360°）到（O-360°）的线性映射，线性梯度经系数K修正后舷角算式如式（3），计算结果减180°后分左右舷得正负舷角.
Q=K×S×360°/1024+5°
（K=0.98611）
（3）
实验室仿真测试：基础为半实物仿船转台；测试条件为初始航向125°，匀速旋转ROT为3°/s，极限ROT为35°/s；测试模式为“匀速旋转+加速旋转、突停、反转+轻微摇摆”，利用天体方位法，2014年10月3日区时0900-0905，计算太阳方位，其与本装置测量结果比对见图9和表1.数据表明，全程测量舷角（-175-180°）为测量死区，其余方位测量误差小于0.6°.
观测死区置于船尾对测量效果影响不大，而且通过多测站互补，亦可有效弥补此种不足.安装方法：转动观瞄架至舷角输出值为O，将此时观瞄架位置标记在传感器壳体（固定部分）上作为船首线标记，若在驾驶台两翼安装，利用船舶型线图计算两翼视艏桅的舷角计算值Qc=arctan（ι/y），（ι为艏桅至测站纵向距离，y为艏桅横向距离）.将观瞄架对准艏桅，转动传感器外壳及固定部分，直到数字输出等于计算值，说明传感器船首线标记与实际船首线平行，随后固定观瞄测量装置见图10.
仿船平台安装测试结果表明，主罗经、总控上位机、网络分罗经航向、方位测量与显示保持一致，同步速度优于机电式分罗经，方位观瞄测量结果误差小于0.6°.
4 结束语
数字化结构的分罗经航向方位一体化测量终端可消除机电仪表存在的弊端，通过采用100次传感器采样均值滤波、剔除野值、输出线性梯度调节等方法使测量精度高于机械刻度盘目测结果，除测量盲区外，全程方位测量误差均小于0.6°，分显示装置数据延迟可以忽略，模块化的结构使故障排除变得更方便.系统的研发还可运用数据库技术存储与回放测量结果，为数据的远程传输、遥测遥控、跨平台共享（如ECDIS，雷达等）的接口兼容等作预研.
关键词：陀螺罗经；角度传感器；串口通信；虚拟仪器；方位测量
中图分类号：U666.1
文献标志码：A
0 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IEC 61162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-Heading true）及转向角速率（ROT-Rate of turn）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IEC 61162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-Heading true”和“ROT-Rate of tum”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（位移）传感器的舷角测量
调理电路与数字处理
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，8路10位A/D转换，转换速度可达250kHz（每秒钟25万次）；通用全双工异步串行口（UART），可用定时器或PCA软件实现多串口；通过多路10位精度ADC的A/D转换，精度可达360度/1024，即0.3515625度，满足航海方位测量精度要求，多路A/D转换口，满足多个方位测站一体化设计需求，
角度传感器常见的形式有滑阻式、磁敏式、光电编码式等，光电编码式角度传感器以直接输出数字信号见长，但制造工艺要求高，成本略大，滑阻式和磁敏式角度传感器均将机械转动转化为标准电信号输出，磁敏式角度传感器能全量程无触点测量转动的角度变化，且线性度更高.使用滑阻式角度传感器进行样机设计，技术路线一致，以专业滑阻电位器式角度传感器WDS35D4及STC12C5A60S2设计的舷角采集板卡见图5.
图5中：STC12C5A60S的8路10位A/D转换可实现多路角度（电压DC：O～+5V）信号数字化，采用P1.6，P1.7通道保证驾驶台两翼观测目标方位，调理电路中传感器模块实现0-360度测角与1-+5VDC的线性映射，运用Keil uVision编程巡检式输出多路传感器0-1024工位数，对应测角由上位机解算. 2.3 总控上位机数据解算、融合及图形化功能设计
航向语句解读、拆分及虚拟罗盘显示：配置端口号、波特率.利用C#SerialPort类接收罗经通过RS422或485送来的语句，经CRC校验由Textbox显示，采集语句通过上位机软件解析获得航向数据，具体流程为：SerialPort类DataReceived事件获取数值，当串口的读缓存有数据到达时则触发DataRe-ceived事件，使用ReadExisting（）将语句型文本从串口逐字节读出并赋值给Cgyro字符串变量，如Cgyro以回车结束则断句；随后利用“Split”拆分并解析Cgyro全句获得航向值句块，置空Cgyro以采集下句，为达到与传统机电式机械刻度盘分罗经等效的表达效果，采用计算机图形技术实时绘制平面仪表图形，实现虚拟仪表VI显示功能.
舷角语句解读、拆分及虚拟罗盘显示：与航向采集方法类似，语句送达上位机后，上位机收取送达语句，参考罗经航向以“，”为分隔符，对句块进行拆分获得测站号、传感器工位并赋值给相关字符串变量，对所得传感器工位由式（1）处理得舷角值，结合航向值由式（2）得真方位.
Q=S×360°/1024-180°（l）
B=Q+C
（2）式中.Q为舷角（左一右+）；S为传感器工位数；C为航向；B为真方位，合成的航向值大于3600减去360°；小于0°加360°.
航向、电子方位线（EBL）的仪表虚拟可视化：对航向数据，利用循环绘制十度刻度线和一度刻度线，将“000”“010”…“350”字串labell（i）控件数组计36个倒序为350，340，…文本，打印在对应屏幕位置，实现虚拟罗经刻度盘显示，同理，真方位绘制成测站EBL.部分典型例程如下：for （int n=0；n<36；n++）
{d1=midx+（CuRadius-35）*Math.Sin（（deg+n*10）*pi/180）；
d2=midy+（CuRadius-35）*Math.Cos（（deg+nZ*10）*pi/180）；
d3=midx+（CuRadius+5）*Math.Sin（（deg+n*10）*pi/180）；
d4=midy+（CuRadius+5）*Math.Cos（（deg+n*10）*pi/180）；
g.DrawLine（myPen，dl，d2，d3，d4）；}
2.4 基于以太网及WiFi的UDP协议数字化复示
首先不管是发送方（总控上位机）还是接收方（显示终端），在C#环境内利用using System.Net和using System.Net.Sockets添加2个命名空间，实现UDP协议的网络通信，以此为基础，程序中声明UD-PClient，即UdpClient uc，并定义uc=new UdpCli-ent（），从而获得一个UdpClient封装类.
然后，发送方（总控上位机）对航向、测站号、方位等数值再组织形成网络报文，由值变（textBox-TextChanged）触发赋值及网络广播事件，
随后，接收方（方位分罗经显示终端）定义报文赋值字符串变量、UdpClient变量、线程变量等，设置IPEndPoint终结点，并将端口号设为与发送方端口号一致，UDP网络收发流程见图6.
3 校调、标定、安装及测试结果验证
样机由RS422串口类型设备、工业以太网及WiFi类型设备组成，具体有罗经航向报文串行发送分频器、LED航向显示的数字分罗经、RS232/RS422485转接器、舷角观瞄传感器、舷角传感器数字化处理与通信模块、总控上位机、以太网及WiFi路由器、移动网络终端等，见图7.
系统安装前线性优化及标定：利用机械刻度盘（0-360°）全程校对，得出滑阻式角度传感器WDS35D4在（O-360°）旋转过程中经STC12C5A60S单片机A/D转换进行Q=S*360°/1024解算后的输出特性，见图8.由输出曲线分析得，在0-5°内，数字输出基本为0，在5-360°内，输出线性较好，但线性梯度明显偏高，输入输出关系近似为（5-360°）到（O-360°）的线性映射，线性梯度经系数K修正后舷角算式如式（3），计算结果减180°后分左右舷得正负舷角.
Q=K×S×360°/1024+5°
（K=0.98611）
（3）
实验室仿真测试：基础为半实物仿船转台；测试条件为初始航向125°，匀速旋转ROT为3°/s，极限ROT为35°/s；测试模式为“匀速旋转+加速旋转、突停、反转+轻微摇摆”，利用天体方位法，2014年10月3日区时0900-0905，计算太阳方位，其与本装置测量结果比对见图9和表1.数据表明，全程测量舷角（-175-180°）为测量死区，其余方位测量误差小于0.6°.
观测死区置于船尾对测量效果影响不大，而且通过多测站互补，亦可有效弥补此种不足.安装方法：转动观瞄架至舷角输出值为O，将此时观瞄架位置标记在传感器壳体（固定部分）上作为船首线标记，若在驾驶台两翼安装，利用船舶型线图计算两翼视艏桅的舷角计算值Qc=arctan（ι/y），（ι为艏桅至测站纵向距离，y为艏桅横向距离）.将观瞄架对准艏桅，转动传感器外壳及固定部分，直到数字输出等于计算值，说明传感器船首线标记与实际船首线平行，随后固定观瞄测量装置见图10.
仿船平台安装测试结果表明，主罗经、总控上位机、网络分罗经航向、方位测量与显示保持一致，同步速度优于机电式分罗经，方位观瞄测量结果误差小于0.6°.
4 结束语
数字化结构的分罗经航向方位一体化测量终端可消除机电仪表存在的弊端，通过采用100次传感器采样均值滤波、剔除野值、输出线性梯度调节等方法使测量精度高于机械刻度盘目测结果，除测量盲区外，全程方位测量误差均小于0.6°，分显示装置数据延迟可以忽略，模块化的结构使故障排除变得更方便.系统的研发还可运用数据库技术存储与回放测量结果，为数据的远程传输、遥测遥控、跨平台共享（如ECDIS，雷达等）的接口兼容等作预研.